Предложены 2 варианта схемы с традиционными трансформаторными источниками питания:
- Sokol-4Т с токовым входом и ИТУН на операционном усилителе LM4562.
- Sokol-4TD тоже с токовым входом и дискретным ИТУН на транзисторах.
Все варианты рассчитаны на низкоомный источник сигнала с напряжением 1В. Это цифровой плеер, смартфон или компьютер. Внешний аудио интерфейс тоже отлично подходит. Для винтажного винила дополнительно потребуется предусилитель-корректор.
Sokol-4Т:
ИТУН выделен бежевым, склеенные транзисторные пары – голубым. Минимизировано количество номиналов. Схема вылизана до предела, детские болезни устранены. Питание выходного каскада – отдельное. Параметры приведены дальше. Все подробности – в предыдущих лекциях на моем канале.
Sokol-4TD:
Дискретный ИТУН выделен бежевым, склеенные транзисторные пары – голубым. Сейчас трудно найти не фальшивые ОУ, поэтому представляю дискретный вариант. Некоторые любители вообще не признают наличия ОУ в УНЧ. Эта схема – для них. Параметры те же, но схема сложнее предыдущей.
Схемы УМЗЧ и блоков питания одинаковы для обоих вариантов. Используется трансформатор 2х18В 250ВА. Музыкальная выходная мощность обоих вариантов 65Вт на канал. По параметрам и качеству звучания УНЧ Сокол превосходят все известные мне схемы на настоящее время. Имеются весьма положительные, даже восторженные отзывы от собравших. Это объясняется тем, что в Соколах мне удалось совместить прежде несовместимое. Традиционно, все УНЧ делились на два типа: с глубокой общей ООС и без общей ООС, но с локальными ООС в каскадах. Первый тип имеет очень высокую линейность на синусоиде, но склонен к динамическим интермодуляционным искажениям и «транзисторному» звучанию. Второй тип не склонен к ДИИ, но не имеет достаточной линейности для идеально чистого звука на малой громкости. И реально подходит только для класса А. У Сокола, благодаря параллельной ООС и токовому входу, линейность на уровне 0.0001% в классе АВ и при не очень глубокой ООС. Кроме того, ООС, благодаря каскодной схеме, имеет сверхбыструю реакцию, полоса петли ООС около 10МГц, что многократно превышает типовые значения. Поэтому ДИИ полностью отсутствуют при высочайшей линейности даже в классе АВ. Отсюда и звучание необычное, похожее на ламповое. Кстати, кто-то уже и печатки продает. Ко мне это отношения не имеет.
Трансформатор 220/36В 250ВА со средней точкой вторичной обмотки. На основных выходах ±26-27В без нагрузки. Под нагрузкой меньше, но допустимо. Диоды D4, D5, D5, D7 – типа Шоттки, 20А 100В. D1, D2, D9, D10 – 1N4004. Конденсаторы С3 и С4 составлены и 5 параллельных конденсаторов 4700мкФ 50В каждый. Применять одиночные бочки не рекоммендуется из-за значительного броска тока при включении. Лучше если он распределится между пятью банками. Бустерные выпрямители на D1, D2, D9, D10 предназначены для получения более высоких напряжений, чем основные 2х26В. Они выполнены по схеме удвоения напряжения и питают предусилители и входные каскады обоих каналов УМЗЧ. Параллельные стабилизаторы на ±31В выделены голубым. При простой схеме они обеспечивают максимальный ток нагрузки 50мА, что достаточно для обоих каналов. Выходное напряжение ±31В весьма стабильно и имеет исключительно малый уровень пульсаций 500мкВ. Кроме того, такой стабилизатор не боится кратковременных коротких замыканий. Плата блока питания соединяется с платой усилителя 12 проводами, 6 на каждый канал. Провода для выходных каскадов ±26В имеют сечение 0.75мм2 , а остальные – 0.2мм2 . VT1 и VT2 при полной нагрузке рассеивают по 450мВт, поэтому нуждаются в небольших радиаторах. Параллельные стабилизаторы гарантируют строго симметричный ток нагрузки для выходов блока питания, что позволяет использовать трансформатор на 36В без средней точки. Но при этом схему УМЗЧ придется незначительно изменить, заменив R25 (R28) на делитель из двух 39k резисторов на ±31В шины. Получится искусственная средняя точка, которая в работе нисколько не хуже натуральной.
D4, D5, D5, D7 – диоды Шоттки, 20А 100В. D1, D2, D9, D10 – 1N4004. С3, С4 составлены из 5 параллельных конденсаторов 4700мкФ 50В. Мощность трансформатора избыточна, но при менее мощном выходное напряжение под нагрузкой сильно упадет и может появиться неприятный клип на низких частотах.
Характеристики измерены при средней выходной мощности обоих каналов вместе 50Вт на частоте 25Гц. Хотя максимальная синусоидальная выходная мощность обоих каналов 100Вт, средняя музыкальная мощность примерно в 3 раза меньше. В моих консервативных расчетах средняя музыкальная мощность 50Вт, а пиковая 130Вт, т.е. 65Вт на канал. На левом графике напряжение на всех выходах, и УМЗЧ и питания при плавном увеличении входного сигнала. В середине – токи через диоды Шоттки. Справа – ток через транзистор VT1 и напряжение на выходе +31В. Средняя тепловая мощность на диодах Шоттки – 0.5Вт на каждом. Нужны небольшие радиаторы, как и на VT1 и VT2. Мощность на R1, R2, R13, R14 не более 1.2Вт, на R6 и R11 – не более 1Вт. Токи через конденсаторы фильтра – 0.5А RMS через каждый, что очень мало. Но пиковый ток достигает 8А в течение одного полупериода сетевого напряжения, что совершенно безопасно для них. Коэффициент мощности этого выпрямителя примерно 0.64. Вполне хорошее значение.
Здесь показаны спектры выходного сигнала при половинной мощности, коэффициент нелинейных искажений на частотах 1кГц, 10кГц и 100кГц, а также внесенные артефакты при 1кГц, 10кГц, 1кГц+10кГц. Результаты получены на модели Sokol-4ТD с точными моделями транзисторов, поэтому они достаточно адекватны. По сравнению с УНЧ Sokol-4Т с ОУ, результаты чуть ниже из-за гармоник, добавленных дискретным предусилителем. Но зато имеется полная предсказуемость результатов и нет риска получить поддельный ОУ.
На 1кГц искажения состоят из второй и третьей гармоник. Полный КНИ=0.0002%. Это очень хорошо, поскольку неслышимым считается 0.03%. На 10кГц КНИ выше, он уже 0.0006%, что тоже отлично. И даже на 100кГц (без ФНЧ) КНИ=0.006%, что еще очень неплохо. Однако, КНИ по спектру не дает реальной картины, поскольку высшие гармоники гораздо слышнее низших. Поэтому выделю искажения в чистом виде режекторным фильтром и проанализирую. На 1кГц только вторая и третья гармоники близкой амплитуды. Переходной ступеньки нет, прямо как в классе А. Размах мусора 92мкВ, что услышать нельзя. На 10кГц размах мусора 295мкВ, появилась мизерная ступенька 50мкВ, но услышать ее при такой амплитуде тоже нельзя. При комбинации 1кГц + 10кГц ступеньки нет и размах мусора 232мкВ, что тоже услышать нельзя. Даже в тишине, если бы внесенный усилителем мусор не маскировался полезным сигналом. Микровольтный мусорный сигнал намного ниже уровня собственного шума усилителя на выходе. Так что усилитель можно считать идеальным.
Слева вверху – частотная характеристика петли ООС (АЧХ и ФЧХ). Это вовсе не то же, что АЧХ и ФЧХ с разомкнутой ООС. Петлевое усиление на низких частотах около 88дБ, на 10кГц – 78дБ и на 10МГц – 0дБ. Это – близкие к оптимальным величины с точки зрения качества звучания. Если усиление слишком велико, как в случае применения ОУ в схеме УМЗЧ, неизбежны проблемы с коррекцией ФЧХ и, следовательно, с ДИИ. При слишком малом – пострадает линейность. В соответствии с соотношением неопределенности Δω х Δt = 1, время реакции петли ООС на изменение входного сигнала равно 16 наносекунд! Таких скоростей ни в какой музыке не бывает с запасом в десятки раз. Так что, никаких ДИИ быть не может. ФЧХ показавает набег фазы не более 300° во всем диапазоне вплоть до единичного усиления. Это отличный результат, показывающий высокую устойчивость петли ООС. Даже по жестким стандартам НАСА допускается не более 315°. Внизу слева показаны реакция на прямоугольный входной сигнал и клип выхода при двойной перегрузке по входу. И прямоугольник, и клип абсолютно чистые, без малейших артефактов, что также подтверждает высокую устойчивость. На графиках справа вверху показаны зависимости сдвига нуля и тока покоя от температуры радиаторов мощных транзисторов. Установленный подстроечным резистором RV1 нуль стоит мертво, практически не изменяясь при росте температуры. А ток покоя, установленный при помощи RV2 около 100мА при комнатной температуре, с ростом температуры снижается. Так сделано специально для предотвращения саморазогрева транзисторов. На общем радиаторе установлены 4 транзистора каждого канала, всего 8. Это 2SA1930, 2SC5171, 2SC5200, 2SA1943. TTA004 и TTC004 просто на плате без радиаторов. Справа внизу покананы напряжение коллектор-эмиттер, ток коллектора и мгновенная рассеиваемая мощность на каждом из выходных транзисторов. Пиковый ток не превышает 5А, а пиковая мощность – 35Вт. Эти величины весьма далеки от предельно допустимых. Схема будет нормально работать даже с поддельными китайскими транзисторами. А что делать, приходится закладываться и на это, раз жизнь пошла такая. Годятся транзисторы TTA5200 и TTA1943. Вот только коэффициент усиления должен соответствовать паспортному даже у подделок, иначе линейность пострадает. При полной громкости средняя мощность на каждом транзисторе – 16Вт, т.е. на всех 4-х это 64Вт. Эффективная площадь общего радиатора должна быть не менее 2000 см2.
В конструкции использованы выводные элементы для навесного монтажа с целью упрощения сборки в домашних условиях. Можно, конечно, использовать и детали для поверхностного монтажа. Нумерация компонентов здесь соответствует схеме с предусилителем на ОУ. Транзисторы VT6 – VT9 должны иметь большой коэффициент усиления h21Э для снижения дрейфа нуля. Кроме указанных, подойдут BC546C и BC556C. Пары транзисторов токовых зеркал VT1, VT3 и VT12, VT14 должны иметь хороший тепловой контакт друг с другом для снижения дрейфа нуля при прогреве. Их можно склеить плоскими частями корпусов при помощи суперклея. Хороши, конечно, пары в одном корпусе, но они доступны только в SMD корпусах. Эти транзисторы должны быть высоковольтными и иметь малую емкость коллектора для минимизации нелинейных искажений. Кроме указанных 2N5551 и 2N5401 хорошо подойдут MPSA06 и MPSA56. Транзисторы 2SC5171 и 2SA1930 не следует заменять более дешевыми BD139 и BD140 из-за низкой граничной частоты последних и недостаточного запаса по максимально допустимому напряжению. Транзисторы выходного каскада (VT2, VT5, VT10, VT13) установлены на общий теплоотвод с эффективной площадью 2000 кв. см через типовые для их корпусов изолирующие прокладки и шайбы. Транзисторы VT5 и VT10 можно заменить на TTA5200 и TTA1943, даже поддельные, в этой схеме запас по SOA многократный. Транзисторы VT4 и VT11 не нуждаются в радиаторах, поскольку рассеивают всего по 70мВт. Спрашивается, а почему они средней мощности, ведь можно применить маломощные? Дело в том, что даже небольшой нагрев их корпусов вызывает существенное увеличение тока покоя. Поэтому и использованы большие корпуса, почти не нагревающиеся. Все это выяснено практически, при сборке первых экземпляров и в настоящее время схема вылизана до предела. Схема содержит две земли – аналоговую и силовую. Они соединены только в точке подвода питания. В данной схеме силовая земля очень короткая и вся на краю платы. Разводку можно делать по схеме, +26В с одного края, -26В с другого и аналоговая земля посередине, все на нижней стороне. Сигнальные дорожки располагаются на обеих сторонах и выводы деталей при переходах пропаивать с обеих сторон. Тесниться не следует, делайте плату просторнее. Через силовую землю и выводы выходных транзисторов протекает ток 5А, поэтому дорожки не менее 4мм и возможно короткие.
Все конденсаторы, кроме оксидных — керамические X7R, например, серии FG от TDK. С16 10мкФ тоже керамический, и никакой пьезоэффект тут не влияет, поскольку перед ним расположен ИТУН с высоким выходным сопротивлением. Пару С10 и С11 можно заменить на один пленочный 2.2мкФ 63В. Но разницы не будет. Постоянные резисторы — с допуском не более 5 %, подстроечные — многооборотные металлокерамические, например, серии 64 от TT Electronics, или серии PV37W от Bourns. Перед установкой их желательно проверить омметром, прокручивая от упора до упора. Индукторы на 3.3мкГ можно использовать как самодельные, так и готовые на ток не менее 10А. Поскольку влияние этой индуктивности на звуковых частотах ничтожно, можно использовать дроссели с ферритовыми сердечниками, изменение индуктивности от тока никаких искажений не добавит, не слушайте фанатских баек. Электролитические или оксидные конденсаторы обязательно Low-ESR типа, например, Panasonic FM. Резисторы 0.22 Ом на 5Вт проволочные, R4, R36 полуваттные, остальные – металлопленочные 0.25Вт. Регулятор громкости – сдвоенный переменный резистор типа В, с графитовым скользящим контактом. Резисторы R12, R20 и R19, R22 попарно подобраны с взаимным различием не более 50 Ом. Из десятка это всегда возможно. ОУ можно заменить на TLE2072, OPA2132, OPA2134, популярные RC4560 и RC4580. В блоке питания можно применить любые диоды Шоттки на 20А 100В. Им, как и VT1, VT2 требуются небольшие радиаторы, прямо на плате. Сначала проверить блок питания отдельно. Основные выходы должны быть 26-28В, дополнительные около 31В, напряжение на резисторах R6, R11 в диапазоне 27-29В. Перед подключением питания к УНЧ надо отключить нагрузку, установить движок подстроечного резистора RV1 в среднее положение, а подстроечного резистора RV2 — в положение максимального сопротивления. В + и – питания временно устанавливают по резистору сопротивлением 10 Ом, мощностью 2 Вт. Подать питающее напряжение и подключить вольтметр к первому из временных резисторов. Подстроечным резистором RV2 устанавливают напряжение 1В, что соответствует току 100 мА. Подключают вольтметр к выходу усилителя и подстроечным резистором RV2 устанавливают нулевое выходное напряжение. Повторяют обе процедуры ещѐ один—два раза. Отключают питание и убрают временные резисторы. Этот УНЧ может работать без специальной схемы защиты АС. Удара при включении нет из-за симметрии схемы, а плавкие предохранители защитят АС.
Заключение.
На мой взгляд, представленные здесь конструкции описаны достаточно подробно для практической сборки опытными любителями.
На этом все. Благодарю за внимание.
До свидания и до следующих встреч.
Вопросы и пожелания сюда: [email protected]
