Практические схемы усилителей мощности

Ну вот мы и подошли к самому интересному - усилки на практике. Сперва рассмотрим голимый (но рабочий) усилок, пригодный, пожалуй, для целей обучения.

Рис. 1 - Бестрансформаторный выходной каскад на составных БТ,
работающий в режиме В

Здесь и объяснять нечего. Транзисторы, как видно, работают без смещения на базах, т. е. в режиме В, да к тому же включены по составной схеме. Нагрузка включена в точке соединения кондеров С2, С3, которые образуют искусственную среднюю точку, следовательно, разделительный кондер не нужен. Выходные транзисторы включены по схеме с ОК.

Эта схема была так, для разогрева. Чуть ниже, на рисунке 2 показан довольно неполохой усилок, несмотря на свою простоту. Он был одним из первых, собранных мною.

Рис. 2 - Усилитель мощности с выходным каскадом на
квазикомплементарной паре транзисторов

Эта схема была опубликована чёрти когда в приложении к журналу "Радио", которое называлось "В помощь радиолюбителю". Ни номера, ни автора я не помню.

Довольно простая схемка. Транзисторы VT1, VT2 образуют входной дифференциальный каскад. На транзисторе VT3 собран усилитель напряжения, в коллекторной цепи которого включен источник тока на транзисторе VT4. Он является динамической нагрузкой каскада на транзисторе VT3. Выходной каскад собран на транзисторах VT8, VT9, предвыходной - на транзисторах VT6, VT7. Выходные транзисторы одного типа проводимости. Транзистор VT5 служит для термокомпенсации режима работы выходного каскада и должен быть закреплен на их радиаторе. Стабилитрон VD1 обеспечивает эмиттерную стабилизацию дифференциального каскада. Кондер С2 предотвращает самовозбуждение каскада на транзисторе VT3. Его емкость возможно придется подобрать, хотя вполне достаточно 50-200 пФ. Резиком R5 устанавливают ток покоя выходного каскада в пределах 15-20 мА. Цепь L1R12R13C4 предотвращает самовозбуждение усилителя на высоких частотах. В принципе резик R12 там и нахрен не второхтелся, просто на нём намотана катушка L1, которая может содержать 20-30 витков провода ПЭВ-2 0,8 - 1,2. Да и катушку если впадлу мотать, то ничего страшного не будет. Резик R7 образует ООС по постоянному току, резик R8 и кондер С3 - ООС по переменному току. Свойством дифференциального каскада является поддержание близкого к нулевому потенциала постоянной состовляющей на выходе усилка. Если по каким-либо причинам на выходе потенциал станет отличным от нулевого, то это изменение передается через резик R7 на один из входов дифференциального каскада, и на выходе устанавливается нулевой потенциал.

Усилитель питается от двуполярного источника. Ахтунг: нагрузка включается непосредственно к выходу усилка и если один из транзисторов выходного каскада пробьет, то из динамика повалит вонючий дым.

При указанном на схеме напряжении питания усилок отдает в нагрузку сопротивлением 4 Ом мощу в 25 Ватт. Если поднять напряжение питания, можно увеличить выходную мощность. При этом необходимо подобрать транзисторы на соответствующее напряжение. В принципе, усилок довольно неплохо работал даже в экстремальных ситуациях.

Эту схему можно немного видоизменить. Как? Очень просто. Параметры дифференциального каскада несколько улучшатся, если в его эмиттерную цепь втулить источник тока, например, на полевом транзисторе, как показано на рис. 3.

Рис. 3 - Усилитель мощности с питанием дифференциального каскада
от источника тока на полевом транзисторе

Все в этой схеме точно такое же, как и в предыдущей, за исключением эмиттерной стабилизации дифференциального каскада на транзисторах VT1, VT2. Дифференциальный каскад питается от стабилизатора тока на полевом транзисторе VT3. Это повышает стабильность работы каскада. Есть и ещё один момент: у транзисторных усилителей есть одно такое свойство - переходные процессы в момент включения источника питания, что проявляется в виде щелчка. Длительность переходных процессов составляет где-то 1 сек. Для устранения этого нежелательного эффекта применяют устройства задержки включения громкоговорителей, по сути представляющие собой реле времени с задержкой в 1-2 сек. Применение полевого транзистора даже в дифференциальном каскаде позволяет избежать этого неприятного эффекта, поскольку ПТ обладает более гладкой переходной характеристикой. Причем и в момент выключения щелчков также не будет. Вообще, работа усилителя становится более "мягкой".

Можно пойти ещё дальше, а именно заменить источник тока на транзисторе VT6 таким же, как и в дифференциальном каскаде. Для тех, кто в танке, просто убрать резик R5, диоды VD1, VD2, транзистор VT6 и резик R8, а вместо них к эмиттеру транзистора VT5 подключить полевой транзистор с резиком соединенные так, как показано на рис. 3. Ну а если выходной транзистор VT9 заменить его комплементарной парой, то есть транзистором другого вида проводимости (в данном случае транзистором КТ818Г), подключив его базу к эмиттеру (а не коллектору!) транзистора VT7, выкинув резик R10, а на его место поставив резик R11 (коллектор VT7 на минус питания), то получится схема, которая была описана в журнале "Радио" аж за 1979 год (Иваненко В. Усилитель мощности НЧ. - Радио, 1979, № 12, с. 52-53). Вот так из одной схемы сделали другую.

Теперь ещё один вариант усилка с дифференциальным каскадом (рис. 4). Он несколько проще предыдущих.

Рис. 4 - Усилитель мощности с входным дифференциальным каскадом

Здесь аналогично предыдущим схемам на входе используется дифференциальный каскад. Транзистор VT3 выполняет функции усилителя напряжения. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают смещение на базах предвыходного каскада VT4, VT5. Диоды VD3-VD6 предназначены для защиты выходного каскада от перегрузок. При перегрузке Диоды VD3-VD6 просто шунтируют эмиттерные переходы выходных транзисторов. В принципе, всё остальное как в предыдущих схемах.

Для стабилизации теплового режима выходных транзисторов диоды VD1, VD2 необходимо установить на теплоотвод выходных транзисторов. Усилитель при указанном напряжении питания отдает мощность до 60 Вт на нагрузку 4 Ом. Номинальная мощность 50 Вт при коэффициенте гармоник 0,07%. Для схемы характерен выход из строя выходных транзисторов вследствие теплового пробоя. Поэтому рекомендую вместо КТ818Г и КТ819Г использовать транзисторы в металлическом корпусе КТ818ГМ и КТ819ГМ или снизить напряжение источника питания.

На рис. 5 показана схема довольно простого усилителя, обладающего, тем не менее, достаточно хорошими параметрами. Этот усилитель работает у меня уже в течении 3-х лет и ни разу не ремонтировался. Усилитель работал круглосуточно в течении 2-х и более суток. Итак, схема:

Рис. 5 - УМЗЧ с глубокой ООС

Схема из журнала "Радио" №10 за 1989 г. автор Акулиничев И. Т.

Предоконечный усилитель УМЗЧ - двухкаскадный с высокоомным инвертирующим входом. Неинвертирующий вход служит для балансировки напряжения питания, источник которого не имеет гальванической связи с общим проводом. Транзисторы VT1, VT2 первого каскада предоконечного усилителя включены по схеме составного эмиттерного повторителя. База транзистора VT3, заблокированная емкостью кондера С3, подключена к резистивной цепи R6R7R8. Работающий во втором каскаде транзистор VT4 включен по схеме ОЭ. Совместно с источником тока на транзисторах VT5, VT6 обеспечивает более линейное усиление максимальных уровней звукового сигнала. Источник тока выполняет также функции стабилизатора токового режима предоконечного усилителя. Дифференцирующая цепочка C5R2C6, включенная между входной и выходной цепями усилителя, предотвращает его самовозбуждение и с помощью кондера С8 позволяет сместить частотный срез АЧХ за пределы воспроизводимого диапазона звуковых частот. Оконечный каскад усилителя построен на комплементарных парах транзисторов, включенных по схеме ОК. Для стабилизации токового режима и демпфирования коммутационных процессов на входе оконечного усилителя УМЗЧ включен транзисторный шунт VT7, VT8, управляемый напряжением на базах транзисторов выходного каскада VT11, VT12. Такой способ стабилизации обеспечивает работоспособность УМЗЧ при трехкратном снижении напряжения его питания. Питается УМЗЧ от автономного выпрямителя, подключенного к отдельной обмотке сетевого трансформатора.

Налаживают УМЗЧ путем установки тока покоя в пределах 15-20 мА (с помощью резистора R12 или R13).

Номинальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом - 16 Вт, на нагрузке 4 Ом - 24 Вт, диапазон воспроизводимых частот - 20...20 000 Гц.

Теперь этот же усилитель, но с операционным усилителем (ОУ) во входном каскаде:

Рис. 6 - Усилитель мощности

Выходной каскад аналогичен предыдущей схеме. Во входном каскаде используется ОУ К574УД1. Ток покоя устанавливается резистором R8 в пределах 3-5 мА. Питание осуществляется от стабилизированного источника. Номинальная мощность на нагрузке 4 Ом - 15 Вт при коэффициенте гармоник на частоте 20 кГц 0.05-0.07%.

На рисунке 7 показана схема усилителя, выходной каскад которого работает в режиме В ("Радио", №3 1990 г.).

Рис. 7 - Усилитель с выходным каскадом, работающим в режиме В

Транзисторы входного каскада VT1, VT2 включены по схеме с динамической нагрузкой. Коллекторной нагрузкой транзистора VT1 служит внутреннее сопротивление транзистора VT2, а коллекторной нагрузкой транзистора VT2 - внутреннее сопротивление транзистора VT1. Внутренние сопротивления этих трнзисторов достаточно велики, так как транзисторы включены по схеме с ОЭ и охвачены местной ООС по току, создаваемой резисторами в цепи эмиттеров. В результате, несмотря на то, что выходы каскадов на транзисторах VT1 и VT2 по переменному току включены параллельно и шунтируют друг друга, выходное сопротивление первого каскада достигает большой величины - около 0,5 МОм - и приращения коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2, вызванные воздействием входного сигнала, практически полностью уходят в базовые цепи транзисторов VT3 и VT4 в зависимости от знака приращения.

Транзисторы предвыходного каскада VT3, VT4 также включены по схеме с ОЭ, охвачены ООС по току через резистор R14 и имеют большие внутренние сопротивления. Следовательно, для выходных транзисторов VT5, VT6 они являются источниками тока. Усиленный транзисторами VT3, VT4 ток полностью уходит в базовые цепи транзисторов VT5, VT6 и усиливается ими. Положительный полупериод синала усиливается транзисторами VT1, VT3, VT5, отрицательный - транзисторами VT2, VT4, VT6. На нагрузочном сопротивлении усиленные сигналы складываются, и на нём откладывается напряжение, пропорциональное коллекторным токам транзисторов VT5, VT6. Таким образом, конечным результатом работы является усиление напряжения, хотя все транзисторы усиливают токи.

Постоянные смещения на базах транзисторов VT1, VT2 создаются с помощью резисторного делителя R4-R7. Резистором R4 потенциал их коллекторов приравнивается к потенциалу средней точки (общий провод). На базы транзисторов VT3, VT4 подано небольшое постоянное смещение 0,8...1 В (по 0,4...0,5 В на каждый транзистор). Оно недостаточно для открывания транзисторов, но значительно снижает порог их открывания напряжением сигнала. Цепь R12C6 уменьшает коммутационные искажения.

Транзисторы предвыходного каскада необходимо установить на теплоотводы с площадью около 40 см² каждый. Транзисторы выходного каскада устанавливаются на общий теплоотвод с площадью 300 см². Усилитель при напряжении питания ±15 В на нагрузке 4 Ом развивает мощность 15 Вт. Входное сопротивление 2 кОм. Другие схемы, не только усилителей, можно найти здесь