Усилитель мощности Only Music 3 или ОМ3 (ex “оплеуха микрухам”) 2017

Пролог

Прошло уже 6 лет с момента выхода в свет усилителя “Оплеуха Микрухам 2” или просто ОМ2, а так же ОМ2.5 Этот усилитель собрали несколько тысяч радиолюбителей на просторах СНГ и за его пределами. В моей личной коллекции накопилось более сотни различных реализаций “оплеухи” запечатленных на фото. В YouTube’е можно найти десятки роликов об это усилителе. Честно говоря я не ожидал такой популярности и такого количества людей проявившего желание собрать усилитель по моей схеме. Думаю, в связи с этим вы понимаете всю сложность разработки ОМ3, ведь превзойти ОМ2 по популярности вряд ли получится, ОМ2 – это уже классика и можно лишь попытать к ней приблизиться. Я множество раз говорил о том, что сделать навороченный и качественный усилитель не трудно, куда сложней сделать простой и качественный усилитель. С ОМ2 это получилось. Вторая “оплеуха” при ее простоте уже была почти пределом совершенства и дальнейшее улучшение качественных показателей возможно было бы получить только значительно усложнив схему. В тоже время в ОМ2 были некоторые недочеты которые я допустил тогда по неопытности, были моменты которые хотелось исправить, а что-то хотелось добавить и так родилась идея продолжить серию ОМ. Мной было сделано наверное около десяти виртуальных прототипов нового усилителя, три из них собраны в железе, а уже из них выбран лучший. Основной упор при создании схемы нового усилителя был сделан на повышение надежности, устойчивости и улучшению взаимодействия усилителя с нагрузкой, что в итоге куда значительнее отразилось на качестве работы усилителя чем очередное десятикратное снижение коэффициента нелинейных искажений. Для ОМ3 практически не имеет значения работает ли усилитель на чисто активную нагрузку, емкостную или индуктивную, а это значит что на любой акустике усилитель обеспечит одинаково высокое качество звучания. Встроенная токовая защита позволяет защитить усилитель от перегрузок и замыканий на его выходе. А интегратор, которым оснащен усилитель, позволяет отказаться от конденсаторов в цепи сигнала усилителя, что автоматически исключает аудиофильские споры о “звучании” конденсаторов.

Имя

Усилитель изменил свое имя, хотя и сохранил старую, хорошо известную аббревиатуру – ОМ. Концепция усилителя осталось прежней – максимально простой и максимально качественный усилитель. Но если изначально усилитель “оплеуха микрухам” создавался как дискретная альтернатива усилителям мощности на интегральных микросхемах, то ОМ3 же уже слишком крут для того, чтобы быть просто альтернативой интегрального усилителя. ОМ3 – это полноценный, “взрослый” усилитель, а не просто альтернатива какой-нибудь несчастной микросхеме.

Схема усилителя

Отличается возросшей сложностью и большим количеством элементов в сравнении с предшественником. Топология осталась прежней – это типичный трехкаскадный усилитель Лина. Как и предшественник, данная версия усилителя не отличается принципиальной новизной схемы, а все преимущества схемы обусловлены тщательно выверенными режимами работы каскадов, полученными долгой работой над компьютерной моделью усилителя.

Кратко разберем схему. На входе усилителя отсутствует конденсатор, источник сигнала оказывается непосредственно связан с первым каскадом усилителя через входной RC фильтр на R1C1 (частота среза 1,2 МГц). Первым каскадом усилителя являет дифференциальный каскад (ДК) на VT2 и VT5, нагруженный на токовое зеркало Уилсона (VT1, VT3, VT4) и запитанный от генератора стабильного тока (ГСТ) на VT6. Применение токового зеркала Уилсона позволило не только увеличить усиление первого каскада, удвоить его выходной ток, но и в сравнении с классическим токовым зеркалом повысить точность балансировки дифференциального усилителя в β раз. Генератор стабильного тока входного каскада в качестве источника опорного напряжения (ИОН) использует падение напряжения на светодиоде HL1. База транзистора ГСТ – VT6, связана с ИОН с помощью RC фильтра построенного на R13C4. От этого же ИОН работает и ГСТ каскада усилителя напряжения (КУН) на VT9. Между ДК и КУН расположен буфер исполненный на транзисторе VT8. Буфер и КУН объединены общим для них токовым зеркалом (VT7 и VT11), с коэффициентом отражения 1:10. Усиление по напряжения обеспечивает транзистор VT12 включенный по схеме с общей базой. Потенциал его базы задается источником опорного напряжения VD4R25, который связан с базой VT12 через RC фильтр R24C8. Про назначение транзистора VT10 с его обвязкой, я думаю, отдельно рассказывать не надо. Предвыходной каскад усилителя выполнен на паре транзисторов VT15 и VT16, а выходной каскад на двух парах транзисторов – VT17-20. Токовая защита усилителя выполнена на VT13 и VT14, принцип ее работы подробно описан в специализированной литературе. На операционном усилителе DA1 построен интегратор, он предназначен для автоматического поддержания нулевого постоянного напряжения на выходе усилителя. Отдельно хочется остановится на таком неприметном элементе как резистор R3. Его предназначение состоит в том, чтобы ограничить усиление на низких частотах с разомкнутой цепью обратной связи и тем самым сдвинуть частоту первого полюса выше верхней границы звукового диапазона частот, что очень положительно сказывается на субъективном восприятии звучания усилителя.

Технические характеристики схемы (указаны при: Uпит=±48 В, Iпок=55 мА):

Ниже никакого субъективизма, только цифры, только голые факты.

Масса усилителя (полностью укомплектованной платы со всем элементами) = 150 гр

Данные технические параметры являются достаточными и даже избыточными для всех случаев жизни, для работы с любой акустической системой и любым источником сигнала.

Элементы

Перед началом сборки необходимо проверить наличие всех необходимых элементов, их оригинальность и исправность. Следует помнить что применение не оригинальных элементов или элементов сомнительного качества не сулит ничего хорошего и в это случае я не могу гарантировать работоспособность, а также соответствие полученного результата заявленным параметрам. Отдельно на способах проверки качества элементов здесь останавливаться не будем, об этом написано не мало статей и снято множество видеороликов, с чем я и рекомендую ознакомиться перед покупкой деталей. Не стоит стремиться к применению специальных типов элементов, например таких как – for audio (для аудио), это не даст каких-либо преимуществ.

Резисторы

Все резисторы, мощность рассеивания которых дополнительно не указана в схеме, необходимо применять с рассеиваемой мощностью 0,25 Вт. Рекомендую отказаться от использования углеродистых резисторов (carbon film) из-за их повышенного собственного шума. Лучшим выбором будут металлопленочные резисторы (metal film). Не запрещается использовать металлопленочные резисторы типа МЛТ производства СССР.  Категорически запрещается самовольно заменять какие-либо резисторы, на резисторы другого номинала, отличного от номинала указанного в схеме, в противном случае работоспособность и соответствие заявленным параметрам не гарантируется. В случае невозможности найти резисторы необходимого номинала, допускается соединять последовательно или параллельно несколько резисторов с целью получения необходимого значения сопротивления. Не стоит стремиться к применению прецизионных резисторов, резисторов с низким допуском. Подстроечный резистор отвечающий за регулировку тока покоя выходных транзисторов (R30), обязательно должен быть многооборотным, типа 3296W. Только применение многооборотного резистора позволит получить плавную и точную регулировку тока покоя выходных транзисторов. В случае применения некачественного подстроечного резистора возможен пробой выходных транзисторов из-за резкого и неконтролируемого изменения тока покоя. Резисторы в эмиттерах выходных транзисторов (R40, R41, R43, R44), должны быть только металлопленочными, применение проволочных резисторов (кирпичей, цементников) не допускается. Перед монтажом резисторов, необходимо каждый из них проверять на соответствие фактического значения их сопротивления, цветовой (числовой) маркировке. Производитель монтаж резисторов ориентируясь исключительно по цветным полосам на их корпусе категорически запрещается. Если вам скучно и у вас слишком много свободного времени, то можно заморочиться и подобрать резисторы R8 и R9,  R4 и R6 в пары по сопротивлению.

Конденсаторы

Все типы применяемых конденсаторов и их минимально допустимое напряжение указаны в перечне элементов. Допускается заменять конденсаторы на аналогичные по номиналу, но на лучшие по типу, например: CL-11 на CL-21, СL-21 на CBB-21. Конденсаторы C11 и C12 должны быть высоковольтными керамическими любого типа (рекомендуется CT-81 Y5P). Конденсатор C1  может быть как пленочным (типа CL-11) так и керамическим (типа NPO), C2 только керамическим (типа NPO). Каждый конденсаторов должен быть проверен на соответствие указанной емкости реальной, величину ESR и отсутствие утечки, только после этого допускается устанавливать элемент на плату. Не допускается применение вздутых, помятых, имеющие подтеки электролита или другие видимые дефекты электролитических конденсаторов. Не рекомендуется применять электролиты извлеченные из бывшие в употреблении техники. Электролитические конденсаторы производства СССР применять запрещается. Некоторые из конденсаторов присутствующих на печатной плате не указаны в принципиальной схеме, ввиду того что необходимость наличия данных конденсаторов является само собой разумеющимся.

Диоды и стабилитроны

Диоды VD6 и VD7 должны быть быстрыми, либо диодами Шоттки. Допускается замена диодов на аналогичные по параметрам (кроме VD2 и VD5). К диодам VD2 и VD5, применяются особые требования: их обратный ток должен быть не более 5 мкА при 100°С. Важное замечание! Стеклянные корпуса этих диодов должны быть закрашены светонепроницаемой краской или помещены в термоусадочную трубку, иначе постоянное напряжение на выходе усилителя может зависеть от освещенности данных диодов. Стабилитроны VD1 и VD3 можно менять на любые другие стабилитроны с напряжением стабилизации 15 В, а стабилитрон VD4 на любой другой с напряжением стабилизации 3,3 В.

Транзисторы

Основное правило – применять именно те транзисторы, что указаны в схеме. В случае если транзисторы указанные в схеме найти не получится, допускается применять аналоги приведенные в перечне элементов. Все применяемые транзисторы должны быть оригинальными. Применение заведомо поддельных транзисторов или транзисторов сомнительного качества не допускается. Указанные в схеме выходные транзисторы так же допускается менять на “народную” пару 2SC5200/2SA1943. Транзисторы VT2 и VT5, VT7 и VT11 желательно (но не обязательно), попарно подобрать по равенству коэффициента передачи тока (hFe), а транзисторы VT1, VT3 и VT4 в тройку поэтому же параметру.

Светодиод HL1

В схеме используется не для индикации и не для красоты, поэтому к этому элементу необходимо отнестись со всей серьезностью. От величины падения напряжения на светодиоде (HL1), зависят режимы работы двух каскадов усилителя. Значительное отклонение напряжения на светодиоде от требуемой величины может привести к отказу в работе всего усилителя или нестабильной его работе. В качестве данного светодиода должен применяться исключительно светодиод красного свечения диаметром 5 мм. Он подбирается по прямому падению напряжения, которое должно составлять 1,85 В (±20 мВ).

Операционный усилитель

Постоянное напряжение на выходе усилителя зависит от модели и даже конкретного экземпляра применяемого операционного усилителя (ОУ). По умолчанию указан ОУ модели TL071 – это доступный и дешевый операционный усилитель, который обеспечивает приемлемые параметры работы схемы. Применение TL071 в интеграторе усилителя обеспечивает поддержание постоянного напряжения на выходе усилителя с точностью ±10 мВ. Возможна большая величина постоянного напряжения на выходе в случае применения неудачного экземпляра ОУ данной модели. В случае если на выходе усилителя постоянного напряжения более ±30 мВ следует заменить установленный экземпляр TL071 на другой. Для более точного поддержания постоянного напряжения на выходе усилителя необходимо применять более подвинутые операционные усилители, например – OPA134, его использование позволит интегратору удерживать постоянное напряжение на выходе усилителя с точностью ±2мВ. Модель применяемого ОУ никаким образом не влияет на субъективное качество звучания усилителя.

Катушка на выходе усилителя

Данный элемент представляет собой катушку индуктивности без сердечника, намотанную на диаметре 8,5 мм. Катушка содержит 12-14 витков, проводом диаметром 1,2 мм. Индуктивность полученной катушки должна быть в диапазоне 0,65-0,85 мкГн. От точности изготовления катушки в определенной степени будет зависеть устойчивость усилителя. Не допускается в качестве каркаса катушки использовать корпус резистора R45 и заменять выходную катушку перемычкой. Резистор R45 может находится внутри катушки L1.

Охлаждение усилителя

При работе усилитель выделяет значительное количество тепла которое в обязательном порядке необходимо отводить от нагревающихся элементов. Эксплуатация и даже кратковременное включение усилителя без теплоотводов строго запрещена. Транзисторы каскада усилителя напряжения (VT9 и VT12) устанавливаются на небольшие П-образные теплоотводы, площадь поверхности каждого из которых должна быть 10-15 см². Транзисторы VT15-20 и VT10, устанавливаются на общий массивный радиатор, площадь которого должна быть не менее 1000 см² (при работе исключительно на нагрузку с сопротивлением 8 Ом ) и не менее 2000 см² (при работе на нагрузку 4-8 Ом), при напряжении питания усилителя ±48 В. В случае эксплуатации усилителя при меньшем напряжении питания, допускается использовать радиатор с меньшей площадью поверхностей. Приблизительно, необходимую площадь поверхностей радиатора можно рассчитать по формуле: Sрад = (Pвых/2,2)*20, см².

Блок питания

Необходимая мощность блока питания выбирается из расчета 1 Вт мощности блока питания на 1 Вт выходной мощности усилителя. То есть, для одного канала усилителя с выходной мощностью 100 Вт, необходимо использовать блок питания с мощность не менее 100 Вт. Учитывать КПД усилителя при расчете блока питания не нужно. При использования классического, линейного (трансформаторного) блока питания, суммарная емкость конденсаторов в одном плече блока питания должна быть не менее 10000 мкФ. По возможности, я рекомендую выбирать емкость конденсаторов блока питания из расчета 100 мкФ на каждый Ватт выходной мощности усилителя. В случае применения импульсного источника питания, суммарная емкость конденсаторов на его выходе может быть существенно ниже, но применяемый блок питания должен обеспечивать как минимум 30% запас по мощности. Более подробно, о конструировании блоков питания для усилителей мощности, рекомендую прочесть в книге “Конструирование Источников Питания Звуковых Усилителей“, И.Е. Рогов, 2011 год.

Выводы печатной платы. Печатная плата имеет семь выводов:

OUT – выход сигнала;

Подключение усилителя

Правильный способ подключения усилителя показана на иллюстрации. При наличии двух каналов, второй канал усилителя подключается аналогичным образом.

Настройка

Устаю писать эту фразу, но все же… Правильно собранный из исправных деталей усилитель, начинает работать сразу же после первого включения. Единственная процедура которую необходимо выполнить перед полноценной эксплуатацией усилителя – настроить ток покоя выходного каскада. Для этого необходимо вращая движок подстроечного резистора R30, добиться чтобы суммарное падение напряжения на резисторах R40+R41 или R43+R44 (не важно), было в диапазоне от 17 до 22 мВ, что будет соответствовать току покоя 40-50 мА. Не рекомендую выставлять больший ток покоя так как это заметно повысит нагрев усилителя, но при этом никак значительно не отразится на качестве работы усилителя. Обращаю внимание на тот факт, что при первом включении усилителя сопротивление резистора R30 должно быть максимальным (1 кОм).

Некоторые важные моменты. Просто, без всякого порядка, кратко перечислю важные моменты которые обязательно нужно знать и учитывать:

1. Усилитель ОМ3 (как я любой другой усилитель мощности), необходимо эксплуатировать только в связке с устройством защиты акустических систем. Допускается работа усилителя без защиты во время настройки и первоначальных испытаний. Постоянная эксплуатация усилителя без устройств защиты опасна и мной не рекомендуется, но на свой страх и риск…
2. При уменьшении напряжения питания усилителя с указанных в схеме ±48 В, до любого другого необходимого вам напряжения, необходимо пропорционально уменьшению напряжения питания, уменьшить сопротивление резисторов R14 и R15. То есть, при уменьшение напряжения питания с ±48 В, до ±30 В, необходимо уменьшить сопротивление резисторов R14 и R15 в 48/30=1,6 раза, в данном случае до 1,2 – 1,3 кОм.
3. Некоторые элементы схемы: резисторы, транзисторы… в процессе работы могут нагреваться. В этом нет ничего страшного, это нормальное явление.
4. Все дорожки печатной платы должны быть пролужены, дорожки шин питания, земли и выходной шины, должны быть пролужены особенно тщательно.
5. Настройка усилитель, описанная в соответствующем разделе данной статьи, должна проводится при замкнутых выводах “Input” и “sGND” печатной платы и только после прогрева усилителя в течении 5-10 минут.
6. Ток покоя с течением времени может изменять свою величину в небольших пределах.
7. Первый запуск усилителя должен производится со включенной в первичной цепи блока питания лампой накаливания мощностью 80-100 Вт.
8. Сразу после завершения пайки, необходимо тщательно вымыть печатную плату со стороны дорожек от остатков канифоли или других флюсов, полностью их удалить и только после полного высыхания собранной платы, производить первое включение и настройку.
9. Перемычки на печатной платы выполняются из обрезков выводов 0,25 Вт’ных резисторов.

---

Список элементов, печатные платы и моделирование по ОМ3

2017

---

По материалам: cxem.net