СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ МОСФИТ

        Не смотря на примитивную схемотехнику данный усилитель мощности имеет довольно не плохие характеристики, приятное звучание и в середине восьмидесятых был запатентован (инфа по номеру патентаи и автору погибла вместе с жестким диском - пардон). С тех пор элементная база изменилась довольно сильно и схему получилось упростить сохранив саму идею и получив лучшие характеристики без снижения надежности. Принципиальная схема усилителя мощности с использованием полевых транзисторов в оконечном каскаде приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Усилитель мощности МОСФИТ. Принципиальная схема УВЕЛИЧИТЬ

    Усилитель имеет 4 подмодификации, отличающиеся друг от друга выходной мощностью и может на нагрузк 4 Ома выдавать 100, 200, 300 и 400 Вт. Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате, причем сколько ватт выдаст усилитель зависит именно от длины платы, поскольку плата выполнена таким образом, что позволяет изменять количество устанавливаемых оконечных транзисторов.
    Данный усилитель мощности имеет предварительный буферный усилитель напряжения, выполненый на операционном усилителе TL071 и двукаскадный двухтактный усилитель мощности - именно мощности, поскольку производится усиление и по току и по напряжению. Схемотехника выходного каскада построена таким образом, что по сути представляет собой два независимых усилителя - для положительной полуволны звукового сигнала (VT1 - драйвер, VT3, VT5, VT7, VT9 - оконечники) и для отрицательной полуволны (VT2 - драйвер, VT4, VT6, VT8, VT10 - оконечники). Оба усилителя охвачены своими местными отрицательными обратными связями: R13-R9 и R14-R10, от соотношения номиналов этих резисторов и зависит коф усиления данного каскада. В данном случае он выбран таким образом, чтобы получить минимальные искажения в этом каскаде и менять номиналы не рекомендуется (R13 и R14 - лучше не менять, R9 и R10 могут быть от 27 до 43 Ом, оптимально - 33 или 39 Ом). Поскольку последний каскад усилителя работает в усилительном режиме, то входя в режим насыщение сопротивление между выходом усилителем и источником питания становится мнимально возможным (0,2-0,5 Ома). Именно это позволяет усилителю по отношению к традиционным усилителям с эмиттерными повторителями на выходе иметь значительно больший КПД, поскольку амплитуда выходного сигнала практически от напряжения питания отличается на пару вольт в отличии от усилителей с эмиттерными повторителями на выходе (рисунок 2-а амплитуда выходного сигнала данного усилителя, 2-б - амплитуда усилителя мощности VL).

Рисунок 2-а

Рисунок 2-б

    Кроме местной отрицательной обратной связи (ООС) весь усилитель охвачен другой веткой ООС - R32-R2, от номиналов которой зависит коф усиления всего усилителя. В данном случае коф усиления при этих номиналах равен Ku = R32 / (R2 + 1) . При указананных на схеме номиналах коф усиления составляет примерно 48 раз или чуть больше 33 дБ, а уровень THD не превышает 0,04% при выходной мощности 300 Вт (4 пары оконечных транзисторов и питание ±65 В).
    Перечень необходимых для самостоятельной сборки усилителя мощности элементов сведен в таблицу:

    Чертеж печатной платы в формате LAY можно скачать здесь, расположение деталей на плате показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Расположение деталей на печатной плате усилителя мощности МОСФИТ УВЕЛИЧИТЬ
ВЗЯТЬ В ФОРМАТЕ LAY

    Внешний вид собранного варианта усилителя мощности на 400 Вт с полевыми транзисторами IRFP240 и IRFP9240 показан на рисунке 4. На плате установлены оригинланые транзисторы и подбирать их по параметрам практически не пришлось - было достаточно, что они из одной партии. В данном усилителе мощности одинаковоть параметров наиболее актуальна, поскольку транзисторы работают в усилительно режиме.

Рисунок 4 Внешний вид усилителя мощности МОСФИТ на 400 Вт

    Как видно из фотографии оконечные транзисторы установлены не совсем традиционно - они развернуты внутрь платы и крепятся к теплоотводу через имеющиеся в плате отвертия, диаметр которых позволяет пропустить через них крепеж вместе с головкой (винты или саморезы диаметром 3 мм). Такая компjновка позволила существенно сократить размеры печатной платы усилителя.
    Из особеностей усилителя так же следует отметить, что фланцы оконечных транзисторов соеденены между собой и выходом усилителя, поэтому при использовании небольших теплоотводов с принудительным охлаждением можно не использовать диэлектрические прокладки а изолировать радиатор от корпуса. При использование теплоотводов с естественной конвекцией воздуха размеры теплоотвода уже становяться довольно большими и подавать на них выход усилителя не рекомендуется - слишком большие наводки он будет создавать, что при неудачном монтаже плат в корпусе может вызвать возбуждение усилителя даже не смотря на его довольно жесткую устойчивость.

        На рисунке 5 и 6 приведены схемы усилителя с картами напряжений для варианта усилителя на 200 Вт при напряжении питания усилителя ±45 В и двумя парами оконечных транзисторов и усилителя на 400 Вт при напряжении питания ±65 В. Оба варианта нагружены на эквивалент акустической системы (желтый прямоугольник) и используют в качестве источника питания не идеальные источники питания, имеющие свое собственное сопротивление.

Рисунок 5 Карта напряжений усилителя мощности на 200 Вт и питании ±45В


Рисунок 6 Карта напряжений усилителя мощности на 400 Вт и питании ±65В

    Пожалуй стоит заметить, что в модели использовались транзисторы IRF640-IRF9640, как ближайшие аналоги IRFP240-IRFP9240, но с меньшей мощностью рассеиваниея кристалом тепла, поскольку имеют корпус ТО-220 против ТО-247. Тем не менее IRF640-IRF9640 в симмуляторе полностью справились с возлагаемыми на них задачами, а так же могут быть использованы в усилителе в качестве оконечных транзисторов. Однако, при использовании корпусов ТО-220 не следует забывать, что можность одного корпуса ТО-220 не должна превышать 60 Вт, в отличии от корпуса ТО-247 - до 100-120 Вт. Другими словами - при использовании в качестве оконечных транзисторов IRF640-IRF9640 с усилителя с четырмя парами снимать более 240 Вт не рекомендуется.
    На рисунках 7 и 8 схемы усилителей с картами токов, потекающих через каждый элемент усилителя в режиме покоя (входной сигнал отсутствует).

Рисунок 7 Карта токов усилителя мощности при напряжении питания ±45 В.


Рисунок 8 Карта токов усилителя мощности при напряжении питания ±65 В.

    Ток покоя оконечного каскада следует выставлять в пределах 30-40 мА - этого вполне достаточно для полного исчезновения искажений "ступенька" и технологического запаса на повышение напряжения питания. Пожалуй об этом стоит сказать отдельно:
    Данный усилитель не имеет ни каких токостабилизирующих цепочек, следовательно при изменении напряжения питания будут изменяться и режимы работы оконечного каскада - при увеличении питания ток покоя будет увеличиваться, при снижении - уменьшаться. Особого значения это не имеет, если напряжение сети изменяется в пределах 5% или для усилителя используется стабилизированный блок питания, но если напряжение питания сети снизится на 10 %, что на перефирии случается довольно часто, то на выходе усилителя уже гарантированно появится ступенька, а если повысится на 10%, то ток покоя уже будет составлять 0,45 А, а выделяемая на каждом транзисторе мощность (при питании ±65 В + 10% и четырех парах оконечников) составит порядка 30 Вт, что в итоге вызовет выделение тепла порядка 200 Вт, причем это на холостом ходу.
    Именно по этой причине рекомендуется этот усилитель использовать в качестве широкополосного при не изменном напряжении питания, либо в качестве усилителя для сабвуфера и установкой тока покоя в пределах 15-20 мА. При снижении питания появившуюся "ступеньку" низкочастотная динамическая головка просто не в состоянии воспроизвести за счет инерционности дифузора, а при повышении ток покоя останеться в пределах допустипого и такого сильного разогрева теплоотвода не произойдет.
    В качестве термостабилизирующих элементов используются диоды VD3-VD4, которые могут быть установлены как на радиатор, так и оставаться на печатной плате - мгновенного разогрева все равно не происходит, поэтому скорости разогрева платы, установленной над радиатором вполне хватает. На рисунке 8 показаны тока, протекающие в каскадах при температуре 20°С, а на рисунке 9 - при температуре 60°С, т.е. температура увеличилась в 3 раза.

Рисунок 8 Токи в каскадах усилителя мощности при температуре 20°С


Рисунок 9 Токи в каскадах усилителя мощности при температуре 60°С

    Поскольку оконечный каскад усилителя имеет свой собственный коф усиления ОЧЕНЬ важно обеспечить на входе этого каскада напряжение максимально приблежонное к нулю, поскольку как видно из рисунков 5 и 6 постоянное напряжение на выходе операционного усилителя величиной в 13 мВ на выходе усилителя уже приобретает величину в 66 мВ, т.е. увеличивается практически в 5 раз. Микросхемы от различных производителей имеют разное напряжение постоянной составляющей на выходе усилителя соответсвенно будет тоже отличаться довольно значительно и если постоянное напряжение на выходе усилителя больше 0,05-0,08 В, то придется либо искать микросхему другого типа, либо другого производителя, причем не гарантия, что новая микросхема будет по этим параметрам лучше той, которая уже стоит.
    Поэтому стоит обратиться в даташнику на TL071, в котором имеется принципиальная схема самого операционного усилителя. Изучив внимаетльно описание становится понятным, что производитель предусмотрел подобную ситуацию и вполне разумно вывел точки балансировки на выводы микросхемы (выводы 1 и 5 рисунка 10).

Рисунок 10 Принципиальная схема операционного усилителя TL071

    Подстроечный резистор лучше выбрать многооборотным и установить его непосредственно на корпус микросхемы распаяв выводы резистора на балансирующие выводы микросхемы, а движок резистора соединить с минусовым выводом питания.
    Мнение о том, что постоянное напряжение может возникать из за разбросов параметров транзисторов драйверного каскада не совсем верно. Усилитель мощности охвачен довольно хорошей ООС и посотянное напряжение остается не изменным даже при использовании не комплементарных пар в драйверном каскаде, а так же при отличии номаналов резисторов R9 и R10 на 10 % относительно необходимых (R9 составлял 36 Ом, а R10 - 30 Ом). Во всех экспериментах только увеличивался уровень THD, но ни как не изменялась величина постоянного напряжения на выходе усилителя.
    Модели для МИКРОКАП-8 можно взять ЗДЕСЬ.

        Несколько слов об ошибках монтажа:
    В целях улучшения читаемости схем расмотрим усилитель мощности с двумя парами оконечных полевых транзисторов и питании ±45 В.
    В качестве первой ошибки попробуем "запаять" стабилитроны VD1 и VD2 не правильной полярностью (правильное включение показано на рисунке 11). Карта напряжений приобретет вид, показанный на рисунке 12.

Рисунок 11 Цоколевка стабилитронов BZX84C15 (впрочем и на диодах цоколевка такая же).


Рисунок 12 Схема усилителя с картой напряжений при неправильном монтаже стабилитронов VD1 и VD2.

    Данные стабилитроны нужны для формирования напряжения питания операционного усилителя и выбраны на 15 В исключительно из за того, что это напряжение является для данного операционного усилителя оптимальным. Работоспособность без потери качества усилитель сохраняет и при использовании рядом стоящих по линейке номиналов - на 12 В, на 13 В, на 18 В (но не более 18 В). При неправильном монтаже вместо положенного напряжения питания опреционный усилитель получает лишь напряжение падения на n-p переходе стаблитронов. Ток покая регулируется нормально, на выходе усилителя присутсвует небольшое постоянное напряжение, выходной сигнал отсутсвует.
    Так же возможен не правильный монтаж диодов VD3 и VD4. В этом случае ток покоя ограничивается лишь номиналами резисторов R5, R6 и может достигать критической величины. Сигнал на выходе усилителя будет, но довольно быстрый нагрев оконечных транзисторов однозначно повлечет их перегрев и выход усилителя из строя. Карта напряжений и токов дляэтой ошибки показаны на рисунка 13 и 14.

Рисунок 13 Карта напряжений усилителя при неправильном монтаже диодов термостабилизации.


Рисунок 14 Карта токов усилителя при неправильном монтаже диодов термостабилизации.

    Следующей популярной ошибкой монтажа может быть неправильный монтаж транзисторов предпоследнего каскада (драйверов). Карта напряжений усилителя в этом случае приобретает вид, показанный на рисунке 15. В этом случае транзисторы оконечного касада полностью закрыты и на выходе усилителя наблюдается отсутсвие каких либо признаков звука, а уровень постоянного напряжения максимально приближен к нулю.

Рисунок 15 Схема усилителя с картой напряжений при неправильном монтаже транзисторов драйверного каскада.

    Далее самая опасная ошибка - попутаны местами транзисторы драйверного каскада, причем цоколевка тоже попутана в следствии чего прилагаемое к выводам транзисторов VT1 и VT2 является верным и они работают в режиме эмиттерных повторителей. В этом случае ток через оконечный каскад зависит от положения движка подстроечного резистора и может быть от 10 до 15 А, что в любом случае вызовет перегрузку блока питания и быстрый разогрев оконечных транзисторов. На рисунке 16 показаны токи при среднем положении подстроечного резистора.

Рисунок 16 Карта токов при неправильном монтаже транзистров драйверного каскада, цоколевка тоже попутана.

    Запаять "наоборот" вывода оконечных полевых транзисторов IRFP240 - IRFP9240 врядли получится, а вот поменять их местами получается довольно часто. В этом случае установленные в транзисторах диоды получаются в нелегкой ситуации - прилагаемое к ним напряжение имеет полярность соответсвующую их минимальному сопротивлению, что вызывает максимальное потребление от блока питания и как быстро они выгорят больше зависит от удачи чем от законов физики.
    Фейверк на плате может случиться еще по одной причине - в продаже мелькают стабилитроны на 1,3 Вт в корпусе таком же как у диодов 1N4007, поэтому перед монтажом стабилитронов в плату, если они в черном корпусе стоит повнимательней ознакомиться с надписями на корпусе. При монтаже вместо стабилитронов диодов напряжение питания операционного усилителя ограничено лишь номиналами резисторов R3 и R4 и потребляемым током самого операционного усилителя. В любом случае получившаяся величина напряжения значительно больше максимального напряжения питания для данного ОУ, что влечет его выход из строя иногда с отстрелом части корпуса самого ОУ, ну а дальше возможно появление на его выходе постоянного напряжения, близкого в напряжению питания усилителя, что повлечет появление постоянного напряжения на выходе самого усилителя мощности. Как правило оконечный каскад в этом случае остается работоспособным.
    Ну и на последок несколько слов о номиналах резисторов R3 и R4, которые зависят от от напряжения питания усилителя. 2,7 кОм является наиболее универсальным, однако при питании усилителя напряжением ±80 В (только на 8 Ом нагрузку) данные резисторы будут рассеивать порядка 1,5 Вт, поэтому его необходимо заменить на резистор 5,6 кОм или 6,2 кОм, что снизит выделяемую тепловую мощность до 0,7 Вт.

Э   К   Б BD135;  BD137

З   И   С IRF240 - IRF9240

    Данный усилитель заслуженно обрел своих поклоников и начал обретать новые версии. Прежде всего изменению подверглась цепочка формирования напряжения смещения первого транзисторного каскада. Кроме этого в схему была введена защита от перегрузки.
    В результате доработок принципиальная схема усилителя мощности с полевыми транзисторами на выходе приобрела следующий вид:

УВЕЛИЧИТЬ

    Варианты печатной платы приведены в графическом формате (необходимо масштабировать). Автором данной печатной платы являюсь не я, поэтому в формате LAY у меня ее нет.

    Внешний вид получившейся модификации усилителя мощности приведен на фотографиях ниже:

    Осталось в эту бочку меда плескануть ложку дегтя...
    Дело в том, что используемые в усилителе полевые транзисторы IRFP240 и IRFP9240 прекратила выпуск фирма разработчик International Rectifier (IR), которая прилагала больше внимания к качеству выпускаемой продукции. Основная проблема этих транзисторов - они разрабатывались для использования в источниках питания, но оказались вполне пригодными для звуковой усилительной аппаратуре. Повышенное внимание к качеству выпускамых компонентов со стороны International Rectifier позволяло не производя подбор транзисторов включать параллельно несколько транзисторов не беспокоясь об отличиях характеристик транзисторов - разброс не превышал 2%, что вполне приемлемо.
    На сегодня транзисторы IRFP240 и IRFP9240 выпускаются фирмой Vishay Siliconix, которая не так трепетно относится к выпускаемой продукции и параметры транзисторов стали пригодными лишь для источников питания - разброс "коф усиления" транзисторов одной партии превышает 15%. Это исключает параллельное включение без предварительного отбора, а количество протестированных транзисторов для выбора 4 одинаковы переваливает несколько десятков экземпляров.
    В связи с этим перед сборкой данного усилителя прежде всего следует выяснить какой фирмы транзисторы вы может достать. Если в Ваших магазинах в продаже Vishay Siliconix, то настоятельно рекомендуется отказаться от сборки данного усилителя мощности - Вы рискуете довольно серьезно потратиться и ни чего не добиться.
    Однако и работа по разработке "ВЕРСИИ 2" этого усилителя мощности и отсутствие приличных и не дорогие полевых транзисторов для выходного каскада заставили немного поразмышлять над будущим этой схемотехники. В результате был смоделирована "ВЕРСИЯ 3", использующая вместо полевых транзисторов IRFP240 - IRFP9240 фирмы Vishay Siliconix биполярную пару от TOSHIBA - 2SA1943 - 2SC5200, которые на сегодня еще вполне приличного качества.
    Принципиальная схема нового варианта усилителя вобрала доработки "ВЕРСИИ 2" и притерпела изменения в выходном каскаде, позволив отказаться от использования полевых транзисторов. Принципиальная схема приведена ниже:

Принципиальная схема усилителя с использованием полевых транзисторов в качестве повторителей УВЕЛИЧИТЬ

    В данном варианте полевые транзисторы сохранились, но они используются в качестве повторителей напряжения, что существенно разгружает драйверный каскад. В систему защиты введена небольшая положительная связь, позволяющая избежать возбуждение усилителя мощности на границе срабатывания защиты.
    Печатная плата так и не была разработана до финального варианта, поэтому только могу предложить график измерения THD, полученный МИКРОКАП. Подробнее о данной программе можно почитать ЗДЕСЬ.

        Так же были проведены тесты с использованием одной пары полевиков в оконечном каскаде типа IRF630-IRF9630 и питанием от ±20 вольт. Усилитель позиционировался как усилитель для наушников и показал превосходнийшие результаты - качество звучания впечатлило, прослушивалось на наушниках Sennheiser HD 558 (брал у знакомого) и аудикарте ASUS Xonar DX (это уже своя). Детализация просто потрясающая, ни где ни чего не зажато. В общем пока сидел в наушниках пол закапал слюной, но мне пока такие не по карману...

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НА МИКРОСХЕМАХ
УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НА ТРАНЗИСТОРАХ