Тест усилителя JLH-1969 из Китая

Знаменитый транзисторный усилитель, разработанный в 1969 году, снова появился на рынке и предлагается в Китае в виде дешевого набора. Мы купили его, собрали и провели несколько тестов.

Что собой представляет усилитель JLH 1969 года?

Кем был Линсли-Худ?

Джон Лоренс Линсли-Худ (1925-2004 гг) был английским инженером-электронщиком, наиболее известным как разработчик аудиосхем. Его схемы на транзисторах были как минимум не хуже известных схем на лампах, распространенных в то время. Одной из самых известных его разработок стал “Простой усилитель класса А”, опубликованный в апрельском номере журнала “Wireless World” за 1969 год. Это был очень простой транзисторный усилитель мощности, который, что было революцией в те времена, работал не в классе B или классе AB, а в классе A. Оригинал статьи “Simple Class A Amplifier”. Этот усилитель был разработан как транзисторная альтернатива известному усилителю Williamson 1947 года.

Измерения, опубликованные в статье, показали, что суммарные гармонические искажения усилителя JLH составили всего 0,05% при выходной мощности 9 Вт и синусоиде 1 кГц. Это было беспрецедентно низкое значение для транзисторного усилителя того времени. Однако следует отметить, что транзисторы были подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимально возможный и практически одинаковый коэффициент усиления по току.

Что такое усилитель класса А?

На рисунке приведена упрощенная схема выходного каскада аналогового транзисторного усилителя звука. Соединение между обоими силовыми транзисторами Т2 и Т3 установлено на половину напряжения питания +Ub. Практически все подобные усилители мощности работают в классе B или в классе AB. При такой настройке выходного каскада через оба силовых транзистора не протекает ток покоя Iidle (B) или протекает совсем небольшой ток (AB). В положительный полупериод входного сигнала (красный) через верхний силовой транзистор Т2, блокировочный конденсатор С1 и громкоговоритель LS1 протекает большой сигнальный ток Iplus. В отрицательный полупериод (синий) через громкоговоритель, конденсатор С1 и Т3 протекает столь же большой сигнальный ток Iminus.

Проблема при такой настройке возникает при малых значениях сигнала. Тогда либо оба транзистора проводят, либо не проводят, что приводит к так называемым “кроссоверным” искажениям выходного сигнала. Характерной особенностью таких настроек является то, что ток покоя Iidle значительно меньше токов сигнала Iplus и Iminus.

Выходной каскад аналогового транзисторного усилителя мощности:

Когда выходной каскад установлен в класс А, через оба выходных транзистора протекает очень большой ток покоя Iidle. Оба силовых транзистора имеют небольшое сопротивление между коллектором и эмиттером. На положительном полупериоде входного сигнала оба силовых транзистора управляются таким образом, что сопротивление Т3 увеличивается, а Т2 уменьшается. В результате напряжение на переходе обоих транзисторов увеличивается, и через конденсатор С1 в громкоговоритель протекает ток Iplus. При отрицательном полупериоде ситуация меняется на противоположную, и напряжение на переходе уменьшается. Заряд, накопленный в конденсаторе, заставляет протекать противоположный ток Iminus через нижний транзистор Т3 и громкоговоритель.

Поэтому характерной особенностью схемы класса А является то, что оба силовых транзистора работают непрерывно, и через эти компоненты протекает очень большой ток покоя. При подаче сигнала на выходной каскад этот ток будет модулироваться сигналом, но среднее значение переменного тока останется практически равным току покоя, протекающему через выходные каскады.

Преимуществом такой схемы является отсутствие перекрестных искажений, характерных для схем класса B или AB. Недостатком является очень низкий КПД такого усилителя. Приходится подавать на схему большую мощность питания, чтобы получить от нее небольшую мощность громкоговорителя. Конечно, это связано с большим значением тока покоя, который протекает и при обработке усилителем тихих сигналов.

Набор для самостоятельного изготовления Linsley-Hood 1969

Поставщики и цены

Этот усилитель в виде комплекта предлагают практически все китайские интернет-компании. На рисунке ниже собрано несколько доступных наборов. Цены варьируются от € 14,1 за моно-версию и € 25,8 за самую дешевую стерео-версию до более чем € 55 за абсолютно одинаковый товар. Некоторые комплекты поставляются без радиатора, другие – с дополнительными деталями для блока питания. Поэтому обращайте внимание на то, что входит в комплект поставки! Мы заказали комплект с радиатором, но без блока питания за € 25,8 с учетом доставки из “Hi IC Store” через AliExpress, см. красную стрелку.

Несколько примеров этого усилительного набора “сделай сам”:

Поставляемые компоненты

Как обычно, компоненты поставляются небрежно упакованными в полиэтиленовый пакет. Качество поставляемых компонентов отличное. В оригинальной конструкции в выходном каскаде используются транзисторы Motorola MJ480. В полученном нами комплекте они были заменены на четыре TTC5200 от Toshiba. В некоторых предложениях упоминается, что эти силовые транзисторы “выбраны”, без дальнейшего объяснения того, что под этим подразумевается. В контексте данной конструкции это может относиться только к коэффициенту усиления по току, который должен иметь примерно одинаковое значение для всех четырех транзисторов. Мы, конечно, измерили это значение и получили следующий результат:

• – TTC5200 #1: HFE = 127
• – TTC5200 #2: HFE = 127
• – TTC5200 #3: HFE = 113
• – TTC5200 #4: HFE = 115

Значение, указанное производителем для усиления тока, находится в диапазоне от 80 до 160. Так что, похоже, транзисторы действительно подобраны, поскольку в противном случае разброс по этому параметру был бы больше.

Радиатор имеет размеры 120х55х50 мм и снабжен шестью резьбовыми отверстиями. Четыре из них, очевидно, предназначены для установки транзисторов, а в длинной стороне имеются два отверстия для крепления радиатора к шасси корпуса. Четыре потенциометра изготовлены фирмой Benteng и являются точными копиями известных многооборотных Bourns.

Достаточно небрежный способ поставки деталей:

Технические характеристики усилителя:

По данным поставщика, данный усилитель имеет следующие технические характеристики:

• Напряжение питания DC: 12 – 35 В
• Ток покоя на канал: 0,3 – 1,5 А (рекомендуется 0,7 А/25 В)
• Выходная мощность: 10 – 15 Вт
• Выходное сопротивление: 4 – 16 Ом
• Размеры: 130x50x85 мм
• Масса: 390 г

Отсутствие инструкции по строительству

В нашей упаковке не было инструкции по сборке. Правда, на печатной плате имеется шелкография компонентов, так что пайка компонентов на этой плате не представляет проблемы. Но тогда вы не знаете, например, что делать с четырьмя потенциометрами. Отсутствие листа с описанием хотя бы схемы усилителя и процедуры настройки, на наш взгляд, совершенно недопустимо для любого комплекта.

Схема усилителя

К счастью, после некоторых поисков схему удалось найти в Интернете. Мы аккуратно нарисовали ее с помощью программы sPlan от Abacom, получив следующий результат. Если вы потрудитесь скачать оригинал статьи и посмотрите на рисунок 3, то увидите, что схема идентична оригиналу JLH, вплоть до мельчайших деталей. Даже значения резисторов идентичны! Только используются разные типы транзисторов и, что примечательно, некоторые резисторы имеют меньшую мощность, чем указано в оригинальной схеме.
Конденсатор С7 присутствует только один раз, то же самое относится к светодиоду и последовательному резистору R11.

Схема усилителя Linsley-Hood 1969 года:

С помощью подстроечного потенциометра R1 можно отрегулировать напряжение между двумя силовыми транзисторами до половины напряжения питания. R8 регулирует величину тока покоя через выходной каскад. Конденсатор С4 – это так называемый “бутстрапный” конденсатор, который обеспечивает достаточный ток базы транзистора Т3 при положительных пиках выходного сигнала.

Резисторы R6 и R7 очень важны, поскольку они обеспечивают единственную обратную связь, присутствующую в усилителе. Соотношение между этими двумя резисторами определяет не только коэффициент усиления схемы по напряжению, но и стабилизацию тока в целом. Работает это следующим образом. Если один из силовых транзисторов проводит больше или меньше положенного, то напряжение на переходе будет отклоняться от ½Ub. Это отклонение через резистор R6 будет влиять на проводимость транзистора Т1. Напряжение на резисторе R3 изменится, что, в свою очередь, вызовет отклонение проводимости транзистора Т2. При этом напряжение на резисторе R9 также изменится, что приведет к изменению проводимости транзистора Т4 для компенсации первоначального дисбаланса.

Печатная плата усилителя

Плата двухсторонняя, и придраться здесь не к чему. С одной стороны, некоторые дорожки не имеют полной паяльной маски. Несомненно, это сделано для того, чтобы сделать эти дорожки “толще” за счет нанесения слоя припоя. Однако не все дорожки выходного каскада оснащены таковым, поэтому целесообразность такой обработки сомнительна.

Две стороны печатной платы:

Сборка усилителя

Первый шаг

На печатной плате не предусмотрена возможность временного отключения обоих усилителей от источника питания. Поэтому при сборке усилителя невозможно отрегулировать ток покоя через выходные каскады. Амперметр в положительной линии питания всегда измеряет суммарный ток обоих усилителей. Согласно информации, найденной нами в Интернете, ток покоя должен быть равен 0,7 А на канал при напряжении питания 25 В. По-видимому, этот ток будет протекать через выходной каскад, если установить регулировочный потенциометр R8 (2 кОм) на значение 930 Ом. Из рисунка ниже видно, между какими клеммами необходимо измерить это значение сопротивления. Обратите внимание на положение регулировочного винта, в том числе и при пайке этих деталей на печатную плату!

Регулировка потенциометра R8:

Сборка печатной платы

На основании приведенного ниже рисунка можно припаять на печатную плату все компоненты, кроме четырех силовых транзисторов, в таком порядке:

• 17 резисторов
• 1 светодиод, катодом является самый короткий соединительный провод
• 1 конденсатор 100 нФ
• 2 транзистора 2N5401
• 3 клеммные колодки на печатной плате
• 4 триммерных потенциометра, обратите внимание на положение!
• 12 эл-ков, обратите внимание на плюс и минус!
• 2 транзистора TIP41C, обратите внимание на положение охлаждающего язычка!

Удобный совет: положительные провода двух электролитических конденсаторов С5 (2200 мкФ) не обрезайте, а отогните их в стороны печатной платы так, чтобы они торчали наружу. Впоследствии эти “точки настройки” можно будет использовать для регулировки ½Ub на переходе силовых транзисторов.

Для подключения двух входных сигналов в комплект поставки входит разъем. К сожалению, кабельный разъем для него отсутствует. Удобно ли это в вашем случае – решать вам. Однако три отверстия расположены очень близко друг к другу, а площадки слишком малы для установки в них язычков припоя. Так что другого варианта, кроме как использовать разъем, практически нет.

Паяная печатная плата в сборе:

Монтаж четырех силовых транзисторов

Четыре силовых транзистора прикручиваются к боковым сторонам радиатора с помощью четырех изоляционных пластин, входящих в комплект поставки. Однако не следует прикручивать эти детали плотно, а достаточно свободно, чтобы они могли двигаться. Идея заключается в том, чтобы просунуть соединительные провода 4×3 через двенадцать отверстий печатной платы. Это нужно сделать таким образом, чтобы печатная плата находилась примерно в одном сантиметре над радиатором и, конечно, была полностью параллельна ему. После этого (придется немного изогнуть провода силовых транзисторов и сдвинуть транзисторы влево или вправо) можно припаять провода четырех транзисторов к печатной плате. Затем плотно прикрутите полупроводники к радиатору.

Монтаж силовых транзисторов:

Помните, что охлаждающий выступ транзистора TTC5200 соединен с коллектором, поэтому обязательно нужно изолировать четыре полупроводника на радиаторе.
На рисунке ниже между двумя транзисторами виден отогнутый соединительный провод одного из конденсаторов C5, который можно использовать для настройки потенциометра R1.

Полностью собранный усилитель JLH 1969:

Настройка усилителя

Соедините два входа с землей и подключите печатную плату к регулируемому источнику питания постоянного тока, способному выдать не менее 2 А. Подключите мультиметр постоянного тока между землей и одним из проводов, торчащих слева и справа. Медленно увеличивайте выходное напряжение источника питания, например до 12 В. Теперь поворачивайте винт триммерного потенциометра R1 соответствующего канала до тех пор, пока прибор не покажет 6 В. Затем медленно увеличивайте напряжение питания до максимального значения 30 В и проверяйте при этом, что измеряемое напряжение остается примерно равным половине напряжения питания, а ток не превышает 2 А. При необходимости подстраивайте триммерный потенциометр до тех пор, пока счетчик снова не покажет половину напряжения питания. Повторите процедуру для второго канала.

Электрическая схема

На рисунке ниже приведена электрическая схема этого усилителя. Обратите внимание, что оба выхода громкоговорителей заземлены одним полюсом. Также заземлены отрицательный полюс источника питания и средний контакт входного разъема. Экранирование двух входных кабелей необходимо подключить к этому контакту заголовка печатной платы. Во избежание образования петель заземления один из этих экранов с другой стороны кабеля следует оставить открытым.

Не следует питать усилитель от современного импульсного блока питания, вероятность проникновения ВЧ-помех в усилитель очень велика. Поэтому необходимо использовать старый добрый линейный источник питания, состоящий из трансформатора 50/60 Гц, мостового выпрямителя и большого сглаживающего конденсатора. Усилитель можно питать постоянным напряжением не более 35 В. Это означает, что можно использовать трансформатор с ненагруженной вторичной обмоткой не более 24 В. Этот трансформатор должен обеспечивать ток 3 А.

Схема подключения усилителя:

Тестирование усилителя

Источник питания

Питание печатной платы осуществлялось хорошо сглаженным напряжением 30 В постоянного тока от аналогового источника питания. Для обеспечения пикового тока выходное напряжение было дополнительно забуферизировано десятью электролитическими конденсаторами емкостью 1000 мкФ, соединенными параллельно. Выдаваемый ток составляет 2,2 А, то есть ток покоя, очевидно, равен 1,1 А на усилитель. Жаль, что это нельзя быстро проверить и исправить без вмешательства в печатную плату.

Максимальная мощность

Мы подключили оба выхода к проволочному резистору сопротивлением 8 Ом. Два входа подключены параллельно к синусоидальному напряжению частотой 1 кГц. Если увеличить это напряжение, то в определенный момент выходные напряжения усилителей будут зажиматься относительно земли и источника питания. Это называется “клиппированием выходного напряжения”. Тогда остается немного уменьшить входное напряжение и измерить выходное. В нашем усилителе через резисторы нагрузки 8 Ом было измерено 8,8 В. Мощность, выделяемая в резисторе, равна:

P = U²/R

В данном случае это дает выходную мощность 9,68 Вт. При сопротивлении нагрузки 4 Ом мы измеряем напряжение до клиппирования 6,4 В, следовательно, выходная мощность составляет 10,2 Вт.

Усиление сигнала

Измерение производится с нагрузкой 8 Ом. При подаче на вход синусоидального сигнала с напряжением 500 мВ на выходе измеряется синусоидальный сигнал с напряжением 6,58 В. Это соответствует коэффициенту усиления по напряжению 13,16 или 22,38 дБ.

Шум и гул

Мы замкнули три контакта входного разъема и измерили сигнал на выходах усилителей. На правом канале – 2,7 мВ, на левом – 3,1 мВ.

Амплитудно-частотная характеристика

Мы проводили измерения при сопротивлении нагрузки 8 Ом и мощности 5 Вт. В качестве эталона, естественно, был выбран синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц. Результаты впечатляют и представлены на графике ниже. Частоты -1 дБ находятся на уровнях 22 Гц и 181 кГц. Выше 50 кГц наблюдается небольшое усиление с пиком +0,5 дБ на частоте 64 кГц. На частотах 10 Гц и 311 кГц усиление снижается на 3 дБ. Точку -1 дБ можно немного уменьшить, выбрав большие значения конденсаторов С1 и С5.
Однако следует отметить, что выше 100 кГц на фронтах синусоидального сигнала появляются хорошо заметные искажения.

Воспроизведение прямоугольных сигналов

На рисунке ниже мы подключили к усилителю квадратные волны частотой 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. Пиковое значение сигналов равно 15 В. Желтые трассы показывают выходное напряжение правого канала, синие – левого. Измеренная большая полоса пропускания свидетельствует о хорошем воспроизведении квадратной волны с частотой 10 кГц.

Пристальный взгляд на “звон”

Из воспроизведения квадратной волны 10 кГц видно, что усилитель довольно критичен к склонности генерировать ВЧ-колебания при определенных условиях на входе, например, при быстрых переходах сигнала. Такое явление называется “звоном”. Эти нежелательные ВЧ-сигналы возникают из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей в конструкции усилителя. Очень большая полоса пропускания, очевидно, способствует возникновению этого явления. Вероятно, небольшой конденсатор на резисторе обратной связи R6 позволил бы подавить это явление. Мы подробно исследовали этот звон, см. осциллограмму ниже. На ней видно, что этот звон имеет частоту около 280 кГц.

Фазовое поведение усилителя

Хороший усилитель не должен вносить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом. Еще более неприятно, если этот фазовый сдвиг зависит от частоты. Мы исследовали это на частотах 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. Подключаем на вход синусоидальный сигнал, а на осциллограф – и вход, и выход усилителя, причем нулевая точка должна находиться в одинаковом положении на экране. Если пересечение нуля обоих сигналов проходит через нулевую отметку в одном и том же месте, то фазовый сдвиг отсутствует. Как видно на рисунке ниже, этот усилитель ведет себя хорошо. На частотах 1 кГц и 10 кГц фазовый сдвиг отсутствует, на частоте 100 Гц заметна небольшая разность фаз между обоими сигналами. По данным осциллографа, разница во времени между пересечением нуля входного и выходного напряжений составляет 0,19 мс. Сигнал с частотой 100 Гц имеет период 10 мс. Это соответствует 360 фазовым градусам. Поэтому можно легко подсчитать, что фазовый сдвиг при частоте 100 Гц составляет всего 6,8 фазовых градусов.

Суммарные гармонические искажения

В оригинальной конструкции JLH суммарные гармонические искажения составляли всего 0,05% при частоте 1 кГц и мощности 9 Вт на нагрузку 15 Ом. Это превосходный показатель! Можно ли сохранить столь низкий уровень искажений в идентичной конструкции, где транзисторы заменены на другие полупроводники? К сожалению, похоже, что это не так. Мы измерили искажения на трех тестовых частотах и при мощности 5 Вт на нагрузке 4 Ом. Даже максимально тщательно отфильтровав частоту входного сигнала от выходного, мы получили более высокие значения:

• 100 Гц: 0,24 %
• 1 кГц: 0,22 %
• 10 кГц: 0,22 %

На приведенной ниже осциллограмме показан выходной сигнал 1 кГц (желтый цвет) и гармонические искажения на этом выходном сигнале (синий цвет). В качестве генератора синусоидального сигнала использован Philips PM5109S, который в рассматриваемом диапазоне частот имеет заданные собственные искажения всего 0,03 %.

Нагрев силовых транзисторов

Достаточно ли охлаждения? Измерить – значит узнать! Мы закрепили термопару под крепежным болтом одного из четырех силовых транзисторов и включили усилитель мощностью 5 Вт на нагрузке 8 Ом при напряжении питания 30 В и синусоиде 1 кГц в качестве входного сигнала. С помощью регистратора температуры мы зарегистрировали температуру под болтом. Результаты можно увидеть на графике ниже. После сорока минут постоянной нагрузки температура стабилизируется на уровне около 55 °C. Это абсолютно безопасное значение, гарантирующее, что усилитель не будет поврежден.

Установка тока покоя после сборки усилителя

Один из наших читателей заметил, что вполне возможно установить ток покоя обоих усилителей мощности по отдельности после полной сборки печатной платы. Достаточно соединить базу транзистора Т2 (TIP41C) с землей, чтобы отключить ток через выходной каскад рассматриваемого усилителя. Таким образом, если необходимо отрегулировать ток покоя правого усилителя, нужно заземлить базу TIP41C левого усилителя. Амперметр, подключенный к положительному проводу источника питания, измеряет только ток покоя правого усилителя. Затем с помощью подстроечного потенциометра R8 можно установить ток покоя этого усилителя. Причем указанное значение 700 мА оказывается слишком малым для максимальной мощности, лучше установить ток покоя равным 1,0 А.

Этот читатель также отмечает, что два резистора R5 (100 Ом) сильно нагреваются и через некоторое время начинают обесцвечиваться от нагрева. Лучше использовать для этих резисторов резисторы мощностью 1/2 Вт.

Перевод: chinese-electronics-products-tested.blogspot.com

Автор: Йос Верстратен