Усилитель звука на транзисторах #1

Технические характеристики

В первую очередь возможности транзистора зависят от предельно допустимых характеристик. Их превышение во время работы приведет к выходу устройства из строя. Для КТ837 они равны:

• постоянное напряжение К-Б: КТ837А, Б, В, Л, М, Н, 2Т837А, Г – 80 А;
• КТ837Г, Д, Е, П, Р, С, 2Т837Б, Д – 60 В;
• КТ837Ж, И, К, Т, У, Ф, 2Т837В, Е – 45 В;

Кроме максимальных на возможности и сферу применения КТ837 влияют также и электрические характеристики. Они измерялись при температуре +25°С. Остальные параметры тестирования, способные повлиять на конечный результат, приведены в следующей таблице в отдельной колонке.

Универсальный усилитель звука

Интересное схемотехническое решение рассмотрено на сайте радиочипи простого универсального усилителя звука.

На сайте предлагается вариант универсальной усилительной ячейки (рис 1), удобной для изготовления ее в виде микросборки или микросхемы. Ее применение значительно упростит многие узлы радиоаппаратуры, в которых требуется усиление сигналов и низкоомная нагрузка, а также позволит отказаться от печатной платы, разместив микросхему но радиаторе.

Если на входе универсального усилителя звука с динамической нагрузкой установить симметричный повторитель на биполярных транзисторах, то можно идеально согласовать входные и выходные характеристики транзисторов. Поскольку базовые токи входных транзисторов равны и взаимно противоположны, то все режимы последующих транзисторов устанавливаются автоматически (на взаимной компенсации).

По схеме на рис 2 собраны два усилителя на германиевых и кремниевых транзисторах (на 1 Вт и 10 Вт). Их усиление при работе на нагрузку 10 Ом составляет 75 и без нагрузки 800, 1200 (R=1кОм, R8 = 1 кОм). Уровень выходного сигнала не зависит от изменения напряжения питания, поэтому усилитель звука не требует стабилизированных источников питания (при двухполярном питании). Входное сопротивление усилителя 25 кОм при сопротивлении нагрузки R7 = 10 Ом и возрастает при его увеличении до 50 кОм.

Конденсаторы С2 и СЗ необходимы для устранения возможного самовозбуждения усилителя в режиме усилении напряжения. Их емкость 1000 – 1500 пФ. При работе с двухполярным источником питания можно исключить входной конденсатор С1 и резисторы R1,R2.

При этом резисторами R3,R4 необходимо устранить постоянную составляющую на выходе усилителя относительно нулевой точки источника питания. Частотная характеристика усилителя линейна до 20 кГц и имеет небольшой спад (20 %) на 30 кГц (при наличии конденсаторов С2, С3).

Для устранения искажения типа «ступенька» при малых уровнях сигнала резисторами R3 и R4 следует установить ток выходных транзисторов 10… …12 мА. Если к усилителям не предъявляют особых требований, то транзисторы можно не подбирать, но их предельно допустимое напряжение должно быть выше напряжения питания.

Усиление можно регулировать изменением величины обратной связи Rос (R8) При максимальной обратной связи усиление равно 1. Усилитель является идеальным повторителем сигнала с максимальными нелинейными искажениями. (Все измерения проводились осциллографом). Схема усилителя (рис 2) рассчитана на один источник питания (усиление усилителя равно 1, если точки 3 и 4 закорочены (рис.1), и усиление максимально, если точка А заземлена, подключена к 0 питания).

Благодаря отсутствию глубоких отрицательных связей, усилитель не дает фазовых искажений, а нелинейные искажения сводятся к минимуму подбора идентичных по параметрам пар транзисторов. Транзисторы VT1 и VT3 можно заменить на КТ3102, КТ503, VT2, VI4 – на КТ3107 и КТ502 соответственно. VT7 – на КТ835 – КТ837, VTS – но КТ305 с любым буквенным индексом.

Все транзисторы подбирают по допустимому напряжению питания комплементарными парами. Вариант усилителя на 1 Вт на германиевых транзисторах: VT1, VT3, VT6 типа МП35-МП38; VT2, VT4, VT5 типа МП39- МП42; VT7 типа ПГ402 (ГТ703); VT8 типа ГТ404 (ГТ705). Резисторы R3, R4 увеличить до 25 – 30 кОм. Напряжение питания ±5 В (10В для однополярного). Сопротивление нагрузки в обоих усилителях может изменяться от А до 10 Ом. Необходимо предусмотреть отвод тепла от транзисторов VT и VT8 (соответствующим радиатором).

Аналоги

Для замены КТ837 можно предложить следующие зарубежные аналоги:

Для транзисторов КТ837 предусмотрена комплементарная пара – КТ805.

Схемы включения

На КТ837 можно построить несложный усилитель звуковой частоты со следующими параметрами:

• Мощность – 30 Вт / 4 Ом (15 Вт / 8 Ом);
• К-т гармоник – 0,01%;
• Входное сопротивление – 47 кОм;
• Выходное сопротивление – 0,03 Ом;
• Уровень шума – -86 дБ.

В этом усилителе используются керамические конденсаторы, рассчитанные на напряжение 50 В. Существует два варианта крепления платы.

Во-первых, на теплоотводе транзисторов VT5 и VT6, используя для этого стойки высотой от 15 до 20 мм.

Во-вторых, рядом с теплоотводом оконечного каскада. В этом случае для соединения используется разъем МРН-22, который будет обеспечивать контакт в точках, обозначенных на схеме цифрами от 1 до 5. Для предотвращения перегорания транзистора, при потере контакта в вилке, требуется увеличить сопротивление резисторов R12 и R13 до 43-47 Ом, а по другую сторону розетки установить R121 и R131 (на схеме нарисованы штриховыми линиями) того же номинала (43-47 Ом). Длина проводов, соединяющих плату и транзисторы не должна быть больше 10 см.

Вместо указанного операционного усилителя можно установить К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1А, но к-т гармоник при этом возрастёт до 0,3%.

Транзисторы VT3 и VT4 устанавливают на теплоотводе, сделанном из алюминиевой пластины размером 70х35х3 мм.

Закрепить VT5 и VT6 можно двумя способами.

Первый способ – на общем для каждого канала усилителя теплоотводе. Транзистор VT5 крепится там же где и VT3, а VT6 вместе с VT4. В этом случае теплоотвод нужно изолировать от корпуса УНЧ. В этом случае можно использовать транзисторы в пластмассовом корпусе.

Второй способ – на теплоотводе общем для обеих транзисторов оконечного каскада. В этом случае нужно изолировать транзистор с помощью слюдяных прокладок и использовать термопасту для улучшения теплоотдачи. В этом случае рекомендуется устанавливать устройства в металлическом корпусе.

В любом варианте площадь теплоотвода на один транзистор должна быть больше 500 квадратных сантиметров.

Простой высококачественный усилитель Гумеля (42 Вт/4 Ом)

Анализ писем радиолюбителей, позволил прийти к следующим выводам. Во-первых (и это естественно), все высказываются за создание простых в схемотехническом отношении усилителей мощности ЗЧ (УМЗЧ); во-вторых, чем проще схема усилителя, тем менее подготовленные радиолюбители берутся за его сборку; в-третьих, даже опытные конструкторы нередко игнорируют известные правила монтажа, что приводит к неудачам при повторении УМЗЧ на современной элементной базе.

Исходя из сказанного, был разработан УМЗЧ (см. рис. 1). Его основные особенности — использование ОУ в малосигнальном режиме, что расширяет полосу частот сигналов, воспроизводимых без превышения скорости нарастания выходного напряжения ОУ; транзисторов выходного каскада — в схеме ОЭ, а предоконечного — с разделенной нагрузкой в цепях эмиттеров и коллекторов. Последнее, кроме очевидного конструктивного преимущества — возможности размещения всех четырех транзисторов на общем теплоотводе, дает определенные преимущества по сравнению с выходным каскадом, в котором транзисторы включены по схеме ОК.

Основные технические характеристики УМЗЧ:

Номинальный диапазон частот при неравномерности АЧХ 2 дБ: 20 – 20000 Гц

Номинальная выходная мощность: 30 Вт/4 Ом (15 Вт/8 Ом)

Максимальная выходная мощность: 42 Вт/4 Ом (21 Вт/8 Ом)

Коэффициент гармоник при номинальной мощности в номинальном диапазоне частот: 0,01 %

Номинальное (максимальное) входное напряжение: 0,8 (1) В

Входное сопротивление: 47 кОм

Выходное сопротивление: не более 0,03 Ом

Относительный уровень шума и фона: -86 дБ

Амплитуда всплесков выходного напряжения при включении и выключении УМЗЧ: 0,1 В

Описание

ОУ DA1 питается через транзисторы VT1 и VT2, которые снижают напряжения питания до требуемых значений. Токи покоя транзисторов создают падения напряжения на резисторах R8 и R9, достаточные для обеспечения необходимого напряжения смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6. При этом напряжения смещения для транзисторов оконечного каскада выбраны такими (0,35-0,4 В), чтобы они оставались надежно закрытыми при повышении напряжения питания на 10-15 % и перегреве на 60-80 °С. Снимаются они с резисторов R12, R13, которые одновременно стабилизируют режим работы транзисторов предоконечного каскада и создают местные ООС по току.

Соотношение между сопротивлениями резисторов R11 и R4 цепи ООС выбрано из условия получения номинального входного напряжения, равного 0,8 В. Включение цепей внешней коррекции и балансировки ОУ для простоты на схеме не показано (об этом будет сказано в разделе, посвященном налаживанию усилителя).

ФНЧ R3C2 и ФВЧ C3R10 с частотами среза в области 60 кГц предотвращают работу сравнительно низкочастотных транзисторов VT3—VT6 на более высоких частотах во избежание их пробоя. Конденсаторы С4, С5 корректируют ФЧХ предоконечного и оконечного каскадов, предотвращая их самовозбуждение при неудачном монтаже.

Катушка L1 повышает стабильность работы УМЗЧ при значительной емкостной нагрузке.

УМЗЧ питается от нестабилизированного выпрямителя. Он может быть общим для обоих каналов стереоусилителя, однако в этом случае емкость конденсаторов фильтра С8 и С9 необходимо увеличить вдвое, а диаметр провода вторичной обмотки трансформатора Т1 — в 1,5 раза. Предохранители включают в цепи питания каждого из усилителей.

Конструкция УМЗЧ может быть различной, однако некоторые конструктивные особенности, от которых зависит успех его повторения, должны быть обязательно учтены.

Печатная плата одного канала усилителя:

Длина выводов деталей должна быть не более 7-10 мм (для удобства монтажа выводы ОУ DA1 укорачивают примерно до 15 мм). В УМЗЧ необходимо использовать керамические конденсаторы с номинальным напряжением не менее 50 В. Плату можно закрепить на теплоотводе транзисторов оконечного каскада с помощью стоек высотой 15-20 мм или в непосредственной близости от него, применив для соединения оконечного каскада с предоконечным какой-либо разъемный соединитель, например МРН-22 (гнезда и штыри соединителя включают в точках 1—5). В последнем случае сопротивление резисторов R12 и R13 следует выбрать равным 43-47 Ом, а на розетке соединителя с подключенными к ней транзисторами VT5, VT6 установить резисторы такого же сопротивления R12′ и R13′ (это предотвратит выход из строя транзисторов при потере контакта в соединителе). Длина проводников между платой и транзисторами оконечного каскада должна быть не более 100 мм.

Кроме указанного на схеме, в УМЗЧ можно применить ОУ К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1А, однако коэффициент гармоник на частотах выше 5 кГц возрастет в этом случае примерно до 0,3 %.

Транзисторы предоконечного каскада располагают на теплоотводе, согнутом из пластины размерами 70х35х3 мм (без учета лапки с отверстием диаметром 2,2 мм) из алюминиевого сплава, которую одним винтом М2х8 с гайкой крепят к плате для предотвращения обрыва выводов транзисторов при случайных механических воздействиях.

Транзисторы оконечного каскада можно расположить как на общем для каждого канала УМЗЧ теплоотводе, так и на теплоотводе, общем для обоих каналов. В первом случае их закрепляют на теплоотводе и изолируют последний от корпуса УМЗЧ, во втором — изолируют транзисторы, а теплоотвод может представлять собой конструктивный элемент корпуса усилителя. Для уменьшения теплового сопротивления корпус транзистора — теплоотвод необходимо использовать теплопроводную пасту. При использовании отдельных (для каждого канала) теплоотводов можно применять транзисторы в пластмассовом корпусе, которые из-за малой площади металлических оснований могут перегреваться при плохом выполнении прокладок или неплотном тепловом контакте с теплоотводом и чрезмерном количестве пасты в зазоре. На общем для обоих каналов теплоотводе целесообразно устанавливать транзисторы в металлическом корпусе. Площадь теплоотвода в расчете на один транзистор должна быть не менее 500 см2.

Большое значение имеет монтаж УМЗЧ, соединение его каналов с источником питания. Провода питания (+22 В, -22 В и общий) должны быть возможно более короткими (к каждому каналу они должны быть проложены отдельно) и достаточно большого сечения (при максимальной мощности 42 Вт — не менее 1,5 мм2). Проводами такого же сечения должны быть подключены акустические системы, а также цепи эмиттеров и коллекторов транзисторов оконечного каскада к плате УМЗЧ.

Налаживают УМЗЧ при отключенном оконечном каскаде. Если для соединения частей УМЗЧ применен разъемный соединитель, удобно воспользоваться технологической розеткой, к которой подсоединены только провода питания и выход генератора сигналов ЗЧ. При , непосредственном соединении оконечных транзисторов с платой УМЗЧ достаточно удалить перемычки из припоя с печатных проводников цепей их баз и временно припаять последние к выводам эмиттеров.

Для балансировки ОУ DA1 (если в этом возникнет необходимость) на плате предусмотрены отверстия под подстроечный и постоянные резисторы или проволочные перемычки для соединения выводов микросхемы в соответствии со схемой балансировки для конкретного типа. Например, для балансировки ОУ К544УД2 его выводы 1 и 8 через резистор сопротивлением 62 кОм соединяют с выводом движка и одним из выводов резистивного элемента подстроечного резистора сопротивлением 22 кОм. Свбодный вывод этого резистора соединяют проволочной перемычкой с выводом 7 ОУ, а через резистор сопротивлением 75 кОм — с выводом 5 (на рис. 2 эти элементы показаны штриховыми линиями). При использовании ОУ К544УД1 его вывод 1 через резистор сопротивлением 4,3 кОм соединяют с выводами подстроечного резистора сопротивлением 1,5 кОм. Его свободный вывод подключают к выводу 8 ОУ через резистор сопротивлением 5,1 кОм, а к выводу 7 — проволочной перемычкой. Для балансировки ОУ К140УД6 и К140УД7 используют резисторы тех же номиналов, но свободный вывод подстроенного резистора соединяют через постоянный резистор с выводом 5, а перемычкой — с выводом 4 ОУ. Впрочем, балансировка может и не понадобиться, поэтому эти детали устанавливают только при необходимости.

Налаживание начинают с того, что вход усилителя замыкают накоротко, к выходу подсоединяют осциллограф, включенный в режим максимальной чувствительности, и кратковременно подают питание. Если на выходе нет переменного напряжения, т.е. самовозбуждение отсутствует, измеряют режим работы транзисторов VT3, VT4 и ОУ DA1 по постоянному току. Напряжения питания ОУ должны лежать в пределах +13,5…14 и -13,5…14 В и быть примерно одинаковыми (отклонение допустимо в пределах 0,2-0,3 В). Падения напряжения на резисторах R12 и R13 должны быть равны 0,35-0,4 В. Если же они значительно (более чем на 10 %) отличаются от указанной величины, необходимо подобрать резисторы R8, R9, следя за тем, чтобы их новые сопротивления оставались одинаковыми. Заменяют резисторы при выключенном питании УМЗЧ. Ориентировочное сопротивление резисторов для ОУ К544УД2А указано на схеме. При использовании ОУ К544УД1А и К140УД6 за исходное следует выбрать их сопротивление 680 Ом, а при использовании К140УД7 — 560 Ом.

Подобрав резисторы R8, R9, измеряют постоянное напряжение на выходе УМЗЧ и, если оно превышает 20-30 мВ, балансируют ОУ DA1. Затем подсоединяют базы транзисторов VT5, VT6 к эмиттерам VT3, VT4 и, кратковременно включив питание, убеждаются, что и в таком виде УМЗЧ не самовозбуждается. Напряжение шумов и фона переменного тока при замкнутом накоротко входе не должно превышать 1 мВ.

Далее к выходу УМЗЧ подключают резистор сопротивлением 16 Ом с мощностью рассеяния 10-15 Вт, размыкают вход УМЗЧ, подключают к нему настроенный на частоту 1 кГц генератор и, постепенно увеличивая его сигнал до получения на нагрузке напряжения 13,5-14 В, проверяют симметричность ограничения положительных и отрицательных полуволн синусоиды.

Минимального (в указанных пределах) постоянного напряжения на выходе усилителя добиваются при необходимости окончательной балансировкой ОУ DA1. После этого можно приступить к измерению основных характеристик УМЗЧ, нагрузив его номинальной нагрузкой — резистором сопротивлением 4 или 8 Ом.

Следует, однако, учесть, что попытка наладить, а тем более точно оценить параметры УМЗЧ, собранного без соблюдения указанных выше правил монтажа, не установив его на предназначенное для него место и не питая его от собственного блока питания, не только не даст желаемого результата, но и может привести к выходу из строя транзисторов выходного каскада. К налаживанию УМЗЧ и измерению его характеристик следует приступать только после полного завершения его конструкции. Простота усилителя только кажущаяся. Не следует забывать, что в составе как ОУ DA1, так и УМЗЧ в целом применены транзисторы с максимальными частотами генерации 100-300 МГц, причем в выходных каскадах — со значительными емкостями переходов, которые способны привести к самовозбуждению даже при кажущемся отсутствии цепей обратной связи и нагрузок достаточной величины. Незначительная индуктивность провода цепи эмиттера, параллельное расположение на значительной длине проводов цепей базы и коллектора могут стать причиной самовозбуждения на высоких частотах, что крайне опасно для транзисторов оконечного и предоконечного каскадов. (Впрочем, это справедливо не только для описываемого устройства, но и для УМЗЧ, собранного по любой другой схеме.)

При измерении коэффициента гармоник и относительного уровня шумов и помех следует помнить о возможных наводках со стороны питающей сети, теле- и радиопередатчиков, телевизоров и других радиоприборов из-за плохой экранировки соединительных проводов, входа УМЗЧ и чувствительных измерительных приборов, а также при отсутствии соединения их незаземленных корпусов друг с другом. Иногда достаточно переставить в розетке вилку кабеля питания одного из приборов или УМЗЧ, чтобы получить неверный результат. Кстати, не следует пользоваться известным из старой радиолюбительской практики способом проверки УМЗЧ прикосновением пальца к его входной цепи. Это может привести к такому уровню высокочастотных наводок, что выходные транзисторы выйдут из строя.

Рассмотренная схема может быть взята за основу при создании УМЗЧ с различной выходной мощностью. Для этого надо лишь изменить ряд элементов УМЗЧ и блока питания. Некоторые рекомендации по этому поводу можно почерпнуть из таблицы. При постройке УМЗЧ с выходной мощностью примерно 25 Вт часть элементов можно исключить (см. рис. 3). Как видно, вместо резистора в цепи неинвертирующего входа ОУ DA1, соединенного с общим проводом, здесь применен делитель из резисторов R1—R3, что позволило отказаться от среднего вывода вторичной обмотки сетевого трансформатора Т1. Это позволяет использовать трансформаторы с напряжением вторичной обмотки 24-28 В и обеспечивает защиту акустической системы от выхода из строя при пробое одного из транзисторов оконечного каскада.

УМЗЧ по схеме на рис. 3 можно смонтировать на той же печатной плате (см. рис. 2). В этом случае отверстия под выводы резисторов R2, R5—R7 оставляют свободными, резисторы R8 и R9 впаивают непосредственно в цепи питания ОУ DA1, для чего в отверстия под выводы эмиттеров и коллекторов транзисторов VT1, VT2 устанавливают проволочные перемычки. При выходной мощности менее 25 Вт в оконечном каскаде можно применять транзисторы серий КТ805 и КТ837 с любыми буквенными индексами.

Примечание. Сопротивления резисторов R8, R9 (УМЗЧ по схеме на рис. 1) и R6, R7 (УМЗЧ по схеме на рис. 3) указаны ориентировочно. Налаживание УМЗЧ по схеме рис. 3 не отличается от описанного выше.

Автор: Гумеля Е.