Автор: Igoremail
Опубликовано 30.05.2023
Создано при помощи КотоРед.

Качественный звук на 9 транзисторах

Доводим усилитель до совершенства и повышаем неискажённую мощность до 400 Ватт.

При выборе схемы УНЧ для повторения радиолюбители обычно обращают внимание на совокупность многих факторов, например сложность самой схемы, сложность её повторения, сложность (или простота) настройки, доступность требуемых деталей, надёжность, мощность, качество самого усилителя, ну и конечно качество его звучания.

А качество звука зависит как известно (хоть и не напрямую) от совокупных нелинейных искажений (THD). Как правило, звук тем лучше, чем меньше процент THD от уровня сигнала. Не в последнюю очередь смотрят и на уровень шума, т.к. мало приятного когда в паузе фонограммы из колонок доносится громкое шипение.

Но не меньшее значение имеет и то, на что обычно мало кто обращает внимание : на «распределение» искажений по всей полосе частот и на перегрузочную способность усилителя.

Усилитель у которого уровень искажений на 1 кГц и на 20 кГц отличается в разы ( или десятки раз, а бывает – и в сотни раз) конечно же будет звучать похуже, чем усилитель у которого уровень искажений примерно одинаков во всём звуковом диапазоне. Важна не только «ровная» амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя и полоса пропускания, а также «ровное» распределение нелинейных искажений по всей этой полосе, ну или хотя бы в пределах звукового диапазона.

Другой важный аспект – перегрузочная способность. Совсем недаром считается, что «если хочешь слушать 20 Ватт без искажений –покупай 100 Ваттный усилитель». Например, при средней мощности прослушивания 20 Вт какой-нибудь особо «динамичной» музыки некоторые всплески (особенно по НЧ) могут достигать 100 Вт. Именно для того, чтобы питание не «проседало» в эти моменты и УНЧ справлялся с нагрузкой и служат конденсаторы блока питания. И чем их ёмкость больше ( в разумных пределах) – тем лучше. Но это только при условии, что и сам усилитель справится с такой перегрузкой. В противном случае в эти моменты вы будете отчётливо слышать характерные искажения сигнала (звука).

Когда-то давно во времена СССР ко мне в руки попал усилитель японского производства. Попытки реанимировать 1 канал не увенчались успехом из-за невозможности в то время найти мощные полевики. Пришлось полностью менять выходной усилитель. Собрал популярную по тем временам схему Агеева на биполярных транзисторах, звук которой в то время меня радовал. К моему удивлению звук собранного мною канала был заметно «мертвее» звука родного, оставшегося в живых канала.

Это меня заинтересовало, и я перерисовал японскую схему себе. Тем более, что она была совсем не сложная. С тех пор прошло много лет и сейчас я уже встречал в интернете немного переделанные под современные детали варианты этой схемы.

Руководствуясь ими, а также оригиналом и желанием упростить всё, что не влияет на качество, добавить то, что (по моему мнению) на качество влияет, а также максимально удешевить изготовление усилителя я и пришёл к данной схеме.

Из оригинала были выброшены источники напряжения для питания дифкаскадов и заменены источником тока, добавлены пару конденсаторов, цепочка защиты выходных транзисторов, резистор установки тока покоя и согласующая катушка индуктивности на выходе. Также заменён диод термостабилизации на транзистор (включённый в режиме диода), т.к. его гораздо удобнее крепить к радиатору.

А в процессе экспериментов были наиболее удачно (на мой взгляд) изменены номиналы резисторов, и вид используемых маломощных транзисторов, которые собственно и вносят основную часть искажений.

Результаты получились такие:

- входное напряжение – 1 V.
- полоса частот по уровню 0,5 dB -- 20 Гц – 50 кГц
- мощность номинальная –100 Вт (на 4 Ом) при THD 0,003%, что позволяет «раскачать» любую акустику
- уровень шума - не выше – 90 dB
- THD – 0,003% во всей полосе звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц
- только выше 25 кГц искажения начинают заметно расти, но и на 25 кГц (где уже ничего не слышно) достигают всего 0,008%, что вполне приемлемо
- максимальная кратковременная мощность неискажённого сигнала около 400 Ватт при искажениях всего 0,007% (на нагрузке 4 Ом), что конечно позволяет без особых искажений воспроизводить любые «пики» и «всплески» музыкального сигнала.
- усилитель рассчитан на нагрузку 6 Ом, но вполне нормально работает на 4-х или 8-и Омной нагрузке.

Питается усилитель от обычного выпрямителя. Ёмкость электролитических конденсаторов выпрямителя должна быть не менее 10000…..12000 мкФ в каждом плече. Электролитические конденсаторы должны быть зашунтированы плёночными по 100…150 нФ. Желательно чтобы каждый канал УНЧ питался от своего выпрямителя. А ещё лучше (но не обязательно) каждый из этих выпрямителей запитать от своей обмотки трансформатора. Трансформатор стереоусилителя должен быть достаточной мощности (желательно 350….400 Вт ).

Вторичные обмотки трансформатора должны быть с выводом от средней точки и выдерживать ток не менее 5 Ампер. (Это обязательно ).

И не забудьте поставить 5-и Амперные предохранители по + и – питания на каждый канал усилителя.

Рис.1. Схема усилителя.

ВНИМАНИЕ! Маломощные транзисторы BC546 и BC 556 указанные на схеме должны обязательно быть с литерами “С” в конце, т.е. должны быть BC546C и BC556C. Так как только они имеют коэффициент усиления по току 500……800. (В схеме ошибочно указаны транзисторы с литерой “B” в конце).

Для улучшения воспроизведения «пиков» музыкального сигнала двухполярное питание выбрано довольно высоким +-65 V .

Это почти максимально возможная величина для применяемых маломощных транзисторов. А использовать более высоковольтные ( и тоже “бюджетные” ) транзисторы типа, например, 2n5401 и 2n5551 считаю нецелесообразно, т.к. их коэффициент усиления по току в разы ниже, что неминуемо приводит к небольшому росту THD.

Стабилитроны D6 и D7 – на 15 Вольт.

Цепочка D2, D5, D6, D7 –служит для защиты выходных транзисторов.
Конденсатор C4 – на напряжение 25 V, а C9 и C10 – на 80 V.

Транзистор BD139 крепится на радиатор вблизи от выходных транзисторов для термостабилизации.

Все транзисторы крепятся на радиатор через изолирующие прокладки.

Радиаторы должны быть 600 - 800 кв.см. на канал. Если больше – лучше.

Резисторы R1, R2, R3, R5 и все резисторы номиналом по 100 Ом – мощностью по 0,5 Вт, R14 – 2 Вт, R17 –1 Вт, а истоковые R15 и R16 – по 5 Вт, остальные - по 0,25 Вт.
Цепочка R14, C6 защищает УНЧ от возбуждения на высоких частотах. При необходимости можно увеличить ёмкость C6 до 220 нФ. Но у меня уже долго и без проблем работает этот УНЧ с указанными в схеме номиналами. (с транзисторами BC546C и BC556C )

Все транзисторы широко распространённые и совсем не дорогие, включая выходную пару IRFP140 и IRFP9140. Но для достижения низких искажений надо подобрать их в пары по одинаковому коэффициенту усиления. Имеются в виду пары транзисторов в дифкаскадах Q7 и Q9, а также Q2 и Q3.

Для подбора я пользовался обычным китайским тестером со входом для проверки транзисторов. Это дело нескольких минут, зато даёт ощутимый результат.

На Рис.2 и Рис.3 представлены результаты измерений THD на частотах 20 кГц и 25 кГц соответственно.

Рис.2. THD на 20 кГц.

Рис.3. THD на 25 кГц.

А на Рис.4 и Рис.5 представлены соответственно результат измерения шумов и результат измерения кратковременной неискажённой мощности на “пике” сигнала.

Рис.4. Шум – 90 dB.

Рис.5. 400 Ватт неискажённого синуса на "пиках” сигнала.

Как видно размах сигнала (полуволна) имеет амплитуду почти 56 Вольт. Делим на 1,41 и узнаём действующее значение напряжения на нагрузке. Получается 39,7 Вольт. Делим на R нагрузки (4 Ом) и получаем ток чуть более 9,9 Ампер, а это 394 Ватт в импульсе. При этом THD как видите всего 0,007%. Неплохой результат.

Конечно, эти цифры говорят не о том, что возросла до 400 Ватт номинальная мощность (да и сами выходные транзисторы этого бы не выдержали),а лишь о том, что усилитель способен без искажений работать с перегрузкой. А номинальная мощность остаётся прежней – 100 Вт (на 4 Ом).

Но её можно легко увеличить вдвое или втрое. Для этого надо лишь дублировать выходной каскад. (Добавляется ещё одна ( или ещё 2 ) пара выходных транзисторов со своими резисторами в стоках и затворах. Подключается параллельно существующей. Больше никаких изменений делать не надо.)

Кстати, усилитель вполне работоспособен и при питании +-30…..35 Вольт с незначительным ухудшением параметров, ну и с уменьшением мощности соответственно.

Катушка L1 служит для согласования усилителя с акустикой. Она наматывается прямо на одноваттном резисторе R17 медным проводом диаметром 0,8……1 мм в 2 слоя. Первый слой содержит 8 витков провода, а второй –7. В принципе можно обойтись и без катушки, удалив её вместе с резистором, но всё зависит от вашей акустики.

Соединительные провода от выпрямителя до УНЧ используйте по возможности короче и не используйте для этого тонкие провода.

Если вдруг (что маловероятно, но всё же) вы использовали в качестве истоковых пятиваттные керамические резисторы, и ваш усилитель “ловит” самовозбуждение, просто замените керамические резисторы на угольные (поставьте, например, параллельно 5 штук одноваттных МЛТ номиналом по одному Ом). Хотя такое встречается крайне редко.

Хотя усилитель “держит” на выходе почти идеальный ноль (+- 10…15 mV), все же рекомендую на всякий случай во избежание неприятностей подключать акустику через устройство защиты.

При первом включении и настройке настоятельно рекомендую включить последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора лампу накаливания мощностью 150…200 Вт (если ваш трансформатор 400 Ваттный) или 100 Ватт (если он 200 Ваттный). Это сбережёт множество деталей при ошибке монтажа. Если спираль едва накалена - всё в порядке, ну а если лампа светит сильно – есть проблемы.

Настройка : перед подачей питания надо вывести R22 в положение нулевого сопротивления, затем подать питание и с помощью этого резистора установить ток покоя примерно 170 mA. Удобнее и надёжнее в этих целях использовать многооборотные резисторы.

Звучит этот усилитель весьма достойно, гораздо лучше многих современных промышленных образцов и ширпотреба.

Так как схема предельно проста, печатную плату для окончательного варианта я не делал, собрал на макетке.

На Рис.6 представлено фото первоначального макета в стерео варианте, ещё без доработок, а на Рис.7 – полный сигнал амплитудой 30 Вольт на нагрузке 4 Ом (частота 1 кГц) - это больше 110 Ватт (почти 5,5 Ампер). Нихромовая 4-х Омная спираль нагрузки при этом красная.

Рис.6. Первоначальный макет. С этого всё началось.

Рис.7. Полный сигнал.

Применяемые маломощные транзисторы BC546C и BC556C имеют предельное напряжение коллектор-эмитер 80 V. И хотя в данной схеме на любом из них не более 65...68 V, эти транзисторы ( из одной партии купленой на Aliexpress ) у меня сгорели. Подозреваю, что это была подделка. Купленые на радиорынке работают до сих пор. Будьте внимательны.

P.S. В крайнем случае немного уменьшайте напряжение питания.

Все вопросы в Форум.