Project 101 – усилитель на полевых транзисторах от Рода Эллиота

Project 101 – усилитель на полевых транзисторах от Рода Эллиота

Я часто говорил, что не являюсь фанатом усилителей мощности на полевых транзисторах, но этот усилитель изменил мои взгляды, и я считаю, что это «эталонная» система во всех отношениях. Он использует полевые транзисторы. Производительность очень хорошая, с невероятно низким уровнем искажений, большой мощностью, широкой полосой пропускания и «самозащитой» выходных транзисторов. Но это не означает, что усилитель не выйдет из строя, просто он гораздо более терпим к сбоям, чем биполярный транзисторный усилитель, а для ограничения тока требуется всего лишь пара стабилитронов.

Все дорожки на печатной плате выполнены как можно более короткими, что сводит к минимуму вероятность появления шума. Усилитель будет стабильно работать при напряжениях питания от ±5 В до ±70 В.

При напряжении питания ±70 В (которое не должно превышаться!), выходная мощность составляет около 180 Вт/8 Ом или 250 Вт/4 Ом. Кратковременная мощность около 240 Вт/8 Ом или 380 Вт/4 Ом. Рекомендуемое напряжение питания составляет ±56 В.

Если максимальная мощность не нужна, я предлагаю использовать напряжение питания ±56 В, полученное от трансформатора с вторичными обмотками 40 В + 40 В. Вы получите мощность около 150 Вт/8 Ом от такого напряжения, а также уменьшите требования, предъявляемые к выходным транзисторам и радиаторам.

На фото показана печатная плата. Выходные транзисторы монтируются под платой и крепятся винтами. Никакой другой монтаж не требуется. Зеленая жила вдоль переднего края плата является землей, так что основные токонесущие дорожки не были повреждены. Вся входная часть находится между электролитическими конденсаторами и намеренно максимально компактна. Это повышает производительность, гарантируя отсутствие длинных дорожек для входного каскада, которые в противном случае могут ловить шум, который может серьезно ухудшить звучание.

Характеристики:

Значения искажений показывают, что нагрузка на усилитель дает очень небольшие отклонения. В форме искажения нет видимых или слышимых компонентов высокого порядка. Выходное сопротивление измерялось на полностью готовом усилителе, включая внутреннюю проводку. Это влечет за собой около 200 мм провода (на канал), поэтому выходной импеданс самого усилителя явно ниже указанного. При нагрузке 8 Ом коэффициент демпфирования при 1 кГц составляет около 800 (8/10 милли Ом).

Шум измерялся при разомкнутом входе, и при -54 дБВ может выглядеть не слишком хорошо, но это невзвешенное измерение с шириной полосы, значительно превышающей 100 кГц. Несмотря на это, отношение сигнал/шум (в расчете на полную мощность) составляет 86 дБ (невзвешенный), а сам усилитель полностью бесшумный в АС. Даже подключение наушников непосредственно к выходам усилителя показало, что шума не было слышно.

Интермодуляционные искажения я не смог измерить, так как нет подходящего оборудования. Но я добавил графики измерений. Большая часть гармоник присутствует в двух генераторах, которые я использовал, и усилитель практически ничего не дает.

1 кГц + 2 кГц, +30 дбВ, выход 8 Ом

1 кГц + 2 кГц, -25 дбВ, выход 8 Ом

10 кГц + 12 кГц, +20 дбВ, выход 8 Ом

Описание

Первое, что вы заметите, это то, что номиналы элементов не показаны. Учитывая производительность схемы и тот факт, что я уже продал пару готовых усилителей, я не собираюсь раскрывать все свои секреты. Если вы хотите узнать номинал деталей, вы должны купить печатную плату.

Обратите внимание: наиболее важным аспектом дизайна является компоновка печатной платы, и очень сомнительно, что если вы создадите свою собственную плату, вы получите такие же параметры как у меня. Выходная мощность практически не изменяется, но искажения и стабильность достигаются благодаря компактной и тщательно спроектированной компоновке, которая сводит к минимуму любые неблагоприятные соединения на дорожках печатной платы, которые могут вызывать искажения.

Версия усилителя с
пониженноймощностью
Как показано на приведенных ниже схемах усилитель может быть выполнен в версии с высокой или низкой мощностью. Если Вы выбрали версию с одной парой выходников, то лучше ограничится питанием до ±42 В, чтобы она могла управлять нагрузками на 4 и 8 Ом без избыточного рассеивания мощности. При этом напряжении можно получить около 80 Вт/8 Ом или 140 Вт/4 Ом. Естественно, двойные пары выходных транзисторов также могут использоваться при этом напряжении, обеспечивая гораздо лучшие тепловые характеристики (и, следовательно, более холодную работу), гораздо большую пиковую нагрузку по току и немного более высокую мощность. Эта версия может использоваться при любом напряжении от ±25 В до ±42 В.

В качестве выходных полевых транзисторов используются Hitachi/Renesas, 2SK1058 (N-канал) и 2SJ162 (P-канал). Они разработаны специально для аудио и намного более линейны, чем многие другие. К сожалению, они не дешевы, но их производительность в аудио намного лучше, чем в вертикальных MOSFET, HEXFET и т.д. Обратите внимание, что использование HEXFET или любого другого вертикального типа MOSFET не допускается

.

Альтернатива (и, возможно, незначительно лучше, чем у серии 2SK/2SJ) – это Exicon ECX10N20 и ECX10P20 (доступны от Profusion PLC в Великобритании). Они были использованы в большинстве усилителей, которые я построил и работают очень хорошо. Таким образом, проверяйте доступность деталей перед покупкой печатной платы. Вы также можете использовать BUZ901P/BUZ905P или ALF08N16V/ALF08P16V. Минимальное номинальное напряжение составляет 160 В. Все остальные части вполне стандартные. Renesas также производит полевые транзисторы 2SK2221/2 и 2SJ351/2. Они имеют меньшую мощность (рассеиваемая мощность 100 Вт), но имеют довольно разумную цену и должны подходить для пониженных напряжений питания. ±42 В – рекомендуемое максимальное напряжение при использовании 2 пар в конфигурации высокой мощности, показанной ниже. Питании ±56 В допускается при нагрузке 8 Ом.

Версия усилителя с
повышенноймощностью
Используется та же самая печатная плата, но есть дополнительная пара выходных транзисторов. Поскольку устройства работают параллельно, исходные резисторы используются для принудительного разделения тока. Хотя они могут быть заменены обычной жилой. Эта версия может работать при абсолютном максимальном напряжении питания до ±70 В (рекомендуется ±56 В) и будет выдавать среднее значение мощности в 180 Вт/8 Ом или 250 Вт/4 Ом. Пиковая мощность составляет 240 Вт/8 Ом или 380 Вт/4 Ом.

Транзисторы и полевые транзисторы в этой версии те же, что и для варианта с пониженной мощностью. Показанные дополнительные конденсаторы (C11 и C12) предназначены для балансировки емкости затвора. Транзисторы с P-каналом имеют значительно более высокую емкость затвора, чем их аналоги с N-каналом, а крышки гарантируют, что две стороны усилителя примерно равны. Без этих заглушек усилитель почти всегда будет нестабильным.

Как отмечено выше, печатная плата одинакова для обеих версий. Версия с высокой мощностью также может использоваться при более низких напряжениях питания, с небольшим увеличением мощности, но значительно более низкими рабочими температурами даже при максимальной мощности и большей надежностью.

В обеих версиях страница конструкторов дает дополнительную информацию, а схемы содержат расширенную цепь Цобеля на выходе для большей стабильности при самых сложных нагрузках. Это предусмотрено на печатной плате и позволяет усилителю оставаться стабильным практически при любых условиях.

Вся схема была оптимизирована для минимального тока в драйвере класса A, но при этом обеспечивала достаточный привод для обеспечения полной мощности до 25 кГц. Скорость нарастания в два раза выше, чем требуется для полной мощности при 20 кГц (15 В/мкс). Ее довольно просто увеличить, но этот усилитель уже превосходит многие другие, и более быстрая работа не требуется и не желательна.

В обеих версиях усилителя R7 и R8 выбраны для обеспечения тока в 5 мА через каскад усилителя напряжения. Вам нужно будет изменить значение, если будете использовать другое напряжение питания.

R7 = R8 = Vs / 10 (кОм) (где Vs – напряжение питания)

Например, установка правильного тока при питании ±42 В:

R7 = R8 = 42/10 = 4,2 кОм (используйте стандартное значение – 3,9 кОм)

Конструкция

Как указывалось выше, я настоятельно рекомендую вам приобрести плату для этого усилителя, иначе вы почти наверняка получите результаты, которые далеко не соответствуют реальным возможностям усилителя. Печатная плата также делает конструкцию легкой, кроме блока питания, установленного на самой плате. Как и многие другие усилители мощности, полевые транзисторы монтируются под платой, для чего требуется всего два (или четыре) винта для крепления печатной платы и выходных устройств. Как всегда, полная информация о конструкции будет доступна при покупке платы.

Радиаторы. Поскольку усилитель предназначен для использования в Hi-Fi, вентиляторы нежелательны, поэтому радиатор должен быть значительным. Я предлагаю вам использовать радиатор с тепловым сопротивлением около 0,4 °C/Вт для версии с высокой мощностью. Конечно, она может быть несколько меньше для версии с низким энергопотреблением, но я рекомендую, чтобы она была не меньше чем ~ 1 °C/Вт.

Используемые радиаторы должны иметь полностью плоскую заднюю стенку, без каких-либо выступов или чего-либо еще. Выходные транзисторы должны быть электрически изолированы от радиатора, и вы можете использовать тонкие изоляторы из слюды, каптона (25 мкм) или оксида алюминия. Не пытайтесь использовать силиконовые прокладки – они имеют слишком большое тепловое сопротивление и приведут к выходу из строя транзисторов.

Предлагаемый блок питания полностью условен. Трансформатор для источника питания должен соответствовать ожидаемой мощности, которую вы хотите получить от усилителя. В следующей таблице приведены рекомендуемые значения напряжения трансформатора и мощность для одного канала. Используйте два трансформатора или один с удвоенным значением мощности для стерео. Например, трансформатор с питанием на вторичке 40-0-40 В и мощность 300 Вт может использоваться для стереофонического усилителя мощностью 150 Вт, который используется для Hi-Fi.

Обратите внимание, что все показанные мощности являются «кратковременными» или пиковыми – постоянная мощность всегда будет меньше, поскольку источник питания падает при нагрузке. Пиковые уровни мощности обычно достигаются (или приближаются) к большинству музыки, потому что ее переходные процессы обычно на 6–10 дБ превышают среднюю выходную мощность. Показанные значения мощности трансформатора приведены только для справки – можно использовать более крупные или меньшие блоки с незначительным увеличением или уменьшением пиковой мощности.

На рисунке выше показана принципиальная электрическая схема источника питания ±56 В, и в этом нет ничего нового. Как всегда я рекомендую диодный мост 400 В/35 А с установкой на радиатор.

Конденсаторы фильтра должны быть рассчитаны (как минимум) на номинальное напряжение питания, а лучше выше. Если возможно, используйте конденсаторы с температурой 105 °C.

Примечание

. Предохранитель следует выбирать в соответствии с размером силового трансформатора. Для любого тороидального трансформатора мощностью выше 300 Вт настоятельно рекомендуется схема плавного пуска. Используйте предохранитель, рекомендованный производителем трансформатора.

Источник постоянного тока должен быть взят от клемм конденсатора, а не от диодного моста. Использование нескольких маленьких конденсаторов даст лучшую производительность, чем один большой, и, как правило, так дешевле. Например, производительность 10 конденсаторов емкостью 1000 мкФ намного лучше (во всех отношениях), чем один на 10000 мкФ.

Приобретая печатную плату, вы не только получите все значения компонентов, но также получите доступ к информации для источника питания, оптимизированного для наилучшей производительности для обычного источника питания.

Тестирование

Подключите к подходящему источнику питания – помните, что заземление должно быть подключено! При первом включении используйте последовательно с каждым источником питания «защитные» резисторы от 10 до 22 Ом, чтобы ограничить ток, если вы допустили ошибку в проводке.

Перевод: LDS, специально для ldsound.ru

На момент декабря 2022 года печатная плата стоит 20 долларов.

Автор проекта: Род Эллиот Elliott Sound Products

Детали и из замена

Полевые транзисторы для первого каскада необходимо подобрать по напряжению отсечки (допустима разница до 0,5 В) и начальному току стока (токи могут различаться не более чем на 25 %).

Кроме указанных на схеме, в предусилителе можно использовать любые транзисторы серий КП302, К303, КП307 (V1, V2); КТ342 и КТ373 с индексами А, Б, Г (V3, V4); КТ203А, КТ502F — КТ502Е, КТ361В — КТ361Е (V5) КТ601А, КТ503Г — КТ503Е, КТ315В — КТ315Е (V6). При использовании транзисторов серий КТ315 и КТ361 напряжение питания рекомендуется снизить до ± 20 В. Диоды V7, V8 — любые кремниевые маломощные. Для питания необходим источник е напряжением пульсаций не более 5 мВ.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Основные параметры усилителя

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов C3, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

5.5. Схема с коллекторной стабилизацией

В схеме с коллекторной стабилизацией в цепи эмиттера отсутствует сопротивление: RЭ = 0, рис. 5.6, а вход схемы и выход соединяются сопротивлением RБ.

Рис. 5.6. Схема с коллекторной стабилизацией

Ток смещения в этой схеме равен:

;

и уменьшается при увеличении (изменение – в общем случае). В этом проявляется ООС; по способу снятия и введения это параллельная ООС. Глубина этой обратной связи равна:

; (5.4)

Данная схема отличается простотой, обеспечивает стабилизацию режима до 30°С, но имеет существенный недостаток – вследствие ООС по переменному току через сопротивление RБ, малый коэффициент усиления. Для этого в цепи базы включают RC – фильтр, устраняющий ООС по переменному току.