Усилитель для бас-гитары. Часть 2. Усилитель мощности.
Часть 1.
Во второй части статьи будет рассмотрено изготовление усилителя мощности. Так как выходная мощность усилителя по тех. Заданию должна составлять 150-200 Вт, то тут уже и схемотехника будет посерьезнее. От интегральных усилителей (типа TDA, STK) решено было отказаться, так как с такими мощностями они уже не справляются, а городить огород с мостовыми и параллельными включениями микросхем тоже не особо хотелось. Начался поиск схемных решений. Соблазном было попробовать усилитель класса D, был изучен материал вот отсюда www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/06_11/stat_52.htm и вот отсюда www.radiokot.ru/circuit/audio/amplifier/03/, но схемотехника у них сложновата да и всяких подводных камней там навалом, так что не вариант. После долгих поисков и сложных умозаключений был выбран самый простой и оптимальный вариант, взятый вот отсюда www.interlavka.narod.ru/nabor/nabmosfit.htm
Схема приведена ниже.
Усилитель решено было делать с двумя парами выходных транзисторов, как раз получалась мощность около 200 Вт, работать он будет с двумя динамическими головками с сопротивлением катушки по 8 Ом, соединенные параллельно.
Основные параметры усилителя
Максимальная выходная мощность.............200 Вт
Напряжение питания ........................40-45 В
THD для нагрузки 4 Ома и 90 %
от максимальной выходной
мощности не более..........................0,02%
Коф усиления...............................33Дб
Параметры весьма неплохие для такого схемного решения.
Рассмотрим как работает данная схема
Данный усилитель имеет предварительный буферный усилитель напряжения, выполненый на операционном усилителе TL071 и двукаскадный двухтактный усилитель мощности.
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.
Поскольку последний каскад усилителя работает в усилительном режиме, то входя в режим насыщения сопростивление между выходом усилителя 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 зависти практически от напряжения питания и отличается на пару вольт в отличии от усилителей с эмиттерными повторителями на выходе. 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. 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%, но если напряжение питания сети снизится на 10 %, то на выходе усилителя уже гарантированно появится ступенька, а если повысится на 10%, то ток покоя уже будет составлять 0,40 А, а выделяемая на каждом транзисторе мощность повысится на холостом ходу. Я для избавления от этой проблемы выставил ток покоя оконечного каскада при настройке около 22-25 ма.
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. Усилитель охвачен общей ООС, коф усиления усилителя можно расчитать по формуле R33 / R2 + 1, в данном слечае составляет 47 раз (33 дБ). В небольших пределах можно изменять R2 для получения требуемого коф усиления, однако превышать коф усиления выше 37 дБ не рекомендуется (R2 не должен быть меньше 680 Ом). С принципом работы разобрались, можно и собирать.
На том же сайте дана печатная плата для этого усилителя, но она рассчитана на установку 4 пар выходных транзисторов. Мне такой мощи не надо и я доработал слегка печатку, ликвидировав лишние места для транзисторов и соответствующие дорожки. Резисторы R3 и R4 лучше пересчитать, в зависимости от напряжения питания усилителя. Микросхема TL071 потребляет ток 10..12 Ма, следовательно из закона Ома высчитываем напряжение питания минус напряжение стабилитрона делим на ток потребления операционника и получаем нужный номинал резистора. например питание 45 вольт: (45-15)/0,01= 3000 ом. Резистор ставим на 3Ком. Чтобы ток покоя у всех выходных транзисторов был одинаковый их желательно подобрать в пары. Делается это очень просто.Можно довольно неплохо подобрать обычным мультиметром именно полевики. В соответствии какой поливик Р или N проводимости например берём irf 9240 ставим мультиметр в режим прозвонки диодов и плюсовым щупом на сток (средний вывод) а минусовой на затвор (крайний левый, если плассмассовой частью на себя, а фланцем отсебя), а затем переносим щуп с затвора на исток, мультиметр покажет цыфры, например 312, вот по приблизительно одинаковым показателям и можно таким образом подобрать. Естественно при подборе irf240 меняем полярность щупов. Ну у 240-х эта цыфра может быть в пределах скажем 188, это так и должно быть.Подбираем одинаковые только по плечам. То есть одинаковые 240-е и одинаковые 9240-е. Я подбирал прямо на радиорынке. Тоесть получаеться ёмкость полевика заряжаем, а затем меряем сопротивление открытого канала.
Вот собственно фото собранной платы. На дорожки питания и выхода был дополнительно наплавлен слой припоя для увеличения сечения проводников.
Способ крепления транзисторов к радиатору из оригинальной статьи мне не понравился, в глаза бросилось слишком тесное расположение выходников, транзисторы образовывали некий эпицентр тепла, которое неэффективно «расползалось» по всему радиатору, проблему решил некоторым удалением друг от друга транзисторов на радиаторе. Радиаторы были взяты от силовых диодов, к ним же крепится и вентилятор.
Вот фото
Транзисторы соединяются с платой толстыми короткими проводами.
Вот все в сборе.
Так, теперь надо делать блок питания. Блок питания обычный двухполярный. Теперь встала проблема — где взять силовой трансформатор? ТС 180 и ТС270 под рукой небыло, но было железо и каркасы для катушек от сгоревшего транса с какого-то прибора. Вот фото.
Ну мотать, так мотать! Транс рассчитывал в программе PowerTrans. Ввел туда размеры сердечника, напряжения и ток вторичных обмоток. Обмотки три. Две для питания усилителя по 32 В, одна для питания вентилятора и блока защиты и индикации на 15В. Посчитала мне эта программа количество витков первички и вторички. Стал мотать. Намотал одну половину первички на одной катушке, вторую на второй. Решил включить в сеть через ЛАТР без вторичек и померять ток холостого хода. Включаю, довожу напряжение на ЛАТРа до 220 В, а транс дико гудит и амперметр показывает ток около 400 мА. Для транса с габаритной мощностью около 300 Вт это многовато, немного надурила программа расчета, но не беда, разобрал транс, домотал на каждую катушку по 70 витков, сфазировал обмотки, замер показал ток холостого хода около 120 мА. Самое то! Намотал поверх десять витков провода, померил напряжение на этой обмоточке и расчитал по новой количество витков на вольт.
Вот фото транса с намотанными первичками. Изолировал слои термостойкой изолентой, а межобмоточную изоляцию сделал сентифлексом.
Намотал вторичные обмотки, включил, проверил, погонял под нагрузкой — полет нормальный, ничего не дымит и не греется. Вот транс в сборе.
Диодный мостик использовал импортный, 35 амперный. Конденсаторы фильтра расположены на печатной плате, где собран бп для лампового преампа(см. часть1)
Так, теперь подключаем плату усилителя к блоку питания, силовой трансформатор в сеть через лампочку. При включении лампочка мигнула и погасла, значит все нормально, никаких ошибок в сборке нет. Теперь параллельно резистору R19 подключаем вольтметр и измеряем падение напряжения. Подстроечным резистором R7 добиваемся минимально падения напряжения. Далее включаем в сеть уже без лампы и этим же подстроечным резистором выставляем на вольтметре напряжение около 10 мв. Пересчитав по закону Ома ток получаем 30 мА. Это и будет ток покоя оконечного каскада. При этих манипуляциях вход усилителя должен быть закорочен на общий провод! Далее подключчаем вход усилителя к генератору низкочастотных сигналов, выставляем частоту примерно 1000Гц, выход усилителя соединяем с эквивалентом нагрузки (можно резистор мощный проволочный на 4 или 8 ом). Вот у меня такой эквивалент нагрузки
К эквиваленту нагрузки подключаем осциллограф, включаем усилитель и смотрим форму сигнала на выходе. Если синусоида чистая, без всякой высокочастотной модуляции, то все в порядке, если нет, то это возбуждение. При возбуждении еще будет сильно греться резистор R16. Самовозбуждение устраняется подбором емкостей C1, C5 или параллельно резистору обратной связи R33 поставить конденсатор емкостью 5-15 пф. Ну если все нормально, то можно увеличить уровень входного сигнала с генератора до тех пор, пока синусоида на экране осциллографа не начнет ограничиваться. Это будет максимальная амплитуда выходного сигнала. Можно теперь посчитать мощность по формуле
P = (0,707U)^2/Rн = U^2/2Rн
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока. При питании 45 вольт мощность составила порядка 185 Вт, что вполне достаточно для данной конструкции. Если на осциллограмме появится искажение типа «ступенька», как на картинке
то необходимо отрегулировать ток покоя до пропадания этого искажения.
Ну вот собственно и все. В последующей части будет рассмотрено устройство защиты и индикации, а также оформление всей конструкции в корпус.
вот печатная плата
Использованные ссылки
www.interlavka.narod.ru/nabor/nabmosfit.htm — основное описание
forum.cxem.net/index.php?showtopic=22538&st=0 — обсуждение на форуме
Удачи!
Во второй части статьи будет рассмотрено изготовление усилителя мощности. Так как выходная мощность усилителя по тех. Заданию должна составлять 150-200 Вт, то тут уже и схемотехника будет посерьезнее. От интегральных усилителей (типа TDA, STK) решено было отказаться, так как с такими мощностями они уже не справляются, а городить огород с мостовыми и параллельными включениями микросхем тоже не особо хотелось. Начался поиск схемных решений. Соблазном было попробовать усилитель класса D, был изучен материал вот отсюда www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/06_11/stat_52.htm и вот отсюда www.radiokot.ru/circuit/audio/amplifier/03/, но схемотехника у них сложновата да и всяких подводных камней там навалом, так что не вариант. После долгих поисков и сложных умозаключений был выбран самый простой и оптимальный вариант, взятый вот отсюда www.interlavka.narod.ru/nabor/nabmosfit.htm
Схема приведена ниже.
Усилитель решено было делать с двумя парами выходных транзисторов, как раз получалась мощность около 200 Вт, работать он будет с двумя динамическими головками с сопротивлением катушки по 8 Ом, соединенные параллельно.
Основные параметры усилителя
Максимальная выходная мощность.............200 Вт
Напряжение питания ........................40-45 В
THD для нагрузки 4 Ома и 90 %
от максимальной выходной
мощности не более..........................0,02%
Коф усиления...............................33Дб
Параметры весьма неплохие для такого схемного решения.
Рассмотрим как работает данная схема
Данный усилитель имеет предварительный буферный усилитель напряжения, выполненый на операционном усилителе TL071 и двукаскадный двухтактный усилитель мощности.
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.
Поскольку последний каскад усилителя работает в усилительном режиме, то входя в режим насыщения сопростивление между выходом усилителя 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 зависти практически от напряжения питания и отличается на пару вольт в отличии от усилителей с эмиттерными повторителями на выходе. 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. 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%, но если напряжение питания сети снизится на 10 %, то на выходе усилителя уже гарантированно появится ступенька, а если повысится на 10%, то ток покоя уже будет составлять 0,40 А, а выделяемая на каждом транзисторе мощность повысится на холостом ходу. Я для избавления от этой проблемы выставил ток покоя оконечного каскада при настройке около 22-25 ма.
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. Усилитель охвачен общей ООС, коф усиления усилителя можно расчитать по формуле R33 / R2 + 1, в данном слечае составляет 47 раз (33 дБ). В небольших пределах можно изменять R2 для получения требуемого коф усиления, однако превышать коф усиления выше 37 дБ не рекомендуется (R2 не должен быть меньше 680 Ом). С принципом работы разобрались, можно и собирать.
На том же сайте дана печатная плата для этого усилителя, но она рассчитана на установку 4 пар выходных транзисторов. Мне такой мощи не надо и я доработал слегка печатку, ликвидировав лишние места для транзисторов и соответствующие дорожки. Резисторы R3 и R4 лучше пересчитать, в зависимости от напряжения питания усилителя. Микросхема TL071 потребляет ток 10..12 Ма, следовательно из закона Ома высчитываем напряжение питания минус напряжение стабилитрона делим на ток потребления операционника и получаем нужный номинал резистора. например питание 45 вольт: (45-15)/0,01= 3000 ом. Резистор ставим на 3Ком. Чтобы ток покоя у всех выходных транзисторов был одинаковый их желательно подобрать в пары. Делается это очень просто.Можно довольно неплохо подобрать обычным мультиметром именно полевики. В соответствии какой поливик Р или N проводимости например берём irf 9240 ставим мультиметр в режим прозвонки диодов и плюсовым щупом на сток (средний вывод) а минусовой на затвор (крайний левый, если плассмассовой частью на себя, а фланцем отсебя), а затем переносим щуп с затвора на исток, мультиметр покажет цыфры, например 312, вот по приблизительно одинаковым показателям и можно таким образом подобрать. Естественно при подборе irf240 меняем полярность щупов. Ну у 240-х эта цыфра может быть в пределах скажем 188, это так и должно быть.Подбираем одинаковые только по плечам. То есть одинаковые 240-е и одинаковые 9240-е. Я подбирал прямо на радиорынке. Тоесть получаеться ёмкость полевика заряжаем, а затем меряем сопротивление открытого канала.
Вот собственно фото собранной платы. На дорожки питания и выхода был дополнительно наплавлен слой припоя для увеличения сечения проводников.
Способ крепления транзисторов к радиатору из оригинальной статьи мне не понравился, в глаза бросилось слишком тесное расположение выходников, транзисторы образовывали некий эпицентр тепла, которое неэффективно «расползалось» по всему радиатору, проблему решил некоторым удалением друг от друга транзисторов на радиаторе. Радиаторы были взяты от силовых диодов, к ним же крепится и вентилятор.
Вот фото
Транзисторы соединяются с платой толстыми короткими проводами.
Вот все в сборе.
Так, теперь надо делать блок питания. Блок питания обычный двухполярный. Теперь встала проблема — где взять силовой трансформатор? ТС 180 и ТС270 под рукой небыло, но было железо и каркасы для катушек от сгоревшего транса с какого-то прибора. Вот фото.
Ну мотать, так мотать! Транс рассчитывал в программе PowerTrans. Ввел туда размеры сердечника, напряжения и ток вторичных обмоток. Обмотки три. Две для питания усилителя по 32 В, одна для питания вентилятора и блока защиты и индикации на 15В. Посчитала мне эта программа количество витков первички и вторички. Стал мотать. Намотал одну половину первички на одной катушке, вторую на второй. Решил включить в сеть через ЛАТР без вторичек и померять ток холостого хода. Включаю, довожу напряжение на ЛАТРа до 220 В, а транс дико гудит и амперметр показывает ток около 400 мА. Для транса с габаритной мощностью около 300 Вт это многовато, немного надурила программа расчета, но не беда, разобрал транс, домотал на каждую катушку по 70 витков, сфазировал обмотки, замер показал ток холостого хода около 120 мА. Самое то! Намотал поверх десять витков провода, померил напряжение на этой обмоточке и расчитал по новой количество витков на вольт.
Вот фото транса с намотанными первичками. Изолировал слои термостойкой изолентой, а межобмоточную изоляцию сделал сентифлексом.
Намотал вторичные обмотки, включил, проверил, погонял под нагрузкой — полет нормальный, ничего не дымит и не греется. Вот транс в сборе.
Диодный мостик использовал импортный, 35 амперный. Конденсаторы фильтра расположены на печатной плате, где собран бп для лампового преампа(см. часть1)
Так, теперь подключаем плату усилителя к блоку питания, силовой трансформатор в сеть через лампочку. При включении лампочка мигнула и погасла, значит все нормально, никаких ошибок в сборке нет. Теперь параллельно резистору R19 подключаем вольтметр и измеряем падение напряжения. Подстроечным резистором R7 добиваемся минимально падения напряжения. Далее включаем в сеть уже без лампы и этим же подстроечным резистором выставляем на вольтметре напряжение около 10 мв. Пересчитав по закону Ома ток получаем 30 мА. Это и будет ток покоя оконечного каскада. При этих манипуляциях вход усилителя должен быть закорочен на общий провод! Далее подключчаем вход усилителя к генератору низкочастотных сигналов, выставляем частоту примерно 1000Гц, выход усилителя соединяем с эквивалентом нагрузки (можно резистор мощный проволочный на 4 или 8 ом). Вот у меня такой эквивалент нагрузки
К эквиваленту нагрузки подключаем осциллограф, включаем усилитель и смотрим форму сигнала на выходе. Если синусоида чистая, без всякой высокочастотной модуляции, то все в порядке, если нет, то это возбуждение. При возбуждении еще будет сильно греться резистор R16. Самовозбуждение устраняется подбором емкостей C1, C5 или параллельно резистору обратной связи R33 поставить конденсатор емкостью 5-15 пф. Ну если все нормально, то можно увеличить уровень входного сигнала с генератора до тех пор, пока синусоида на экране осциллографа не начнет ограничиваться. Это будет максимальная амплитуда выходного сигнала. Можно теперь посчитать мощность по формуле
P = (0,707U)^2/Rн = U^2/2Rн
где 0,707- коэффициент перевода амплитудного напряжения U синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока. При питании 45 вольт мощность составила порядка 185 Вт, что вполне достаточно для данной конструкции. Если на осциллограмме появится искажение типа «ступенька», как на картинке
то необходимо отрегулировать ток покоя до пропадания этого искажения.
Ну вот собственно и все. В последующей части будет рассмотрено устройство защиты и индикации, а также оформление всей конструкции в корпус.
вот печатная плата
Использованные ссылки
www.interlavka.narod.ru/nabor/nabmosfit.htm — основное описание
forum.cxem.net/index.php?showtopic=22538&st=0 — обсуждение на форуме
Удачи!
17 комментариев