Навигация
· Главная
· Архив новостей
· Лаборатория
· Личные сообщения
· Личный кабинет
· О нас
· Пользователи
· Справочник
· Статьи
· Форум
· Школа
· Энциклопедия

Hi-Fi усилитель своими руками




Так оставьте ненужные споры.
Я себе уже всё доказал:
Лучше гор могут быть только горы,
на которых ещё не бывал.

Из песни © В.С. Высоцкого
"Прощание с горами"


    Вначале было слово...

    Вот ведь болезнь заразная — аудиофилия. Много всего аудиофилами наговорено, к сожалению, действительно полезных и правдивых сведений там практически не встретишь, потому как больные часто бредят. Ну так и не будем описывать Луну цитатами из Герберта Уэлса, а сами туда слетаем и посморим, что там и как!

    Прежде всего, что же такое "Hi-Fi"? Это стандарт (англ. High Fidelity — высокая верность) на минимальные требования к звуковоспроизводящей аппаратуре. Первоначально его предложили немцы - DIN 45500, затем он был принят в качестве международного IEC 60581 (МЭК), который практически повторен в нашем ГОСТ 24388-88. Надо отметить, что требования стандарта несколько раз ужесточались. Попутно скажу, что так называемый "Hi-End" вообще не нормирован какими-либо документами. "Hi-End" всего-навсего изобретённый американскими маркетологами рекламный слоган для бытовой аудиоаппаратуры стоимостью более 1000-2000 $, которая кроме декоративных излишеств чаще всего никаких других достоинств не имеет. Но хватит об этом, переходим к делу!


Рассмотрим пример построения и расчёта одной из схем усилителей мощности звуковых частот (сокращённо - УМЗЧ)
    Хорошая штука операционные усилители (ОУ)! Номенклатура обширная, характеристики отличные, цена сравнима с транзисторами, да вот беда - напряжение питания в большинстве случаев ±15 В, что ограничивает выходное напряжение примерно на уровне ±10 В, выходное сопротивление тоже довольно большое - порядка нескольких кОм. Это не позволяет использовать ОУ непосредственно для работы на громкоговорители. Но у нас же ещё есть "Резерв главного командования" - мощные транзисторы! Только вот для получения большой мощности на выходе УМЗЧ им требуется довольно высокое напряжение питания. Ну и что? Делаем предварительный каскад на ОУ со стабилизированным питанием ±15 В, а транзисторный выход - с питанием нестабилизированным напряжением величиной, какое только нам выходные транзисторы позволят. Почему с нестабилизированным? Тут несколько причин: трудность реализации с приемлимыми характеристиками экономичности и качества высоковольтного стабилизатора достаточной мощности; также и тем, что вносимые питанием помехи и искажения в мощных каскадах практически гораздо менее существенны, чем в предварительных каскадах за счет разницы в отношении сигнал/помеха.
    Переходим непосредственно к схеме. Схема УМЗЧ выбрана двухполосной, что позволяет применить ОУ довольно с низкими частотными характеристиками. Вся схема фактически представляет собой инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью (ООС) и коэффициентом усиления, равным R2/R1. Коэффициент усиления не следует выбирать больше 10, что фактически при входном сигнале ±10 В даёт на выходе сигнал ±100 В. Полоса частот данного УМЗЧ практически ограничена только частотными характеристиками выходного каскада. Также надо отметить хорошую стабильность "нуля", обусловленную применением ОУ и оптимальными частотными характеристиками.

Принципиальная схема УМЗЧ

Принципиальная схема

Описание и расчёт схемы

    Для того, чтобы полоса частот в усилителе не ограничивалась характеристиками ОУ, входной сигнал подаётся на низкочастотный и высокочастотный тракты. Сигнал раскачки подаётся на эмиттеры транзисторов VT1 и VT2, которые образуют каскодные пары VT1-VT3 и VT2-VT4 на транзисторах противоположной структуры.
    Для начала зададим коллекторные токи транзисторов VT1—VT4 по 10 мА. В результате ток через резисторы R12, R13 должен быть 20 мА. В качестве VD1 и VD2 используем светодиоды с падением напряжения на них 1,6 В (большинство красных светодиодов). Данные светодиоды можно использовать одновременно в качестве индикаторов включения питания. Возможна также замена данных светодиодов на стабилитроны или стабисторы с соответствующим напряжением стабилизации, но тогда мы теряем функцию индикации включения питания усилителя.
    Учитывая падение напряжения на VD1 и VD2, равное 1,6 В на каждом и вычитая напряжения база-эмиттер на транзисторах VT3 и VT4 получаем напряжения на резисторах R12 и R13 по 1 В. Отсюда: делим падение напряжения на резисторах R12 и R13 (по 1 В) на заданный через них ток в 20 мА получаем R12=R13=1 В / 20 мА = 50 Ом. Ближайшее стандартное значение номинала сопротивления - 51 Ом.
При отсутствии сигнала ток через резисторы R5=R6 составляет примерно 0,6 В / R6. Именно на эту величину ток через резисторы R9, R10 должен превышать заданный коллекторный ток транзисторов VT1, VT2 (по 10 мА).
    Для наиболее эффективного использования источников тока на транзисторах VT3, VT4 нужно, чтобы их коллекторные токи изменялись от среднего значения в 10 мА на ±10 мА, т.е. чтобы диапазон их изменения составлял от 0 до 20 мА. Исходя из этого определим сопротивление резисторов R5=R6= 10 В / 10 мА = 1 кОм (совпадает со стандартным номиналом). Отсюда получаем ток через резисторы R5, R6 в состоянии покоя 0,6 В / 1 кОм = 0,6 мА, а через резисторы R9, R10 — (10+0,6)=10,6 мА. Следовательно, R9=R10=15 В / 10,6 мА = 1,4 кОм. Выбираем стандартное значение номинала 1,3 кОм.
    Расчёт сопряжения ОУ с оконечным каскадом на этом закончен. Теперь переходим к выходным транзисторам.
    Защита выходных транзисторов по току обеспечивается транзисторами VT5, VT6, базовые цепи которых подключены к датчикам тока R18, R19. В случае, если напряжение на базе транзистора VT5 или VT6 превысит 0,6 В (UБЭ ≈ 0,6 В), соответствующий транзистор откроется и зашунтирует переход база-эмиттер соответствующего выходного транзистора VT7 или VT8. Ток ограничения на выходе составит:

Iогр = UБЭ / R18 - ((Uп - Uвых)•R16) / (R14•R18)

    При работе этот ток возрастает вместе с током нагрузки, когда выходное напряжение приближается к величине питающего напряжения Uп. При условии R14•R18/R16 = Rн, ток ограничения при любых положительных значениях Uвых для транзистора VT7 или отрицательных для VT8 будет больше тока нагрузки на величину ΔI=UБЭ/R18-Uп/Rн. Задавшись величиной ΔI=(0,1...0,2)Imax и зная величины Uп и можно рассчитать сопротивление резистора R18 исходя из предыдущей формулы. Величину следует задавать минимально возможной. Далее, выбираем сопротивление резистора R16 в диапазоне от 200 до 800 Ом и определяем сопротивление R14=Rн•R16/R18. Т.к. схема симметричная, то: R14=R15, R16=R17, R18=R19.
    Максимальная мощность, рассеиваемая на каждом из транзисторов VT7, VT8 в рабочем режиме на НЧ при выбранном способе защиты составляет: Pmax=(U2БЭ•R14)/(4•R18•R16)=0,25Rн(UБЭ/R18)2.
Заметим, что в аварийном режиме, т.е. при КЗ выхода усилителя на землю, рассеиваемая на выходных транзисторах мощность не превысит (0,1...0,2)Imax•Uп, а при замыкании выхода усилителя на источник питания выходные транзисторы вообще закроются. Причем, это наступает в момент, когда Iогр=0, т.е. когда Uвых=Uп-UБЭ•Rн/R18. В реальных условиях VT7 запирается при Uвых менее минус(2...4) В, VT8 — при Uвых более +(2...4) В. По сравнению со схемой защиты без использования делителей R14-R17 применённая схема имеет очевидные преимущества: максимальная рассеиваемая мощность при замыкании выхода на землю составляет в 6-11 раз меньшую величину, а при замыкании на источник питания ещё вдвое меньшую.
    Из-за падения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ОУ при повышении частоты увеличиваются искажения сигнала. Поэтому надо принять меры к тому, чтобы ВЧ тракт начинал работать раньше, чем станут заметными искажения сигнала в НЧ тракте, выполненном на ОУ. Для этого частоту среза фильтра нижних частот (ФНЧ) на входе ОУ, образованного R3 и С2 следует выбирать около 10 кГц, т.е. R3=16 кОм, С2=1000 пФ. Частоту среза фильтра верхних частот (ФВЧ) R4C1 следует выбирать не выше 1 кГц, т.е. R4=20 кОм, С1=0,01 мкФ. Коэффициент усиления разомкнутого тракта ВЧ устанавливается резисторами R7, R8. Коэффициент усиления необходимо устанавливать совместно с выбором ёмкости С3=С4, так, чтобы при замкнутой цепи ОС всего усилителя достигался желаемый вид переходных процессов. В принципе в данной схеме можно достигнуть значения КНИ 0,005 %.
Для ОУ достаточно стандартной частотной коррекции. При возбуждении усилителя на высоких частотах её можно подавить введением базовые цепи транзисторов резисторов. Возможно, потребуется в случае индуктивного характера нагрузки подключить корректирующую RC-цепочку, а такжезашунтировать R2 конденсатором небольшой ёмкости, включенным последовательно с резистором сопротивлением 0,1R2.     Выходные транзисторы могут быть составными, что позволяет достичь хороших энергетических и качественных показателей. И напомню - про мощность резисторов забывать не стоит. Во-первых, она определяется током через резистор - P=I2•R, во-вторых - максимально допустимым напряжением на резисторе.



Литература:
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир 1982
2. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 89. — М.:ДОСААФ, 1985
3. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Советское радио, 1979

Вопросы по данной статье задаём в разделе нашего Форума «Статьи».

 









Опубликовано на: 2008-02-20 (19630 Прочтено)

[ Вернуться назад ]




Web-ring: электроника, электронные компоненты и приборы
rand prev next

ChipFind: поисковая система по поставщикам радиокомпонентов Rambler\'s Top100 Рейтинг@Mail.ru


Сайт оптимизирован для отображения в браузере Mozilla Firefox версии 2 и выше с разрешением 1024*768 точек и выше.

При неполадках с отображением кнопок, обновите проигрыватель Macromedia Flash.

PHP-Nuke Copyright © 2005 by Francisco Burzi. This is free software, and you may redistribute it under the GPL. PHP-Nuke comes with absolutely no warranty, for details, see the license.

Открытие страницы: 0.10 секунды
The Russian localization - project Rus-PhpNuke.com