Усилитель Арасланова для бытового радиокомплекса

В настоящее время наметились два направления в конструировании любительских УМЗЧ – проектирование ультралинейных усилителей (с принятием специальных мер по линеаризации выходного каскада), имеющих коэффициент гармоник V порядка тысячных долек процента, но весьма сложных в регулировке и налаживании, и создание сравнительно простых усилительных устройств (обычно на одном-двух ОУ и двух-четырех транзисторах), легко повторяемых, но не позволяющих получить требуемое для высококачественного звучания значение коэффициента гармоник менее 0,04% во всем воспроизводимом диапазоне частот и при любой мощности, не превышающей номинальную. При проектировании предлагаемого читателям УМЗЧ для бытового радиокомплекса автор попытался создать усилители обладающий достаточными для высококачественного воспроизведения параметрами при сравнительно простой и несложной в налаживании и регулировке схеме. Усилитель имеет надежную триггерную защиту выходных транзисторов от перегрузок по току. Применение для этих целей плавких предохранителей, как показала практика, не всегда эффективно, особенно при возникновении сквозного тока и повышении напряжения питания. Еще одним достоинством предлагаемого устройства является отсутствие в нем инерционных тепловых обратных связей, искажающих сигнал при резких перепадах уровня громкости.

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя Арасланова:

Принципиальная схема усилителя мощности представлена на рис. 1. Входной каскад традиционно построен на ОУ (DА1), имеющем большое усиление по постоянному току и обеспечивающем напряжение на выходе усилителя в отсутствие сигнала, близкое к нулю (типовое напряжение смещения нуля ОУ серии К544УД2 составляет 10…15 мВ). ОУ включен по схеме инвертирующего усилителя. Такое включение обеспечивает более высокую линейность входного каскада на высших звуковых частотах и повышает устойчивость усилителя, благодаря меньшей паразитной связи между его выходом и неинвертирующим входом ОУ. Конденсатор СЗ снижает частоту среза ОУ и гарантирует отсутствие самовозбуждения усилителя при охвате его общей ООС через резистор R4. Цепь R1С2 ограничивает спектр входного сигнала и препятствует перегрузке входного каскада мощными высокочастотными помехами, а также предупреждает срабатывание триггерной защиты от импульсных помех.

Технические характеристики:

Номинальная выходная мощность: 50 Вт/4 Ом
Неравномерность АЧХ в диапазоне 20-20000 Гц: 1 дБ
Коэффициент гармоник: 0,03%
Скорость нарастания выходного напряжения: 20 В/мкс
Выходное сопротивление в диапазоне 20-2000 Гц: 0,04 Ом
Относительный уровень помех: 100 дБ

Транзистор VТ1 выполняет функции стабилизатора тока. Он  создает стабильное падение напряжения на диодах VD3, VD4, определяющее ток покоя выходных транзисторов. Благодаря высокому выходному сопротивлению стабилизатор практически не шунтирует выход ОУ по переменному току и обеспечивает работу его выходного каскада в режиме А. Подстроечным резистором R8 устанавливают ток покоя выходных транзисторов. Выходной каскад усилителя собран на комплементарных транзисторах VТ2, VТ6, VТ8 и VТ3, VT7, VТ9. Он охвачен глубокой местной ООС через делители R15/R13 и R16/R14. Напряжение ООС снимается с резисторов R19, R20. Такое схемное решение обеспечивает автоматическую регулировку тока покоя мощных выходных транзисторов без применения устанавливаемых обычно на их теплоотводы элементов тепловой ООС.

Диоды VD3, VD4 компенсируют температурный дрейф напряжения база-эмиттер транзисторов VТ2, VТЗ при изменении температуры окружающей среды.

Корректирующая цепь L1, R23, С10, R28 исключает самовозбуждение выходного каскада УМЗЧ. На транзисторах VТ10, VТ4, VТ5 и тиристоре VS1 собрано триггерное устройство защиты транзисторов VТ8, VТ9 выходного каскада от перегрузок по току. При увеличении тока через эти транзисторы до 7…8 А (или при сквозном токе через них 3,5…4 А) открывается транзистор VТ10 и через токоограничительный резистор R24 включает тиристор VS1. Проходящий через него ток открывает транзисторы VТ4, VТ5, которые шунтируют эмиттерные переходы транзисторов VТ6, VТ7, обеспечивая надежное закрывание выходных транзисторов (напряжение насыщения транзисторов VТ4, VТ5 составляет 0,15…0,3 В). Блокировка выходного каскада сохраняется до тех пор, пока не будет выключено питание и не обесточится тиристор.

Светодиод HL1 индицирует перегрузку. Резисторы R10, R11 ограничивают ток через транзисторы VТ2, VТ3 при срабатывании устройства защиты, а резистор R26 – ток через светодиод и базы транзисторов VТ4, VТ5. Конденсатор С8 защищает устройство от импульсных помех. При ограничении полосы пропускания в предварительном усилителе его можно исключить, при этом быстродействие защиты повысится до 2,5 мкс.

Общий провод входного каскада отделен от общего провода выходного каскада и цепей питания для исключения проникания помех на вход усилителя. Он соединяется с «земляной» шиной источника питания через общий провод источника сигнала или отдельным проводом (в зависимости от конструкции комплекса). Резистор R2, соединяющий эти два общих провода между собой, позволяет избежать аварийных ситуации при случайном отключении источника сигнала в первом случае, сохраняя нулевой потенциал на неинвертирующем входе ОУ DA1. Усилитель мощности питается от нестабилизированного источника питания напряжением ±25 В. Для получения указанной номинальной выходной мощности емкость конденсаторов фильтра должна составлять не менее 5000 мкФ (для стереоусилителя можно применить один общий источник питания с конденсаторами фильтра 10000 мкФ).

Выходную мощность можно легко повысить до 70…80 Вт (при тех же параметрах), если напряжение питания повысить до ±30 В. Это потребует применения транзисторов VТ2, VТ3 с большим допустимым напряжением на коллекторе, размещения транзисторов VТ8, VТ9 на общем теплоотводе, выполненном в виде задней стенки усилителя, и усиления охлаждения транзисторов VТ6, VТ7 за счет установки их на небольших теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 25…34 см². Однако повышение напряжения питания приведет к понижению экономичности усилителя. При использовании УМЗЧ в бытовом радиокомплексе более целесообразно ориентироваться на номинальное значение выходной мощности 25 Вт на канал. При этом номинальное выходное напряжение предварительного усилителя должно быть равно 1 В. Такое его значение оптимально для получения необходимом перегрузочной способности и снижения уровня наводок. Указанное выходное напряжение обеспечивает, например, предварительный усилитель «Радиотехника УП-001-стерео».

Рис. 2. Монтажная и печатная плата усилителя Арасланова:

Детали усилителя и теплоотводы выходных транзисторов размещены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 2). Автор использовал теплоотводы с площадью охлаждающей поверхности 300 см². Можно применить и имеющиеся в продаже штыревые и ребристые (с поперечным расположением ребер) теплоотводы с площадью охлаждающей поверхности не менее 250 см². Для улучшения теплообмена теплоотводы с размещенными на них мощными выходными транзисторами устанавливают на расстоянии 5…10 мм над платой. Места их установки помечены на рис. 2 штриховыми линиями. В плате под теплоотводами желательно просверлить несколько рядов отверстий диаметром 3…4 мм (на рис. 2 не показаны). Резисторы R6, R7 и R9-R16 установлены на плате вертикально. Провода, соединяющие транзисторы VТ8, VТ9 с печатными проводниками, рекомендуется свить в жгут и укоротить до минимальной длины.

При монтаже использованы постоянные резисторы МЛТ и подстроечный СП5-2 (R8), конденсаторы К73-17 (С1, С10), КТ-2 (СЗ) и КМ-6 (остальные). Катушка L1 намотана на резисторе R23 и содержит 14 витков провода ПЭЛ 0,51. Резисторы R19, R20 , изготовлены из провода с высоким удельным сопротивлением диаметром 0,7…1,0 мм в виде бескаркасных катушек диаметром 8…10 мм.

Вместо ОУ К544УД2А можно использовать К544УД2б, К544УД2В, а также К544УД1А (в этом случае скорость нарастания выходного напряжения уменьшится до 5 В/мкс) и аналогичные им ОУ серий КР544 (при доработке печатной платы). При использовании ОУ К544УД1А и КР544УД1А конденсатор С3 можно исключить, а перемычку между выводами 1 и 8 нужно убрать.

Функции транзистора VТ1 могут выполнять транзисторы КП303Е, КПЗ03Д; VТ2 – КТ315В, КТ315Д, КТЗ102А, КТ3102Б; VТЗ – КТ3б1В, КТ361Д; КТ3107А, КТ3107Б; КТ3107И; VТ4 – КТ313А и транзисторы серий КТ345 и КТ3107 (кроме КТ3107К, КТ3107Л); VТ5 – КТ315А, КТ315Б, КТ315В, КТ3102А, КТ3102Б, КТ3102В, КТ3102Д; VТ6 – КТб39Д, КТ6З9Г, КТ6З9Ж, КТ6З9Е; VТ7 – транзисторы серии КТ9б1; VТ8 – КТ819ГМ, КТ819В, КТ819Г; VТ9 – КТ818ГМ, КТ818В, КТ818Г; VТ10 – КТЗ1ЗБ, КТЗ13А, КТ2О8Л, КТ5О1Л, КТ5О1М. Диоды Д223А можно заменить Д223, Д223Б, тиристор КУ101Г – КУ101Е. Светодиод НL1 может быть любого типа с красным свечением. Вместо стабилитронов КС515А можно использовать два последовательно соединенных Д814А.

Для получения указанного значения коэффициента гармоник сопротивления резисторов R15, R16 и R13, R14 должны отличаться не более чем на 1%. Для подбора их с такой точностью достаточно стрелочного омметра. Транзисторы можно не подбирать, поскольку параметры усилителя не ухудшаются даже при 100-процентном разбросе коэффициентов передачи тока транзисторов, работающих в разных его плечах.

Налаживание усилителя сводится к регулировке тока покоя выходных транзисторов резистором R8 (перед размещением на печатном плате его движок следует установить в положение максимального сопротивления). Затем, включив усилитель, устанавливают этим резистором напряжение между эмиттерами транзисторов VТ8, VТ9 в пределах 30…33 мВ (ток покоя 100…110 мА) и в течение 20 мин прогрева поддерживают его на этом уровне. После длительных испытаний усилителя в самом тяжелом режиме ток покоя увеличивался до 400 мА, а затем постепенно снижался. В реальных условиях работы он находится в пределах 150…200 мА. Описанный усилитель мощности сравнивался по качеству звучания с высококачественным усилителем П. Зуева. Сравнительные испытания не выявили существенного различия в качестве звучания, несмотря на значительно более высокие характеристики контрольного усилителя.

Автор: М. Арасланов, г. Киров (журнал «Радио» №2, 1989)