Усилитель мощности с раздельным питанием BlackBen (50 Вт/4 Ом)

Пролог

История появления этого усилителя не совсем типичная для меня, так как обычно я разрабатываю схему, затариваюсь под нее необходимыми радиоэлементами, а уже потом под все это развожу печатную плату. Но в этом раз получилось иначе. Идея создать данный усилитель появилась, когда в закромах был обнаружен отличный, мощный тороидальный трансформатор, идеально подходящий для создания усилителя с раздельным питанием. Заодно хотелось разгрузить свой “складик” радиоэлементов пустив их в дело. Поэтому этот усилитель на 95% сделан из того что уже было под рукой, специально покупать почти ничего не пришлось. Не смотря на то, что усилитель делался “из того что было”, хотелось сделать не “абы что”, а очень качественное устройство. В итоге цель была достигнута, получилось даже лучше чем я сам ожидал.

Концепция

Как уже писал выше: хотелось сделать максимально качественно, без лишних усложнений и из того что есть под рукой. Кроме того, учитывая наличии хорошего, почти аудиофильского трансформатора, было решено сделать ставку на чистоту питания усилителя, поэтому вопросу качества питания было уделено очень большое внимание, если даже не ключевое.

Схема

Решил не менять традиций и очередной усилитель строить по топологии Лина. Не смотря на это, усилитель получился достаточно необычным благодаря некоторым “фишкам” применяемым мною в усилителе впервые. Впервые я использовал раздельное питание усилителя напряжения (УНа) и выходного каскада (ВК), “электронный дроссель” для цепи питания УНа, транзистор Дарлингтона в УНе чтобы убить двух зайцев одним выстрелом, параллельное включение транзисторов УНа, развязку питания ВК диодом Шоттки, резисторы SMD формата 2512 в эмитерах выходных транзисторов. Все эти нововведения хорошо показали себя в работе и в дальнейшем я буду пользоваться этими фишками и в других своих схемах.

^Нажмите для увеличения^

Схема усилителя

^Нажмите для увеличения^

Изначально не хотел приводить вообще никаких технических характеристик, так как все характеристики являются более чем достаточными для любого слушателя. А сам факт того, что эта схема увидела свет, свидетельствует о том, что полученный результат меня полностью удовлетворил и схема того достойна. Достойна вашего внимания. Но на всякий случай, чтобы избежать лишних вопросов, приведу некоторых технические характеристики:

Технически характеристики усилителя BlackBen:

Диапазон воспроизводимых частот (-1 дБ относительно 1 кГц): 20 – 140000 Гц

Диапазон воспроизводимых частот (-3 дБ относительно 1 кГц): 10 – 260000 Гц

Чувствительность на частоте 1 кГц (4/8 Ом, 50/25 Вт): 444 мВ

Выходная мощность (1 кГц, 4 Ом, КНИ не выше 0,05 %): 50 Вт

Выходная мощность (1 кГц, 8 Ом, КНИ не выше 0,05 %): 25 Вт

КНИ на частоте 1 кГц (4/8 Ом, 45/22 Вт): не более 0,001 %

КНИ на частоте: 20 кГц (4/8 Ом, 45/22 Вт): не более 0,015 %

Коэффициент подавления нестабильности напряжения питания:

по шинам ±25 В, в диапазоне 20-20000 Гц: не хуже -90 дБ

по шинам ±37 В, в диапазоне 20-100 Гц: не хуже -90 дБ

по шинам ±37 В, в диапазоне 100-20000 Гц: не хуже -130 дБ

^Нажмите для увеличения^

Осциллограммы работы усилителя на прямоугольном сигнале с частотами 1, 10 и 20 кГц, а также работа усилителя до ограничения (клиппинга) и в ограничении (клиппинге). Как видно, усилитель идеально точно воспроизводит форму прямоугольника на частоте 1 кГц и достаточно точно на частотах 10-20 кГц, при этом переходная характеристика имеет гладкую форму, какие-либо выбросы на переходной характеристике – отсутствуют. Работа усилителя в клиппинге уверенная, вход и выход из ограничения не сопровождается выбросами или искажением формы сигнала, что так же свидетельствует о высокой устойчивости схемы.

Элементная база

Большинство радиодеталей использованных мною были взяты из моего “складика” и скорее всего большинство из них найдутся и в ваших запасах. Именно с расчетом на то, чтобы по максимуму использовать популярные, имеющиеся у меня и у большинства детали и затачивалась эта схема. Она неприхотлива к элементной базе и допускает многочисленные замены без ущерба качеству. Некоторые возможные замены приведены в списке радиоэлементов под этой статьей, дублировать изложенную там информацию я не буду. Главное чтобы все используемые элементы были проверенны перед пайкой, были полностью исправными и оригинальными. Резисторы лучше использовать металлопленочные, так как они имеют меньший собственный шум чем углеродистые. Не запрещается использовать металлопленочные резисторы типа МЛТ производства СССР. Если под рукой не окажется резистора какого-либо номинала, можно заменить его последовательным или параллельным соединением нескольких резисторов. Каждый резистор, перед тем как впаивать в плату, необходимо проверять на соответствие его маркировки фактическому сопротивлению. Впаивать резисторы ориентируясь исключительно по нанесенной на них маркировке – нельзя. Не стоит стремиться к применению высокоточных резисторов с низким допуском, однако некоторые резисторы и транзисторы желательно подобрать – об этом далее. Допускается в качестве резистора R19 использовать резистор с рассеиваемой мощностью 0,25 Вт. Крайне желательно, чтобы резистор отвечающий за регулировку тока покоя выходного каскада (R17), был многооборотным, например типа 3296W. Только применение многооборотного резистора позволит плавно, точно и безопасно выставить требуемую величину тока покоя. Использование некачественного подстроечного резистора может привести к резкому и неконтролируемому росту току покоя с последующим выходом из строя транзисторов выходного каскада. Все номиналы, типы и минимальное допустимое напряжение конденсаторов, применяемых в схеме, указаны в списке радиоэлементов. Каждый конденсатор должен быть проверен на соответствие его маркировки фактической емкости, а также проверен на отсутствие повышенной утечки. Недопустимо применять электролитические конденсаторы производства СССР, а также конденсаторы с подтеками, вздутыми корпусами и другими видимыми дефектами. Все модели диодов, стабилитронов и транзисторов, примененных мной, а также некоторые допустимые варианты их замены указаны в списке радиоэлементов. Все транзисторы с открытыми фланцами устанавливаемые на радиатор, должны быть от него надежно изолированы с помощью специальных теплопроводящих подложек. Транзисторы в изолированных корпусах дополнительно изолировать не нужно. Транзистор VT18 устанавливается к радиатору лицом (не фланцем!), крепежный винт должен быть изолирован от фланца с помощью пластиковой втулки.

Подбор элементов

Для минимальной величины постоянного напряжения на выходе усилителя необходимо подобрать в пары некоторые элементы. А именно: транзисторы VT3 и VT4, транзисторы VT1 и VT5 (по hFe), резисторы R6 и R8, резисторы R7 и R9 (по сопротивлению). Точность подбора должна быть максимально возможной ваших условиях. Отличным результатом можно считать результат, при котором на выходе усилителя постоянное напряжения не превышает 10 мВ, а удовлетворительным когда на выходе усилителя постоянное напряжение находится в диапазоне 10-30 мВ. Подбор осуществлять не обязательно, при этом ничего критического в плане работоспособности усилителя не случится.

Катушка на выходе усилителя

Точность изготовления большой роли не играет. Удобнее всего наматывать катушку используя в качестве каркаса сверло диаметром 7-8 мм. Диаметр провода: 0,95-1,2 мм2. Количество витков: 10-12.

Радиатор

Наверно многие глядя на фото усилителя в сборе, могут подумать что площадь радиатора недостаточна для эффективного охлаждения усилителя, но на самом деле это не так. Благодаря использованию раздельного питания и низкому напряжению питания выходного каскада, температура радиатора даже на синусоидальном сигнале, при максимальной выходной мощности на нагрузку 4 Ом, не превышает 50 °С. То есть, без особого дискомфорта можно сколько угодно долго удерживать руку на радиаторе.

Первое включение

Порадовало. Обе собранных мною платы запустились и были готовы исправно трудиться сразу после первого включения. Осталось только выставить ток покоя. Мною был выставлен ток покоя равный 40 мА (что соответствует падению напряжения 18 мВ между эмитерами выходных транзисторов) и именно такое значение тока покоя я рекомендую устанавливать и вам. Ток покоя регулируется плавно и точно удерживается на выставленном значении. Постоянное напряжения на выходе обоих каналов усилителей точно удерживается на одном значении, в мое случае значения постоянного напряжения на выходе получились – 8 и 9 мВ.

Блок питания усилителя

Классический. Двухполярный. Заточен на раздельное питания. Блок питания имеет на своем выходе две пары шин питания: ±37 В – высоковольтная, слаботочная, для питания усилителей напряжения, ±25 В – низковольтная, сильноточная, для питания выходных каскадов. Переменное напряжение для высоковольтной и низковольтной шин питания выпрямляется с помощью мостовых выпрямителей. Диодный мост высоковольтной шины собран из быстрых диодов HER207 (2 А/700 В), а диодный мост низковольтной шины из быстрых диодов FR607 (6 А/700 В). Каждый диод низковольтной шины зашунтирован пленочным конденсатором. Фильтрация напряжения питания по низковольтным шинам осуществляется простейшими C – фильтрами, в качестве которых используется по три параллельно включенных конденсатора в каждом из плечей: два электролитических по 4700 мкФ х 35 В и одного пленочного 1 мкФ х 63 В типа CL-21. Для фильтрации питания по высоковольтным шинам используются П – образные CRC фильтры. Поскольку потребление тока по высоковольтным шинам небольшое (не более 50 мА для каждого плеча), а также благодаря наличию “электронных дросселей” в высоковольтных шинах питания усилителя, для эффективной фильтрации нет необходимости использовать электролитические конденсаторы с высокой собственной емкостью.

^Нажмите для увеличения^

Софт-старт

Для данного усилителя был изготовлено новое устройства ограничения пускового тока (софт-старт). Была использована старая и проверенная схема софт-старта, но с небольшими изменениями и конечно же была разведена новая печатная плата. В качестве резисторов ограничивающих пусковой ток (R5-R7), мной были применены довольно редкие высокоточные советские резисторы C5-5-10 Вт 200 Ом (±0,5%). Эти резисторы у меня были и достались мне бесплатно, поэтому именно их я и применил. Вы можете применить любые другие резисторы с рассеиваемой мощностью 5-10 Вт. Резисторы R1-R4 устанавливаются на плату со стороны дорожек. Они выполняют роль дополнительного предохранителя на случай пробой конденсатора С1. Конденсатор С2 должен быть помехоподавляющим типа Х2. Варистор RV1 защищает усилитель от высоковольтных импульсных помех и от превышения напряжения в питающей сети выше 275 В.

^Нажмите для увеличения^

Защита акустики

В этом качестве я использовал модифицированную защиту DEF 2017. Модификация заключается в добавлении на плату диодного моста, а также замене простого однотранзисторного стабилизатора напряжения на стабилизатор напряжения на основе линейного регулятора LM7812. Защита отключает акустику от выхода усилителя в случае если на его выходе постоянное напряжение превысит ±4 В. Время отключения зависит от величины постоянного напряжения на выходе усилителя: при напряжении ±5 В на выходе усилителя, время отключения составляет 0,2 сек, при напряжении ±25 В – 0,04 сек.

^Нажмите для увеличения^

Корпус

Стальной, изготовлен на заказ по моим чертежам. Выполнен из стали толщиной 1,5 мм. Окрашен порошковой краской в заводских условиях. Корпус – это почти единственная часть усилителя, на которую пришлось потратить деньги, все остальное, за редким исключением, выло взято из старых запасов.