Mosfet-Amp: Усилитель с полевыми транзисторами на выходе

Hi-Fi усилитель с выходным каскадом на MOSFET транзисторах имеет отличные параметры и великолепное звучание. Этот усилитель сделать самому довольно легко. Можно купить печатную плату усилителя, можно купить собранную плату усилителя. А можно печатную плату усилителя сделать самостоятельно и все самому туда впаять.

Усилитель охвачен комбинированной отрицательной обратной связью (другие названия: гибридная ООС, Mad Feedback), поэтому его выходное сопротивление может быть ненулевым и достигать десятков ом (оно задается при изготовлении усилителя). Иногда усилители с повышенным выходным сопротивлением звучат лучше «обыкновенных», звук становится похож на «хороший ламповый».

Эта схема – дальнейшее развитие Усилителя с полевыми транзисторами на выходе. Поэтому настоятельно рекомендую сходить по ссылке – там описана конструкция усилителя, назначение элементов и приведены его параметры. И кстати, там показано, что этот усилитель лучше некоторых дорогих усилителей, заявленных как Hi-End.

На рисунке 1 показана собранная печатная плата усилителя. Это экспериментальный вариант, именно на его основе производилась небольшая переработка схемы.

Внимание! На фотографиях показан экспериментальный вариант усилителя. В нем отдельные детали могут иметь номиналы отличные от указанных на  схеме.

Hi-Fi MOSFET усилитель. Печатная плата.
Рис.1. Hi-Fi MOSFET усилитель. Печатная плата.

Здесь приведено описание усилителя, собранного на новой промышленной печатной плате, которую легко приобрести. Чем он отличается от первоначального варианта? Нюансами:

  1. Замечательные выходные MOSFET транзисторы 2SK1530/2SJ201 больше не выпускаются, поэтому на выходе используются только IRFP240/IRFP9240. И усилитель оптимизирован под эти транзисторы.
  2. Немного изменились номиналы некоторых деталей.
  3. Усовершенствована печатная плата.
  4. АЧХ усилителя сформирована таким образом, чтобы с одной стороны надежно воспроизводить даже тончайшие нюансы звука, а с другой стороны быть нечувствительной к всевозможным помехам. Например, вызвать динамические искажения в этом усилителе очень трудно. Это возможно только при помощи специального искусственного сигнала, которого в звуковых системах вообще не бывает.

Помните, что выходное сопротивление этого усилителя может лежать в пределах 0…20 Ом. Вы выбираете требуемое значение выходного сопротивления перед его изготовлением.

Усилитель многократно повторен и вызывает хорошие отклики.

Hi-Fi MOSFET усилитель. Печатная плата.
Рис.2. Hi-Fi MOSFET усилитель, собранный в Дании.

В чем отличие этого усилителя от усилителя на микросхеме TDA7294? Усилитель на микросхеме проще (для этого микросхема и нужна), но слабее. У этого усилителя больше максимальная выходная мощность и выше качество звучания, потому что лучше основные параметры.

Схема Hi-Fi усилителя

Схема Hi-Fi усилителя показана на рисунке 3.

Внимание! Емкость конденсаторов С1 и С2 зависит от желаемой АЧХ и условий эксплуатации усилителя, поэтому может отличаться от указанной на схеме. Как выбрать емкость этих конденсаторов смотрите ниже.

Резистор R21 служит для задания требуемого выходного сопротивления усилителя. Поэтому сопротивление резистора R21 вы выбираете исходя из того, какую величину выходного сопротивления усилителя вы ходите получить. С указанным значением R21 = 20 кОм выходное сопротивление усилителя равно 0,5 ом.

Выбор сопротивления резистора R21 приведен ниже.

Если вам не требуется повышенное выходное сопротивление усилителя, то резистор R21 вообще не устанавливается, а резистор R27 заменяется перемычкой.

Схема Hi-Fi усилителя на MOSFET
Рис. 3. Схема Hi-Fi усилителя на MOSFET.

Описание усилителя, его свойства и принцип работы описаны в статье Усилитель с полевыми транзисторами на выходе.

Усилитель не содержит дефицитных деталей и каких-нибудь сложных вещей. Поэтому собрать усилитель своими руками может даже начинающий. На обновленной плате это еще проще.

Об усилителе

Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Когда-то на заре звуковоспроизведения получить частотный диапазон усилителя, равный частотному диапазону слуха было непосильной задачей. Для тогдашней техники ровная АЧХ в пределах 150 Гц … 6 кГц была большим достижением. А другой усилитель с диапазоном частот от 100 Гц до 10 кГц считался более качественным и реально звучал лучше. Поэтому в те времена частотный диапазон усилителя был одним из главных его параметров. Широкий диапазон частот усилителя был значительным достижением, им заслуженно гордились и обязательно указывали в технических данных усилителя.

В XXI веке диапазон частот любого усилителя автоматически получается шире, чем 20 Гц … 20 кГц. Этот параметр стал неактуален, и его даже не всегда указывают. Почему же я об этом говорю?

Для современной техники не проблема сделать усилитель с частотным диапазоном от 0 Гц (то есть постоянного тока) до 1МГц. Вот только зачем? Вам нужен автомобиль с максимальной скоростью 550 км/час для реальных поездок? Mosfet-Amp: Усилитель с полевыми транзисторами на выходе На самом деле все рассуждения о необходимости сверхширокого частотного диапазона усилителя – это рекламно-маркетинговые трюки.

Важно вот что. Если сам усилитель в принципе не способен воспроизводить частоты ниже 20 Гц и выше 20 кГц, то это плохой усилитель. Но чтобы получить такой плохой усилитель, надо делать его специально. Современный «совершенно обычный», но хорошо спроектированный усилитель имеет очень широкий частотный диапазон. И этот частотный диапазон мы ограничиваем искусственно!

Самое главное – это ограничить частотный диапазон усилителя таким способом, чтобы не ухудшить работу усилителя, например, не сделать его «медленным».

Для чего нужно ограничивать частотный диапазон усилителя?

  1. Чтобы не пропустить инфразвук и ультразвук в колонки, которые не рассчитаны на работу с сигналом таких частот, и будут работать плохо. А их плохая работа скажется и на воспроизведении звуковых частот. Как будут играть колонки, динамики которых перегружены по линейному ходу диффузора инфразвуком? Ужасно!
  2. Чтобы не пропустить эти вредные для здоровья частоты к слушателю.
  3. Не возможно удалить вредные инфразвуковые и ультразвуковые частоты из сигнала полностью. Эти частоты (раз они вредные, то являются помехами) можно только ослабить в той или иной степени. Но, хоть и ослабленные, они придут на вход усилителя. И если помехи попадут в усилитель, то вызовут перегрузку усилителя, поскольку он не предназначен для работы с такими частотами. Эта перегрузка нарушит нормальную работу усилителя, и усилитель будет искажать звуковой сигнал. Если же ограничить ультразвуковые и инфразвуковые помехи, то перегрузки не произойдет, и звук искажаться не будет.

Именно из таких соображений сформирована АЧХ этого усилителя. АЧХ усилителя полностью показана на рисунке 4, а на рисунке 5 укрупненно.

На этих же рисунках приведены линии, показывающие уровни:

-1 дБ. На высоких и низких частотах чувствительность слуха такова, что уменьшение громкости на 1 дБ человек не слышит. То есть это условная граница «равномерной громкости».

-3 дБ. По этому уровню определяется частота среза усилителя, и соответственно технический диапазон частот.

Итак, для предлагаемой мною АЧХ (ее можно изменить):

  • «технический» диапазон частот по уровню -3 дБ составляет 7 Гц … 50 кГц.
  • «слуховой» диапазон частот («равной громкости») по уровню -1 дБ составляет 14 Гц … 28 кГц. Такое значение нижней частоты среза выбрано для того, чтобы усилитель можно было использовать для сабвуферов.

Завал АЧХ на частоте 20 Гц и на частоте 20 кГц примерно равен 0,5 дБ.

При желании нижнюю граничную частоту можно увеличить. Это полезно для колонок, работающих от 40 Гц и выше.

АЧХ усилителя
Рис. 4. АЧХ усилителя.
АЧХ усилителя
Рис. 5. АЧХ усилителя укрупненная.

А насколько этот усилитель на самом деле высокочастотный?

На рисунке 6 синий линией показана та АЧХ, которую я преднамеренно сформировал для этого усилителя в области высоких частот. А красной линией – та АЧХ, которая была бы у этого усилителя, если бы я намерено не обрезал в нем высокие частоты. Тогда частота среза по уровню -1 дБ была бы примерно равна 330 кГц, а по уровню -3 дБ примерно равна 600 кГц. То есть, усилитель сам по себе работает до частоты 600 кГц.

АЧХ усилителя максимальная
Рис. 6. Красная линия – естественная АЧХ усилителя, синяя линия – искусственно сформированная мною АЧХ этого усилителя.

Кроме ограничения усиления ультразвука, коррекция АЧХ усилителя на высоких частотах увеличивает глубину отрицательной обратной связи (ООС), что повышает его линейность и уменьшает искажения.

Коэффициент усиления усилителя примерно равен 30 раз (примерно 30 дБ) и зависит от параметров цепи ООС, задающей его выходное сопротивление. Рассчитать параметры цепи ООС, а также коэффициент усиления для заданного выходного сопротивления усилителя можно  по программе combinOS (есть русский и английский варианты).

Скорость нарастания выходного сигнала усилителя

Еще одна важная характеристика усилителя – максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Она характеризует возможность получения на выходе усилителя высокочастотных сигналов большой амплитуды. Если максимальная скорость нарастания выходного напряжения слишком мала, то в усилителе с глубокой ООС могут появиться динамические искажения, приводящие к очень неприятному «транзисторному» звучанию. Поэтому я измерил максимальную скорость нарастания выходного напряжения, при этом отключив всю частотную коррекцию усилителя (конденсатор С3, естественно, остался на месте).

На рисунке 7 приведен пример воспроизведения этим усилителем прямоугольного сигнала частотой 100 кГц и амплитудой примерно ±15 вольт (желтая линия). Голубая линия – входной сигнал – практически идеальный меандр.

Воспроизведение прямоугольного сигнала 100 кГц
Рис. 7. Воспроизведение усилителем прямоугольного сигнала частотой 100 кГц.

Из осциллограммы на рисунке 7 хорошо видно, что переходный процесс усилителя довольно «красивый», отсутствуют большие выбросы и тем более колебания. Такой переходный процесс характерен для запаса по фазе 60…65 градусов, что оптимально для усилителей с глубокой ООС. Выходное напряжение немного отстает от входного – сказывается сдвиг фаз на высоких частотах. Выходной сигнал достаточно прямоугольный, не забывайте, что он состоит из частот 100 кГц, 300 кГц, 500 кГц, 700 кГц и т.д., которые во много раз выше звуковых.

Максимальная скорость нарастания выходного ннапряжения
Рис. 8. Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения этого усилителя на прямоугольном сигнале.

Осциллограмма (рис.8) дает возможность оценить максимальную скорость нарастания выходного напряжения:

Формула 1

Я слегка ошибся с верхней реперной точкой при измерении, если бы я сделал правильно, то число получилось бы еще больше. Но переделывать было лень.

Максимальная скорость нарастания, измеренная на прямоугольном сигнале – это очень хороший рекламный параметр, потому что такой метод измерения дает самое большое число. Но при реальной работе усилителя такая ситуация в принципе не должна возникать: при таком сигнале все каскады усилителя перегружаются, а отрицательная обратная связь вообще не работает. Если попытаться воспроизводить звук, загнав усилитель в такой режим, то звук получится просто ужасным.

Моя задача состоит не в том, чтобы получить красивое рекламное число, а чтобы определить максимальную скорость нарастания выходного напряжения усилителя в таком режиме, который допустим при реальной работе. Когда динамические искажения только-только начинаются, ООС практически не отключается, и звук практически не искажается. Это будет предельное значение скорости, чуть ниже которого усилитель работает отлично, а выше которого уже начинаются искажения.

Для этого применяется другой метод измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения. На вход усилителя подается синусоидальное напряжение такой амплитуды и частоты, чтобы из-за ограничения скорости нарастания начальный участок синусоиды превратился в прямую линию.

На рисунке 9 показано воспроизведение усилителем синусоиды частотой 100 кГц и амплитудой примерно 20 вольт (голубая – вход, желтая – выход). Синусоида не искажена, а значит скорость нарастания усилителя достаточна для работы с таким сигналом.

Кстати, это выходная мощность 48 Вт (нагрузка 4 ома) на частоте 100 кГц. На частоте 20 кГц с такой скоростью нарастания можно получить выходное напряжение в 5 раз больше и неискаженную мощность около 1,2 кВт! Так что этот усилитель имеет хорошие скоростные возможности.

Воспроизведение синусоиды амплитудой 20 вольт и частотой 100 кГц без искажений
Рис. 9. Воспроизведение без искажений синусоиды амплитудой 20 вольт и частотой 100 кГц.

Увеличим частоту, рис. 10. Здесь центральная часть синусоиды (в окрестностях перехода через ноль) начала превращаться в прямую линию. Следовательно, скорость нарастания выходного напряжения усилителя достигла максимума. При этом искажения сигнала маленькие, на глаз вообще малозаметные. Так что мы находимся на границе, и перегрузка вот-вот начнется.

Воспроизведение синусоиды амплитудой 15 вольт и частотой 200 кГц с небольшими искажениями
Рис. 10. Воспроизведение синусоиды амплитудой 15 вольт и частотой 200 кГц с небольшими искажениями в центральной части синусоиды.

Максимальная скорость нарастания для положительного и отрицательного полупериодов может быть разной. Поэтому измерим оба варианта. Результаты измерения показаны на рисунках 11 и 12.

Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения
Рис. 11. Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения этого усилителя «щадящим» методом. Возрастание напряжения.

Скорость нарастания при возрастании напряжения:

Формула 2

Скорость нарастания получилась заметно меньше, чем для прямоугольного сигнала.

Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения
Рис. 12. Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения этого усилителя «щадящим» методом. Убывание напряжения.

Скорость нарастания при убывании напряжения:

Формула 3

Используем меньшее значение. Получается, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения усилителя равна 17,5 В/мкс.

Этот метод измерения дает меньшее число, для рекламы оно не так пригодно. Зато в этом режиме перегрузки каскадов усилителя практически не происходит, и если реальная скорость нарастания усиливаемых сигналов будет не выше 17 В/мкс, то динамических искажений возникать не будет. При этом качество звучания будет высоким, так как каскады усилителя не перегружаются.

На самом деле максимальная скорость нарастания выходного напряжения усилителя скорее всего немного выше, чем у меня получилось. Судя по рисункам 11 и 12 внутри прямоугольника, ограниченного курсорами, осциллограмма сигнала не является прямой линией. Выходит я выбрал слишком щадящий режим и недогрузил усилитель. Так что в реальности усилитель работает чуть лучше, чем мы о нем думаем.

Как определить, будет ли такая скорость нарастания выходного напряжения достаточной для работы усилителя? Давайте определим, какая требуется скорость нарастания напряжения, чтобы обеспечить возможность воспроизведения синусоиды максимальной амплитуды и частоты.

Формула 4

В качестве максимальной частоты Fmax обычно подставляют верхнюю частоту звукового диапазона, равную 20 кГц. Это неправильно, ведь если по какой-то причине на вход усилителя попадет более высокая частота с такой же амплитудой, наступит перегрузка усилителя по скорости нарастания выходного напряжения. Правильно в качестве Fmax использовать максимальную рабочую частоту – верхнюю граничную частоту усилителя по уровню -3 дБ. В этом случае, если скорость нарастания усилителя будет достаточной, то динамические искажения вообще никогда не возникнут!

Причина такова. Если частота сигнала возрастет выше частоты среза усилителя, то амплитуда выходного сигнала усилителя уменьшится – ведь выше частоты среза амплитуда падает. Во сколько раз повысится частота, во столько же раз снизится амплитуда. А скорость нарастания выходного сигнала усилителя, равная их произведению, останется неизменной. То есть скорости нарастания сигнала выше этой просто не бывает.

Такое правило определения максимальной требуемой скорости нарастания выходного напряжения называется «критерий динамической устойчивости». Если он выполняется, то мощностная АЧХ усилителя (для сигнала максимальной амплитуды) совпадает с АЧХ малого сигнала.

Проверяем. Верхняя граничная частота усилителя по уровню – 3 дБ равна 50 кГц. Максимальная амплитуда выходного сигнала 50 вольт (при напряжении источника питания порядка ±70 вольт). Это соответствует выходной мощности 300 Вт на нагрузке 4 ома и 150 Вт на нагрузке 8 ом.

Скорость нарастания такого синусоидального сигнала равна:

Формула

Итак, максимальная требуемая скорость нарастания составляет 15,75 В/мкс, а усилитель обеспечивает 17,5 В/мкс. Вывод: скоростные параметры усилителя достаточные, и динамические искажения возникать не будут.

На самом деле ситуация с этим усилителем ещё лучше: на высоких частотах АЧХ спадает со скоростью 12 дБ/октава, поэтому на частотах, лежащих выше верхней частоты среза, амплитуда выходного сигнала будет падать сильнее, и скорость его нарастания также будет уменьшаться с ростом частоты.

Кстати, именно по той причине, что в качестве максимальной частоты в формулу подставляют не 20 кГц, а верхнюю частоту среза усилителя, разработчики снижают эту самую верхнюю частоту. Никаких «АЧХ вплоть до мегагерца» быть не должно, иначе перегрузка усилителя по скорости нарастания становится возможной. Произойдет она, или нет – это уже другой вопрос, но такая возможность будет.

Возможность работы усилителя от низковольтного источника питания

Номинальные значения напряжения питания усилителя лежат в пределах ±24 В … ±42 В. При этом возможно получение выходной мощности до 120…150 Вт на нагрузке 4 ом, и до 100…120 Вт на нагрузке 8 ом.

В принципе, если нагрузка имеет сопротивление 8…32 ома, то напряжение питания можно повысить максимум до ±54 вольт. При этом все конденсаторы в цепи питания должны иметь максимально допустимое напряжение не менее 63 вольта, и выходные транзисторы должны хорошо охлаждаться. А максимальная выходная мощность составит 200 Вт на нагрузке 8 ом, и до 110 Вт на нагрузке 16 ом. Работать с таким напряжением питания и нагрузкой 4…6 ом не рекомендуется – выходные транзисторы могут выйти из строя.

А вот при снижении напряжения питания не только снижается максимальная выходная мощность любого усилителя, но и ухудшается работа.

Этот усилитель достаточно хорошо стабилизирован, поэтому снижение напряжения питания не ухудшает его параметры катастрофически. Параметры усилителя при работе с низковольтным источником питания показаны на рисунке 13.

Низковольтное питание усилителя
Рис. 13. Параметры этого усилителя при работе с низковольтным источником питания.

На рисунке 13 синяя линия – максимальное выходное напряжение на нагрузке 4 ома, красная линия – это максимальная выходная мощность на нагрузке 4 ома (на нагрузке 8 ом выходная мощность в два раза меньше), черная линия – коэффициент нелинейных искажений (THD) на частоте 1 кГц при выходной мощности, примерно равной максимальной.

Как видно из графика, при снижении питающего напряжения ниже ±23 вольт слегка повышаются искажения. А при снижении питающего напряжения ниже ±12 искажения повышаются значительно. Но работоспособность усилителя сохраняется вплоть до напряжения питания ±7 вольт.

При низковольтном питании не только растет THD, но и изменяется (ухудшается) характер искажений. На рисунке 14 показан спектр гармоник этого усилителя при напряжении источника питания ±7 вольт. На нем хорошо видны четные гармоники, отсутствующие при номинальном напряжении питания.

Искажения при низковольтном питании
Рис. 14. спектр гармоник усилителя при напряжении источника питания ±7 вольт.

На рисунке 15 показан спектр гармоник этого усилителя при напряжении источника питания ±13 вольт. Четные гармоники исчезли, но спектр шире, чем при номинальном питании – присутствуют гармоники вплоть до 9-й. При номинальном питании 7-я и 9-я гармоники отсутствуют.

Искажения при низковольтном питании
Рис. 15. спектр гармоник усилителя при напряжении источника питания ±13 вольт.

Тем не менее, даже при пониженном напряжении питания этот усилитель обладает меньшими искажениями, чем некоторые дорогие промышленные конкуренты.

Важно отметить, что при построении графика на рисунке 13, величина напряжения питания измерялась под нагрузкой (то есть напряжение на работающем усилителе). Указанное напряжение уже учитывает все возможные просадки.

Выбор номиналов компонентов

Выбор выходного сопротивления усилителя и R21

Этот усилитель позволяет получить желаемое значение выходного сопротивления вплоть до нескольких десятков ом.

Повышение выходного сопротивления усилителя зачастую помогает улучшить АЧХ сабвуферов и колонок с акустическим оформлением «закрытый ящик». Правильно выбрав это сопротивление, можно снизить нижнюю граничную частоту сабвуфера или колонки чуть ли не вдвое.

Кроме того, при повышенном выходном сопротивлении усилителя уменьшаются искажения динамиков среднего класса.

Я не рекомендую устанавливать выходное сопротивление усилителя больше, чем 20 ом, так как более высокое выходное сопротивление реально уже ничего не улучшит, а вот проблемы возникнуть могут. Например, при росте сопротивления нагрузки (которое зависит от частоты), будет расти и выходное напряжение усилителя. И при сравнительно небольшой громкости звучания может возникнуть клиппинг. Либо значительно увеличится добротность НЧ динамика колонок, и звук будет «бубнящим». Либо изменится настройка фильтров колонок (фильтры рассчитаны на нулевое выходное сопротивление усилителя) и фильтры разрегулируются.

Величину выходного сопротивления усилителя задает сопротивление резистора R21. Выбрать нужную величину его сопротивления можно рассчитав по программе combinOS, а можно по графикам на рисунках 16 и 17.

Выбор резистора для получения желаемого выходного сопротивления этого усилителя
Рис. 16. Выбор резистора R21 для получения желаемого выходного сопротивления этого усилителя.

На рисунке 17 график более растянут.

Выбор резистора R21 для получения желаемого выходного сопротивления этого усилителя
Рис. 16. Выбор резистора R21 для получения желаемого выходного сопротивления этого усилителя укрупненно.

С указанным на схеме значением R21=20 кОм выходное сопротивление усилителя будет равным 0,5 ом. Такое выходное сопротивление довольно часто немного улучшает субъективное восприятие звука.

Если повышенное выходное сопротивление не требуется, то резистор R21 в плату не устанавливается, а резистор R27 заменяется перемычкой.

Выбор емкости конденсатора C1

Величина емкости конденсатора C1 определяет как нижнюю граничную частоту усилителя, так и завал АЧХ усилителя на низких звуковых частотах. Этот конденсатор совместно с входным сопротивлением усилителя образует фильтр верхних частот (ФВЧ, HPF), пропускающий частоты выше 5…15 Гц и подавляющий частоты, лежащие ниже этого значения.

Как выглядит амплитудно-частотная характеристика в области низких частот при различных значениях емкости конденсатора C1, показано на рисунке 18.

Выбор емкости входного конденсатора
Рис. 18. Работа усилителя на низких частотах в зависимости от емкости конденсатора C1.

Значения емкости конденсатора С1 удобно выбрать из таблицы.

Емкость конденсатора C1, мкФНижняя граничная частота усилителя по уровню -3 дБ, ГцНижняя граничная частота усилителя по уровню -1 дБ, ГцЗавал АЧХ усилителя на частоте 20 Гц, дБЗавал АЧХ усилителя на частоте 30 Гц, дБ
0,22153021
0,33102010,5
0,477140,50,25
0,685100,260,11

Стратегия выбора величины емкости конденсатора C1.

Прежде, чем выбирать емкость конденсатора С1 вспомните, чему равна нижняя частота ваших колонок?

  • Если на этой частоте усилитель ослабит сигнал на 1 дБ, то на слух будет совсем не заметно.
  • Если усилитель обрежет частоты, лежащие ниже минимальной частоты колонок, то это только пойдет на пользу – колонки будет сложнее перегрузить нерабочими для них инфразвуковыми частотами.

Чем емкость C1 больше, тем меньше нижняя частота среза усилителя (то есть усилитель достаточно сильно усиливает более низкие частоты), и тем меньше завал АЧХ на низких звуковых частотах.

А нужны ли настолько низкие частоты? А может они являются вредными? Об этом можно прочитать в статье по выбору емкости входного конденсатора усилителя на микросхеме TDA7294.

Я рекомендую использовать конденсатор С1 емкостью 0,47 мкФ как для высококачественных колонок, так и для сабвуферов.

Если ваши колонки работают начиная с частоты 30…35 Гц, то С1 может иметь емкость 0,33 мкФ. Если ваши колонки работают начиная с частоты 40…50 Гц, то С1 может иметь емкость 0,22 мкФ.

Емкость конденсатора C2

Конденсатор С2 обрезает высокие частоты, поступающие на вход усилителя (он образует фильтр нижних частот), и тем самым подавляет высокочастотные помехи. Однако при этом сужается диапазон рабочих частот усилителя в области высоких частот. Емкость конденсатора С2 выбирается исходя из величины сопротивления регулятора громкости и требуемой частоты среза фильтра нижних частот (ФНЧ, LPF), который образует этот конденсатор совместно с резистором R1 и сопротивлением устройства, к которому подключен вход усилителя. Это может быть либо предварительный усилитель с маленьким выходным сопротивлением (считаем его равным нулю), либо регулятор громкости. Сопротивление регулятора громкости влияет на работу фильтра и должно быть учтено.

Частота среза входного фильтра НЧ R1C2 выбрана равной 80 кГц. Такую же частоту среза обеспечивает цепь C7R20.

Значение емкости конденсатора С2 выбирается из таблицы.

Сопротивление регулятора громкости, кОмЕмкость конденсатора С2, пФ
Регулятор громкости на входе усилителя отсутствует, используется предусилитель2000
5910
10560
20330
30220
50150
10075

Можно ли использовать конденсаторы C1 и C2 другой емкости?

Можно. Изменение емкости этих конденсаторов на 10…20% будет совершенно незаметно. При большем изменении емкости конденсаторов изменение АЧХ усилителя возможно будет заметно.

Если емкость изменится больше, чем на 30…50%, то произойдет следующее:

Конденсатор С1. Изменится АЧХ в области низких частот. Оценить эту новую АЧХ можно на основании рисунка 18. Если вы вместо С1=0,68 мкФ установите конденсатор С1=0,33 мкФ, то разницы не заметите. Аналогично не заметите разницы и при установке С1=2,2 мкФ. А вот емкость С1=0,1 мкФ на хороших колонках будет немного заметна: частота среза усилителя станет равной 30 Гц.

Конденсатор С2. Уменьшение емкости немного расширит АЧХ в область ВЧ, но не сильно: конденсатор С7 устанавливает частоту среза усилителя равной 80 кГц. Увеличение емкости С2 улучшает фильтрацию высокочастотных помех, но снижает диапазон высоких частот.

  • Если емкость конденсатора С2 увеличить в 1,5 раза, то частота среза усилителя станет равной 40 кГц, а завал АЧХ на частоте 20 кГц будет 0,8 дБ.
  • Если емкость конденсатора С2 увеличить в 2 раза, то частота среза усилителя станет равной 35 кГц, а завал АЧХ на частоте 20 кГц будет 1,2 дБ.

Правда, далеко не все люди слышат частоту 20 кГц, а выше, так и тем более…

Выбор емкостей конденсаторов для сабвуфера

Если усилитель предназначен для сабвуфера, то желательно использовать такие емкости конденсаторов:

С1 = 0,47… 0,68 мкФ;

С2 в десять раз выше, чем указано в таблице для усилителя (для емкостей больше чем 1000 пФ можно применить лавсановый конденсатор MKT);

С3 = 220 пФ.

Используемые детали

Усилитель доступен для сборки даже начинающими, но для получения наилучших параметров и максимально хорошего звука детали нужны качественные (при этом не обязательно дорогие): то, что плохо работает, хорошо звучать не может.

Комплектующие неизвестных производителей и дешевые «китайские» лучше не использовать: они могут иметь плохие параметры. А иногда они вообще являются бракованными, например сопротивление резистора может сильно отличаться от указанного.

Но и не нужно гнаться за специальными дорогими компонентами «For Audio», так как не всегда понятно, что имеется в виду под этой надписью. Дело в том, что из всех областей электроники, аудиотехника является «самой нетребовательной»: она работает с довольно простыми сигналами и допускает значительные искажения. Поэтому компонент, который нельзя применять в других областях (связь, медицина, измерения, космос) из-за его недостаточно высоких параметров, можно промаркировать как «For Audio» и использовать в аудиотехнике – там его слабые возможности будут незаметны.

Так что компоненты общего назначения (general purpose) от известного производителя – это лучшее решение. Они наверняка работоспособны и имеют завяленные параметры.

Список используемых деталей (BOM List) можно загрузить по ссылкам:

На русском языке

In English

Транзисторы

Транзисторы лучше использовать такие, как указано на схеме и ничем их не заменять за исключением VT9.

Транзистор VT9 является датчиком температуры выходных транзисторов. В этой позиции можно использовать любой современный NPN транзистор в корпусе TO-126. Он не впаивается в плату непосредственно, а подключается на проводниках минимальной длины, но такой, чтобы VT9 можно было установить на одном из выходных транзисторов. В усилителе на рисунке 1 транзистор VT9 в схему не установлен, а на рисунке 2 этот транзистор присутствует. Также VT9 показан на рисунке 19.

Установка измерительного транзистора
Рис. 19. Усилитель, установленный на радиатор. Транзистор VT9 прикручен к левому выходному транзистору.

Резисторы

В усилителе используются недорогие металлопленочные резисторы. Все резисторы кроме R24…R27 мощностью 0,125…0,25 Вт. Если R26 российского производства, то достаточна мощность 1 Вт. Если R26 не российского производства, то рекомендуется использовать резистор мощностью 2 Вт. Это надежнее для работы на максимальной мощности.

Если планируется стерео усилитель или многоканальный усилитель, то резисторы, включенные в цепь отрицательной обратной связи (R9, R20, R21), желательно использовать с точностью 1% (можно и более точные, но это дороже, а заметно не будет). В этом случае разбаланс громкости стереоканалов будет минимальным. Если доступны только резисторы точностью 5%, то их следует по возможности подобрать одинакового сопротивления во всех каналах. Другие резисторы не критичны к величине точности.

Резисторы R24, R25, R27 проволочные «цементные». Можно использовать проволочные резисторы других типов на указанное сопротивление и мощность.

Конденсаторы

Керамические конденсаторы

Конденсаторы C2, С3 и C7 керамические из качественной низковольной керамики, с максимальным рабочим напряжением 50…100 вольт. Качественная керамика определяется по температурному коэффициенту емкости конденсатора (ТКЕ, TCC). Эти конденсаторы должны быть с ТКЕ класса НП0 (C0G, NP0). Иногда вместо цифры 0 пишут букву О (НПО, NPO) – это то же самое. Производитель конденсаторов является важным. Конденсаторы noname лучше не использовать. Подойдут, например, Murata, Vishay. Можно использовать конденсаторы российского производства.

Пленочные конденсаторы

Конденсаторы C1, C8, C10, C11 пленочные лавсановые (другие названия диэлектрика – майлар, полиэстер, MKT).

Самым важным для звука является конденсатор C1. Он должен быть хорошего качества. На этом месте можно применить конденсатор с диэлектриком из полипропилена (MKP). Разница в звуке будет очень маленькая, но все равно будет приятно, что вы сделали максимум для получения высокого качества звучания. В остальных позициях полипропиленовые конденсаторы не нужны.

На самом деле, для получения хорошего звука гораздо важнее использовать правильный блок питания и правильный монтаж блоков усилителя внутри корпуса, потому что усилитель – это система, и на результат работают все его узлы. Но в любом случае конденсатор C1 не должен быть плохим.

Конденсатор C10 образует цепь Цобеля. Его максимальное рабочее напряжение 100…250 вольт. Если есть возможность выбора, то этот конденсатор рекомендуется выбирать наибольшего размера из всех доступных, но без фанатизма, такой, чтобы его можно было нормально установить на плату. При работе усилителя через этот конденсатор проходит сравнительно большой высокочастотный ток, и конденсатор может нагреваться. Чем больше размер конденсатора, тем меньше нагрев. Хотя, при перегрузке высокочастотным сигналом обычно первым сгорает R26. Речь идет не о звуковых сигналах, а об измерительных. При воспроизведении звука с элементами С10 и R26 всё ОК.

Конденсаторы C8 и C11 помогают конденсаторам C9 и C12 снабжать усилитель энергией на высоких частотах. Емкость этих конденсаторов 0,68…2,2 мкФ, максимальное рабочее напряжение не менее 63 вольт. Конденсаторы должны быть качественными, чтобы хорошо работать. Чем больше емкость, тем лучше, но будьте разумными. Важно, чтобы длина выводов этих конденсаторов была минимальной – индуктивность длинных выводов будет мешать их работе. Поэтому конденсатор меньшей емкости с короткими выводами (который легко устанавливается в плату) будет работать лучше, чем конденсатор большей емкости, но с длинными выводами.

Конденсаторы российского производства типа К73-17 использовать можно, но в них возможен брак в виде плохого контакта вывода с телом конденсатора, особенно если за вывод тянуть. Поэтому будьте внимательны при монтаже.

«Зеленые» конденсаторы (рис. 20) использовать можно в позициях C8 и C11. Только будьте уверены в их максимальном рабочем напряжении.

Зеленый конденсатор
Рис. 20. Разновидность пленочных конденсаторов.

Электролитические конденсаторы

В позициях C5 и C6 должны быть обычные качественные конденсаторы. Использовать конденсаторы LowESR можно, но это улучшит не столько звук, сколько вашу самооценку.

Конденсаторы C9 и C12 выполняют сразу три функции:

  1. Дополнительно подавляют пульсации напряжения питания.
  2. Подпитывают усилитель на пиках громкости. Эти конденсаторы установлены близко выходным транзисторам, и проводники, идущие от этих конденсаторов, короткие с маленьким сопротивлением и индуктивностью. В результате вся энергия этих конденсаторов через выходные транзисторы передается на выход в громкоговорители.
  3. Пропускают через себя ток громкоговорителей на средних и высоких частотах. В результате этот ток замыкается наиболее коротким путем.

Все эти функции на самом деле объединены. Физически это одна функция. Я их разделяю мысленно, чтобы удобнее было их анализировать.

Функции конденсаторов C9 и C12 важны, поэтому эти конденсаторы должны иметь хорошее качество. В этой позиции можно использовать конденсаторы типа Low ESR, Low Impedance, но будьте благоразумны. Важность качества конденсаторов C9 и C12 зачастую преувеличивается. Конденсаторов общего применения от надежного производителя вполне достаточно.

Использовать конденсаторы C9 и C12 емкостью меньше, чем 1000 мкФ не рекомендуется. Значительно увеличивать их емкость тоже не рекомендуется.

Рабочее напряжение конденсаторов С5, С6, С9, С12 должно быть как минимум на 10…20% больше максимального напряжение питания:

  • рабочее напряжение 50 вольт при напряжении питания до 42…45 вольт,
  • рабочее напряжение 63 вольт при напряжении питания до 45…54 вольт.

Если напряжение питания постоянного тока неизвестно, а используется рекомендуемый здесь источник питания, то можно использовать такое правило: при напряжении вторичной обмотки до 32 вольт можно использовать конденсаторы на напряжение 50 вольт. При напряжении вторичной обмотки выше 32 вольт, используются конденсаторы на напряжение 63 вольта.

Использование полярного конденсатора в качестве С4

Конденсатор С4 создает стопроцентную ООС по постоянному току и минимизирует постоянное напряжение на выходе усилителя. Очень желательно применить в этой позиции неполярный (биполярный) конденсатор. Качество этого конденсатора важно, но не критично: если нет возможности использовать неполярный конденсатор хорошего производителя, то устанавливать неполярный конденсатор noname не рекомендуется. В этом случае можно использовать полярный конденсатор хорошего производителя диаметром 10 мм: 220 мкФ 50…63 вольта, либо 470 мкФ 50 вольт. Чем больше емкость и рабочее напряжение полярного конденсатора, тем лучше.

Если у вас нет опыта и возможности измерений, то полярность установки С4 может быть любой – не важно, куда подключить плюс конденсатора, а куда минус.

Если у вас есть опыт и возможность измерений, то при установке полярного конденсатора С4 его можно сориентировать для получения правильной полярности напряжения на нем. Для этого:

  • При сборке усилителя конденсатор С4 не впаивайте в плату, а «прихватите» к контактным площадкам так, чтобы не залить припоем посадочные отверстия под конденсатор (но надежно). Полярность подключения конденсатора произвольная.
  • Включите усилитель и установите ток покоя выходных транзисторов (этот процесс описан ниже).
  • Измерьте полярность напряжения на С4.
  • Выключите усилитель и впаяйте С4 в плату согласно измеренной полярности напряжения на нем.

Будьте внимательны и осторожны!

Конструкция усилителя

Габариты платы и присоединительные размеры показаны на рисунке 21.

Выходные транзисторы слегка выступают за габарит платы, поэтому плату можно устанавливать как перпендикулярно, так и параллельно радиатору, соответственно сформовав выводы выходных транзисторов.

Крепежные отверстия под винты М3 изолированы от схемы.

Габаритные платы усилителя
Рис. 21. Габаритные и присоединительные размеры платы усилителя.

Выходные транзисторы устанавливаются на радиатор (рис. 22) площадью не менее 1000…1500 см2. Транзисторы надо обязательно изолировать от радиатора слюдяными прокладками (как на фото), или специальной изолирующей теплопроводящей пленкой. Термопаста помещается как между прокладкой и радиатором, так и между транзистором и прокладкой.

Транзистор VT9 устанавливается непосредственно на один из выходных транзисторов. Очень хорошо, если при этом используется термопаста. Если VT9 имеет металлизированный корпус (как рекомендованный 2SD669), то корпус VT9 должен быть изолирован от радиатора, что получается автоматически при установке VT9 на выходной транзистор. Благодаря термопасте обеспечивается хороший температурный контакт.

Установка измерительного транзистора
Рис. 22. Вариант установки транзистора VT9.

Для усилителя рекомендуется использовать металлический корпус, тогда будет минимум наводок и помех, и усилитель сможет полностью продемонстрировать свое качество.

Подключение регулятора громкости и блоков внутри усилителя

Если предварительный усилитель отсутствует, то регулятор громкости подключается непосредственно к усилителю, рисунок 23. В этом случае важно, чтобы входные цепи и гнезда не имели контакта с «землей» или с корпусом усилителя.

Подключение регулятора громкости
Рис. 23. Подключение регулятора громкости.

В качестве регулятора рекомендуется использовать переменный резистор (потенциометр) сопротивлением 30…50 кОм. Предельные значения сопротивления регулятора громкости 5…100 кОм, но при этом возможно небольшое ухудшение качества звучания: низкоомный резистор нагружает источник сигнала, высокоомный более чувствителен к помехам и паразитным емкостям.

Переменный резистор лучше использовать с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота. Тогда при вращении ручки регулятора, громкость будет изменяться пропорционально углу поворота. Такие переменные резисторы российского производства имеют в обозначении букву В, а резисторы произведенные не в России – букву A.

Правильное взаимное соединение блоков усилителя – это очень важно. Иначе можно получить очень плохой звук. Усилитель даже может самовозбуждаться. В правильном подключении блоков нет никакого волшебства, чистая физика. Подробно описано в статье Подключение блоков внутри усилителя.

Источник питания для усилителя

Работа усилителя очень сильно зависит от источника питания. Фактически усилитель занимается тем, что передает энергию из источника питания в колонки. Но делает это под управлением звукового сигнала. Передача энергии происходит так, чтобы в колонках сигнал был точно такой же, как и на входе усилителя.

Схема источника питания показана на рисунке 24. Это базовая схема, в которую можно вносить изменения в соответствии со своими потребностями и/или возможностями.

Такая схема не является данной нам свыше, это результат правильного технического конструирования и расчета.

Источник питания для усилителя
Рис. 24. Базовая схема источника питания.

Назначение деталей, их параметры и возможные изменения

Мощность трансформатора выбирается из графика на рисунке 25. Почему мощность трансформатора меньше суммарной выходной мощности двух каналов усилителя можно прочитать в статьях Расчет источника питания усилителя и Трансформатор для питания усилителя.

Можно использовать трансформатор мощностью на 10% меньше, указанной. Если использовать еще менее мощный трансформатор, то возможно ухудшение работы на максимальной выходной мощности.

Увеличивать мощность трансформатора больше, чем в 1,5…2 раза не рекомендуется: дополнительной пользы не будет, а вот помехи из-за слишком большого и слишком короткого зарядного тока конденсаторов фильтра возникнуть могут.

Мощность трансформатора усилителя
Рис. 25. Выбор мощности трансформатора питания в зависимости от желаемой мощности стерео усилителя (сабвуфера).

Необходимое напряжение на каждой из полуобмоток трансформатора можно определить из графиков на рисунке 26.

Напряжение питания усилителя
Рис. 26. Выбор напряжения одной обмотки (полуобмотки) трансформатора питания в зависимости от желаемой мощности стерео усилителя (сабвуфера).

S1 – выключатель питания. Любой, какой вам нравится, рассчитанный на напряжение 220 вольт и ток не менее 2…3 ампера.

F1 – плавкий предохранитель. Обязательный элемент. При мощности усилителя до 60 Вт на 1 ампер, от 60 до 100 Вт на 1,5 ампера, больше 100 Вт – 2 ампера. Если предохранитель сгорает в момент включения питания усилителя, то его номинал нужно увеличить. Но не сильно – слишком грубый предохранитель может не сработать при аварии. Для ограничения пускового тока усилителя можно использовать софтстарт.

С1 – специальный помехоподавляющий конденсатор. Кроме подавления высокочастотных помех, поступающих из сети, он выполняет еще две функции:

  • Подавляет помехи, поступающие из усилителя в сеть.
  • Подавляет выбросы ЭДС (напряжения) самоиндукции обмоток трансформатора, которые могут возникать при открывании и закрывании диодов выпрямителя. Обычно с этой задачей справляется собственная емкость трансформатора, но не всегда. Особенно часто такие выбросы напряжения возникают при использовании одновременно трансформатора большой мощности, высокоскоростных диодов и конденсатора фильтра большой емкости (и с низким ESR).

VD1-VD4 – выпрямительные диоды, рассчитанные на ток не менее 12 ампер и напряжение не менее 120 вольт. Это могут быть как отдельные диоды, так и диодный мост. Хорошие результаты дает использование диодов Шоттки. Использовать высокоскоростные диоды не имеет смысла.

Также нет смысла использовать два отдельных выпрямительных моста для каждого из плеч выпрямителя.

Использование раздельных блоков питания для каждого из каналов даст малозаметный выигрыш, а конструкция блока питания при этом намного сложнее.

Можно параллельно каждому из диодов выпрямителя включить конденсатор 0,01 мкФ 160…250 В. Это обычно снижает помехи, как приходящие из сети, так и излучаемые блоком питания. Вреда от этого не бывает (если не доводить до абсурда). Здесь важно, во-первых установить конденсаторы как можно ближе к диодам и чтобы их выводы были максимально короткими. Во-вторых, это решение работает тем лучше, чем более одинаковую емкость имеют конденсаторы. Конденсаторы разной емкости пользы не принесут.

С2…С5 – конденсаторы сглаживающего фильтра. Их емкость выбирается из графиков на рисунке 27. На самом деле значения емкости на этих графиках довольно условны. Усилитель нормально работает и при значительном отклонении емкости конденсаторов фильтра от приведенных на рисунке значений. Но тем не менее, указанные значения емкости достаточно оптимальны для того, чтобы с такими конденсаторами усилитель отлично работал в любой ситуации.

Емкость конденсаторов фильтра усилителя
Рис. 27. Выбор суммарной емкости конденсаторов питания в зависимости от желаемой мощности стерео усилителя (сабвуфера). Емкость указана в миллифарадах (тысячах микрофарад).

О том, какие функции выполняют эти конденсаторы, и какие к ним предъявляются требования можно прочитать в моей книге «Конструирование источников питания для усилителей мощности звуковой частоты».

 Оба плеча (положительного напряжения и отрицательного напряжения) должны быть одинаковыми. Количество конденсаторов в каждом плече зависит от требуемой емкости фильтра и от того, конденсаторы какой емкости доступны. А также от конструктивных особенностей блока питания (сколько места под него отводится в корпусе). Обычно устанавливают в каждое плечо 1…4 конденсатора.

Использовать массивы конденсаторов нет смысла – будет не лучше.

Использовать конденсатор LowESR или LowImpedance не обязательно – снижение их сопротивления будет незаметно на фоне сопротивления проводов, соединяющих блок питания с усилителем.

При напряжении вторичной обмотки до 32 вольт можно использовать конденсаторы на напряжение 50 вольт. При напряжении вторичной обмотки выше 32 вольт, используются конденсаторы на напряжение 63 вольта.

Можно параллельно электролитическим конденсаторам подключить пленочные емкостью 1…3,3 мкФ. Пользы практически не будет (всю пользу «съедят» провода, идущие к платам), но и вреда не будет.

R1, R2 – резисторы, разряжающие конденсаторы фильтра при выключении питания. Опциональны. Сопротивление 68к … 100 к. Мощность 0,125…0,5 Вт.

R3 соединяет «землю» схемы с корпусом усилителя. Это должна быть единственная точка соединения схемы с корпусом. Опционален. Резистор нужен для того, чтобы в случае замыкания схемы на корпус он сгорел и разорвал соединение. По факту сгорания резистора можно узнать о том, что произошло замыкание.

Хороший результат дает применение входного фильтра, но не «аудиофильского», из чистого серебра весом 8 килограммов Mosfet-Amp: Усилитель с полевыми транзисторами на выходе, а технически правильного. С варистором и катушками индуктивности. Иногда такой фильтр встроен в разъем сетевого провода.

Также хорошо на сетевой кабель установить феррит. Феррит – одно из немногих устройств, от которого не бывает вреда (однако, если вы установите много ферритов по всей длине кабеля, то кабель станет тяжелым и может оторваться от разъема). Поэтому ферриты можно (и нужно) установить на все кабели усилителя.

Если вы планируете получить мощность стереоусилителя 80 Вт на канал и более, то рекомендую использовать софтстарт для обеспечения плавного запуска усилителя при включении питания.

Настройка усилителя

Настройка усилителя сводится к установке тока покоя выходных транзисторов переменным резистором (триммером) R16. Если R16 установлен согласно рисунку на печатной плате, то вращение его оси против часовой стрелки уменьшает ток покоя, а вращение оси по часовой стрелке увеличивает ток покоя. Точно так же, как вращение регулятора громкости: вправо – больше, влево – меньше.

Оптимальный ток покоя выходных транзисторов этого типа составляет 250 (200…300) мА. Этот ток соответствует работе в режиме покоя, когда звуковой сигнал не воспроизводится.

Устанавливается он так:

1. Подстроечный резистор (триммер) R16 устанавливается в крайнее левое положение, соответствующее минимальному току покоя.

2. К резисторам R24 и R25 подключается вольтметр постоянного тока, как показано на рисунке 28.

3. Подстроечным резистором R16 устанавливается ток покоя порядка 300 мА.

4. Через некоторое время, когда выходные транзисторы прогреются и погреют радиаторы, величина тока покоя снизится и ее надо снова установить на 300 мА.

5. Еще через некоторое время, после окончательного прогрева транзисторов и радиаторов, величина тока корректируется до значения 200…250 мА.

Если нет возможности использовать большие радиаторы, то ток покоя можно снизить до 100 мА. Дальнейшее уменьшение тока покоя (минимум 20…40 мА) приведет к росту искажений выходного каскада. Эти искажения отчасти подавятся отрицательной обратной связью, но только отчасти, поэтому при малых токах покоя выходного каскада качество звучания будет немного ниже. Заметите ли вы это на слух – я не знаю.

Установка тока покоя выходного каскада усилителя
Рис. 28. Подключение вольтметра для измерения тока покоя выходного каскада.

23.08.2020

Total Page Visits: 377 - Today Page Visits: 2