Оглавление:
Классические транзисторные УНЧ по-прежнему интересны тем, что позволяют построить достаточно мощный аудиотракт без сложных специализированных микросхем. Один из таких вариантов — усилитель с однополярным питанием 60 В и комплементарным выходным каскадом на мощных биполярных транзисторах MJ15022/MJ15023 либо MJ15003/MJ15004.
🔊 Несмотря на небольшое количество активных элементов, схема рассчитана на весьма серьезную выходную мощность. В зависимости от версии и количества параллельно включенных выходных транзисторов меняются возможности по работе с низкоомной нагрузкой, распределение тока и тепловой режим. При этом основная часть сигнального тракта остается практически неизменной.
Особенность конструкции заключается в сочетании однополярного питания, мощного двухтактного выходного каскада и достаточно простого узла регулировки тока покоя. Поэтому схема интересна не только как практический усилитель, но и как наглядный пример построения дискретного Hi-Fi-каскада.
Основная идея схемы
Усилитель рассчитан на работу от источника постоянного напряжения. Поскольку питание однополярное, выходной каскад в состоянии покоя устанавливается примерно в середину напряжения питания. Для подключения динамика используется разделительный электролитический конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую к акустической системе.
Сигнал проходит через входной транзисторный каскад, затем поступает на драйвер, а после этого — на комплементарную пару мощных транзисторов. В зависимости от конкретной версии выходная часть может содержать одну, две или три параллельные пары силовых транзисторов.
Параллельное включение не означает автоматического увеличения выходного напряжения. Его основная задача — увеличить допустимый ток и распределить тепловую нагрузку между несколькими транзисторами.
Сравнение вариантов выходного каскада
| Версия | Схема смещения | Выходные транзисторы | Основное назначение |
|---|---|---|---|
| v12.0.2 / v12.0.3 | Диод 1N5408 | 2 NPN + 2 PNP | Простая фиксированная установка смещения |
| v12.0.4A | BD139 + подстроечный резистор 5 кОм | 1 NPN + 1 PNP | Регулировка тока покоя |
| v12.0.5A | BD139 + подстроечный резистор 5 кОм | 3 NPN + 3 PNP | Повышенная токовая нагрузка и распределение тепла |
Таким образом, увеличение количества силовых транзисторов прежде всего повышает способность выходного каскада работать с большим током. Реальная выходная мощность по-прежнему определяется напряжением питания, сопротивлением нагрузки, возможностями блока питания и тепловым режимом.
Выходной каскад и параллельные транзисторы
В первых вариантах между базами выходных транзисторов установлен диод D1 типа 1N5408. Он создает небольшое прямое смещение, благодаря которому обе группы выходных транзисторов не выключаются полностью в районе перехода сигнала через ноль.
Такой подход достаточно прост, однако рабочая точка определяется характеристиками самого диода и температурой окружающих элементов. Возможности точной регулировки тока покоя здесь ограничены.
В версиях с активным смещением диод заменен транзистором BD139 и многооборотным подстроечником на 5 кОм. Это позволяет значительно точнее устанавливать ток покоя. При этом BD139 желательно располагать в тепловом контакте с силовыми транзисторами или их радиатором. При нагреве выходного каскада температура узла смещения должна изменяться вместе с температурой силовых транзисторов.
Это особенно важно для мощного усилителя. Простое увеличение тока покоя действительно способно уменьшить переходные искажения, но одновременно резко повышает тепловыделение. Поэтому максимальное положение регулировки вовсе не является оптимальным режимом.
В версии v12.0.5A используются три параллельные пары выходных транзисторов. Если через весь выходной каскад в определенный момент протекает, например, 9 А, то при идеальном распределении каждая из трех параллельных ветвей будет пропускать около 3 А.
В реальном устройстве токи никогда не распределяются абсолютно одинаково. Различия коэффициента усиления, температуры и параметров отдельных транзисторов могут заставить один прибор проводить больше остальных. Именно поэтому каждому силовому транзистору необходим собственный эмиттерный резистор 0,22 Ом. Эти резисторы выполняют сразу несколько важных функций:
- способствуют выравниванию токов между параллельными транзисторами;
- ограничивают локальный рост тока отдельного прибора;
- облегчают измерение тока покоя;
- улучшают устойчивость выходного каскада при нагреве.
Как проходит аудиосигнал
На входе установлен транзистор T1 BC547. Сигнал поступает через конденсатор C1 емкостью 0,33 мкФ, который отделяет вход от постоянной составляющей.
Резистор R1 номиналом 3,9 кОм вместе с конденсатором C2 на 100 пФ формирует простую высокочастотную коррекцию. Теоретическая частота среза такой RC-цепочки составляет около 408 кГц, поэтому она находится значительно выше слышимого диапазона и предназначена главным образом для ограничения нежелательных ВЧ-компонентов.
Питание входного каскада отделено от основной силовой шины резистором R8 номиналом 8 кОм. Конденсатор C0 фильтрует полученную точку питания. Такая развязка уменьшает влияние резких изменений тока мощного выходного каскада на чувствительный входной участок.
Следующим важным элементом является T2 BDX33C — составной транзистор Дарлингтона. Он работает в драйверном каскаде и находится в режиме, близком к классу А. Из-за постоянного тока через цепь резисторов R9 и R10 он выделяет заметную мощность и должен быть установлен на радиатор.
Например, при питании 70 В и напряжении средней точки около 35 В ток через суммарное сопротивление 200 Ом составит примерно: I = 35 / 200 = 0,175 А.
Даже при таком токе мощность, рассеиваемая T2, может составлять несколько ватт. При повышении питания до 90 В тепловая нагрузка становится еще серьезнее.
Конденсатор C6 емкостью 470 мкФ обеспечивает необходимый запас для драйверного каскада, а C5 на 100 пФ участвует в высокочастотной коррекции и помогает ограничить склонность схемы к возбуждению.
Отрицательная обратная связь
Коэффициент усиления задается цепью отрицательной обратной связи. Для указанных номиналов R15 = 560 Ом и R5 = 22 Ом приблизительное усиление по напряжению можно оценить по формуле: Au = 1 + 560 / 22 ≈ 26,45. Это соответствует примерно 28,4 дБ.
Если требуется получить 150 Вт на нагрузке 4 Ом, динамику необходимо подать около 24,5 В RMS. При идеализированной оценке входной сигнал для такого напряжения будет составлять около 0,93 В RMS.
На практике чувствительность может отличаться от расчетной. На нее влияют реальные параметры транзисторов, просадка блока питания, сопротивление нагрузки и пределы выходного каскада.
Это усилитель класса A или AB?
Условно называть всю схему усилителем класса А неправильно. Драйверный транзистор T2 действительно работает с постоянным током и имеет характерный для класса А режим, однако основной силовой каскад построен по комплементарной двухтактной схеме. Поэтому конструкцию правильнее относить к классу AB.
В старых версиях небольшое смещение создается диодом D1, а в новых версиях его формирует регулируемый узел на BD139. Увеличение тока покоя расширяет область проводимости выходных транзисторов и позволяет уменьшить переходные искажения.
Однако полноценная работа всего мощного выходного каскада в классе А потребовала бы значительно большего постоянного тока и, соответственно, огромного тепловыделения. Для усилителя мощностью порядка 100–150 Вт такой режим был бы крайне неэффективным.
Какое питание требуется для 150 Вт?
Для расчета напряжения на нагрузке используется простая зависимость:
Vrms = √(P × R)
Для 150 Вт и 4 Ом:
Vrms = √(150 × 4) ≈ 24,5 В
Пиковое значение:
Vpeak = 24,5 × 1,414 ≈ 34,6 В
Поскольку используется однополярное питание, рабочая точка выходного каскада располагается примерно на половине напряжения шины. Теоретически для получения такого размаха потребовалось бы около 69 В постоянного напряжения.
Но реальная схема имеет падение напряжения на выходных транзисторах, эмиттерных резисторах и других элементах. Кроме того, источник питания проседает при увеличении тока. Поэтому для практической реализации 150 Вт на 4 Ом более реалистичным является источник порядка 75–80 В и выше, в зависимости от конкретной конструкции.
| Выходная мощность | RMS напряжение на 4 Ом | Пиковое напряжение | RMS ток |
|---|---|---|---|
| 100 Вт | 20 В | 28,3 В | 5 А |
| 150 Вт | 24,5 В | 34,6 В | 6,12 А |
| 200 Вт | 28,3 В | 40 В | 7,07 А |
Эти значения описывают идеальную нагрузку и не учитывают падение напряжения внутри усилителя.
Почему больше транзисторов не означает больше ватт
Количество выходных транзисторов часто воспринимается как прямой показатель мощности усилителя. Для такого подхода нет достаточных оснований.
Если напряжение на динамике остается прежним, то и мощность определяется прежде всего сопротивлением нагрузки:
P = V² / R
Например, при 25 В RMS:
- 8 Ом → около 78 Вт;
- 4 Ом → около 156 Вт;
- 2 Ом → теоретически около 312 Вт.
Но последнее значение нельзя воспринимать как реальную мощность данного усилителя. Нагрузка 2 Ом потребует огромного тока, а реальные ограничения задаются блоком питания, транзисторами, их безопасной рабочей зоной, радиатором, печатной платой и проводниками.
Преимущество трех параллельных пар заключается в другом: ток распределяется между несколькими силовыми приборами. Это снижает нагрузку на каждый отдельный транзистор и облегчает тепловой режим.
| Конфигурация | Выходной каскад | Практический эффект |
|---|---|---|
| v12.0.4A | 1 пара NPN/PNP | Весь выходной ток проходит через одну пару |
| v12.0.2 / v12.0.3 | 2 параллельные пары | Ток распределяется между двумя парами |
| v12.0.5A | 3 параллельные пары | Еще меньше нагрузка на отдельный транзистор |
Поэтому нельзя считать, что при одинаковом питании одна версия автоматически дает 150 Вт, другая 300 Вт, а третья 450 Вт. Параллельные транзисторы в первую очередь увеличивают токовую способность и запас по надежности.
Проверка тока покоя
Один из наиболее удобных способов настройки выходного каскада — измерение падения напряжения на эмиттерном резисторе каждого силового транзистора. Используется обычный закон Ома:
I = U / R
Для резистора 0,22 Ом получаются следующие ориентировочные значения:
| Падение напряжения | Ток через резистор |
|---|---|
| 5 мВ | 23 мА |
| 10 мВ | 45 мА |
| 22 мВ | 100 мА |
| 44 мВ | 200 мА |
Особенно важно выполнять отдельное измерение для каждого выходного транзистора. Например, если на одном резисторе получается 10 мВ, а на другом 35 мВ, ток распределяется неравномерно. В таком случае причиной могут быть различия параметров транзисторов, плохой тепловой контакт, ошибки монтажа, отличия сопротивлений эмиттерных резисторов или проблемы с соединениями.
Зачем нужны мощные резисторы R9 и R10
Резисторы R9 и R10 имеют номинал 100 Ом и работают в цепи драйверного каскада. Их мощность нельзя выбирать только по постоянному сопротивлению — необходимо учитывать фактический ток и напряжение.
При напряжении питания 70 В и токе около 175 мА мощность одного резистора можно оценить как:
P = I² × R
P = 0,175² × 100 ≈ 3,1 Вт
При питании около 90 В ток возрастает, и тепловая нагрузка приближается к пределам 5-ваттного резистора. Поэтому в версиях с повышенным напряжением и активным смещением применение 10-ваттных резисторов дает дополнительный тепловой запас.
Важно помнить, что номинальная мощность резистора не означает, что его желательно постоянно эксплуатировать на этом пределе. Для надежной конструкции желательно иметь заметный запас.
Выходной конденсатор C9
Однополярное питание создает одну характерную особенность: в состоянии покоя на выходном узле присутствует постоянное напряжение примерно половины напряжения питания. Подавать его на динамик естественно нельзя. Поэтому между усилителем и акустической системой устанавливается большой электролитический конденсатор C9.
Для емкости 4700 мкФ и нагрузки 4 Ом частота среза приблизительно равна: fc = 1 / (2π × 4 × 4700 мкФ) ≈ 8,5 Гц. Для 8-омной нагрузки она будет около 4,2 Гц. Таким образом, при исправном конденсаторе влияние этой цепи на обычный звуковой диапазон остается небольшим.
Пленочный конденсатор 330 нФ, установленный параллельно C9, улучшает поведение цепи на высоких частотах.
⚠ Отдельное внимание необходимо уделить его рабочему напряжению. Если шина питания составляет 90 В, среднее напряжение выходной точки может находиться около 45 В. Конденсатор на 50 В в таком режиме имеет небольшой запас. Поэтому для практической сборки предпочтительнее использовать качественный элемент на 63 В или выше, если конструкция и размеры это позволяют.
Радиатор и тепловой режим
Для мощного транзисторного усилителя охлаждение имеет не меньшее значение, чем выбор выходных транзисторов. Даже без музыкального сигнала усилитель способен выделять значительное количество тепла. Например, при питании 80 В и суммарном токе покоя 300 мА приблизительная мощность, связанная с этим током, составляет: P ≈ 80 × 0,3 = 24 Вт.
⚡ При увеличении тока покоя до 1 А теоретическая величина возрастает примерно до 80 Вт. Поэтому регулировка тока покоя должна выполняться постепенно. Слишком большой ток не превращает усилитель в «более качественный» автоматически — он лишь увеличивает потери и температуру выходного каскада.
При выборе радиатора необходимо учитывать:
- тепловое сопротивление радиатора;
- температуру внутри корпуса;
- количество установленных силовых транзисторов;
- качество теплового контакта;
- наличие изоляционных прокладок;
- длительную мощность, которую должен рассеивать усилитель.
Три параллельные пары транзисторов действительно позволяют лучше распределять тепловую нагрузку между кристаллами, но это не отменяет необходимости в достаточно массивном радиаторе.
Первое включение усилителя
Первый запуск мощного дискретного усилителя требует осторожности. Ошибка в монтаже выходного каскада или неправильная установка смещения может привести к повреждению нескольких силовых транзисторов практически сразу.
Перед включением желательно:
- проверить распиновку всех силовых транзисторов и соответствие установленным корпусам;
- убедиться в правильной установке изоляционных прокладок на радиаторе;
- установить регулятор смещения в положение минимального тока;
- использовать источник питания с ограничением тока либо подходящий защитный резистор при первом запуске;
- проверить постоянное напряжение в выходной точке до C9;
- отдельно измерить падение напряжения на каждом резисторе 0,22 Ом;
- контролировать температуру транзисторов и драйвера после включения;
- выполнить проверку формы выходного сигнала на эквиваленте нагрузки до подключения динамика.
Особое внимание требуется уделить металлическому корпусу транзисторов TO-3: у таких приборов коллектор электрически связан с корпусом. Поэтому неправильная установка изоляционной прокладки может привести к короткому замыканию через общий радиатор.
Предохранитель также нельзя выбирать исключительно по одному числу, указанному на исходной схеме. Необходимый номинал зависит от напряжения и мощности трансформатора, количества каналов, характера нагрузки, емкости фильтрующих конденсаторов и максимально допустимого тока блока питания.
