|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Мощные усилители с режимом А+. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Усилители мощности транзисторные Среди экономичных вариантов режима выходного каскада УМЗЧ выделяется режим, получивший название А\ Это название отражает особенность структуры усилителя, когда каскад на мощных транзисторах в режиме А с низким и постоянным напряжением получает следящее питание от мощного каскада, работающего в более экономичном режиме - например, В, D, Е. Но замечательным отличием такой комбинации следует признать фильтрующие свойства каскада в режиме А по отношению к помехам и переключательным искажениям каскада, управляющего напряжением питания. О работе такого усилителя и варианте его построения на транзисторах и рассказано в этой статье. Известно, что УМЗЧ на транзисторах с выходным каскадом в режиме А позволяют достигать высокого качества звуковоспроизведения, не уступающего ламповым УМЗЧ на средних частотах. На краях диапазона рабочих частот УМЗЧ на транзисторах часто превосходят по качеству ламповые УМЗЧ из-за отсутствия выходного трансформатора. Ограничениями в широком распространении УМЗЧ с выходным каскадом в режиме А являются их высокая стоимость, значительные размеры и вес. Это - следствие усложнения конструкции, вызванного увеличением размеров и массы теплоотводов и блока питания из-за низкого КПД каскада. Стремление исследователей к одновременному достижению высоких качественных характеристик в УМЗЧ на транзисторах и высокого КПД привело в конце 70-х годов к созданию усилителей мощности с управляемым напряжением питания, в которых такой режим получил название А+ [1, 2]. Структура и принцип работы усилителя Структурная схема УМЗЧ с режимом А+ приведена на рис. 1.
Здесь фактически два усилителя, каждый из которых состоит из усилителей напряжения УН1 и УН2, а также усилителей мощности УМ1 и УМ2 с коэффициентами передачи по напряжению КU1-КU2-1. Общий коэффициент передачи по напряжению от входа до выхода определяется их цепями общих ООС. Обеспечение режима А+ достигается разными режимами работы УМ1 и УМ2. Так, УМ1 работает в режиме А (источник смещения не показан), обеспечивая высокое качество звуковоспроизведения. При этом относительно небольшая мощность, рассеиваемая в УМ1 обусловлена малым напряжением источников питания G3, G4, обычно не превышающим 4...5 В, что значительно меньше амплитуды выходного напряжения Uвых. УМ2 работает в режиме с высоким КПД за счет использования одного из высокоэффективных режимов: В, D или Е. Напряжение источников питания G5 и G6 равно и несколько выше амплитуды выходного напряжения Uвых2. Как видно из схемы на рис. 1, напряжение Uвых2 складывается с напряжением источников питания УМ1. Принцип работы поясняется эпюрами напряжений на рис. 2.
Примечательно, что напряжения Uк1 и UK2 на коллекторах VT1 и VT2 относительно общего с нагрузкой провода изменяются синфазно с выходным напряжением. При изменениях напряжения Uвых от нуля до +Uвых или -Uвых mах напряжения UK1 принимают значения, соответствующие от U3 (источника питания G3) до U3+(+Uвых max), а напряжение UK2 - от U4 (источника питания G4) доU4+(-Uвых max). При этом напряжения на транзисторах VT1 и VT2 практически неизменны: Uкэ1 = U3 = const; Uкэ2 = U4 = const. Для показанной структуры УМЗЧ с режимом А+ синфазность и равенство колебаний UBblx1 и UBblx2 достигаются за счет параллельного возбуждения УМЗЧ1 и УМЗЧ2, а также равенства коэффициентов передачи по напряжению при соотношении R2/R1=R4/R3. (1) Чтобы понять, насколько точно должно выполняться это условие, нужны некоторые уточнения. В частности, при соотношении R2/R1 > R4/R3 (2) изменения Uвых2 не соответствуют изменениям общего Uвых так как Uвых2 < Uвых. При этом UКэ1 и UКэ2 могут становиться меньше U3 и U4 что вызывает сильные искажения выходного напряжения. Таким образом, соотношение (2) недопустимо. При обратном неравенстве - R2/R1 < R4/R3 - изменения Uвых2 также не соответствуют изменениям UВыХ так как Uвых2 > Uвых. При этом напряжения UКэ1 и UКэ2 могут превышать U3 и U4 (рис. 2,б); это снижает КПД, но не вызывает искажений выходного напряжения. В результате уточненное соотношение принимает вид R2/R1 < R4/R3. Обычно допустимо рассогласование по напряжению в пределах 0,2...1 дБ (при фактическом разбросе сопротивлений резисторов до 2... 10%), что практически не оказывает влияния на КПД. Для оценки преимуществ применения УМЗЧ с режимом А+ по сравнению с УМЗЧ с режимом А в табл. 1 и 2 приведены результаты расчета мощности рассеяния выходных каскадов (РрасA+, и РрасA+).
Для этих режимов при RH = 4 Ом и 8 Ом и номинальных выходных мощностях Рвых 100, 50 и 25 Вт. При расчетах не учитывались мощности рассеяния в УН1 и УН2, так как они значительно меньше в сравнении с Ррас A+ и Ррас A. При расчете использованы формулы: РрасА Р0A+- Рвых =(2UgA·I0+ 2UGa·Iкoр)-Рвых, где РOA и РOA+ - мощность, потребляемая от источников питания для режимов А и А+; Рвых - выходная мощность; Uga и Uga+ - напряжения питания одного плеча выходного каскада для усилителя в режиме А и выходного каскада УМ1; I0 - суммарный ток покоя коллектора транзисторов выходного каскада для усилителя в режиме А и выходного каскада УМ1; IКсР - средний ток, потребляемый от источников питания для УМ2. Как следует из таблицы, эффективность использования УМЗЧ с режимом А+ повышается с ростом выходной мощности РВЫХ и более заметна при большем значении сопротивления нагрузки RH. И наоборот, при мощности Рвых< 25 Вт эффективность заметно снижается и применение режима А+ нецелесообразно Практическая реализация узлов УМЗЧ с режимом А+ возможна в различных вариантах. При первом из них в качестве УМЗЧ2 (для схемы рис. 1 это - УН2 + УМ2) можно использовать готовый УМЗЧ. При этом получение режима А+ достигается при некоторых изменениях в структурной схеме (рис. 3), вызванных необходимостью согласования фаз и усиления для УМЗЧ1 и УМЗЧ2. В зависимости оттипаУМЗЧ2 (инвертирующий или неинвертирующий вход) синфазность обеспечивается подключением источника входного сигнала через резистор R1 или R2 к соответствующему входу дополнительного усилителя напряжения на DA1 В качестве DA1 можно использовать ОУ с соответствующими характеристиками, сохраняющие устойчивость в режиме повторителя напряжения. Согласование по амплитуде достигается уточнением номинала R3.
Для схемы рис. 3 целесообразно выбирать R1=R2=R4. При построении УМЗЧ с режимом А+ в соответствии со структурными схемами на рис. 1 и 3 следует учитывать, что УМ, выполняет также и функцию фильтра искажений, возникающих в УМ2. Проникание этих искажений в выходной сигнал достаточно ослабляется, поэтому требования к линейности УМЗЧ2 могут быть существенно снижены и практически коэффициент гармоник может достигать 1.. .3%. В таком случае становится возможным использование в качестве УМЗЧ2 (для схемы на рис. 3) мощных микросхем. Например, при Рвых =100 Вт, Rн = 4 Ом или РвыХ = 50 Вт, Rн = 8 Ом, в качестве УМЗЧ2 можно рекомендовать микросхемы TDA7293, TDA7294. При неинвертирующем включении [3] следует соединить источник входного сигнала с инвертирующим входом DA1 (через R1), а неинвертирующий вход DA1 - с общим проводом (через R2). При снижении требований к искажениям УМЗЧ2 (по структуре на рис. 1) возможно существенное упрощение усилителя: исключив УН2, использовать УН1 как общий источник сигнала для УМ1 и УМ2. При таком упрощении целесообразно также и изменение цепи ООС: вместо общей можно ограничиться ООС только в УН1. Качество звуковоспроизведения при этом существенно улучшается за счет уменьшения влияния отклика от громкоговорителя [3]. Однако отказ от общей ООС приведет к небольшому увеличению выходного сопротивления УМЗЧ и, как следствие, к ухудшению ослабления помех (искажений) при колебаниях напряжения питания. Структурная схема упрощенного варианта УМЗЧ с режимом А+ приведена на рис. 4, из которого видно, что в этом случае равенства фаз и амплитуд для UBblx и UBblx2 выполняются автоматически. В некоторых случаях небольшая разница в коэффициентах передачи по напряжению (Kuум1 > Кuум2) вызвана различиями в режиме работы и выходного сопротивления этих повторителей. Это приводит, как уже отмечено ранее, к нарушению режима и росту нелинейных искажений. Рассогласование легко устраняется некоторым ослаблением сигнала на входе УМ, через дополнительный делитель на резисторах (на схеме не показаны).
Для этого варианта качественные характеристики УМЗЧ определяются главным образом качеством УН1 поэтому проектированию этого узла уделено наибольшее внимание. Схемотехника УМЗЧ с управляемым питанием При разработке схемотехнических решений усилителя использованы следующие принципы:
В приведенных здесь схемах УМЗЧ с целью упрощения не введены узлы защиты от короткого замыкания в нагрузке, от проникания постоянной составляющей на выход и от помех на выходе при коммутациях сетевого питания. В блоке питания отсутствует ограничитель импульсов тока в сети питания в момент включения. Один из возможных вариантов схемы УН, приведен на рис. 5.
Входной каскад - эмиттерный повторитель по схеме линейного "параллельного" усилителя [5] на транзисторах VT1 - VT4 обеспечивает необходимое согласование с источником сигнала. Далее следуют симметричные дифференциальные каскады усиления по напряжению на транзисторах VT8, VT12 и VT9, VT13, с генераторами токов на VT5 и VT6 соответственно. Основу УН, составляет симметричный усилитель с включением транзисторов по структуре ОБ-ОБ-ОК на транзисторах VT7, VT11, VT15 и VT10, VT14, VT16. Усилитель охвачен двумя цепями общей ООС: параллельной по переменному и постоянному напряжению - R14, С1, R13, а также последовательной по постоянному напряжению - R30, R31.C6, С7, DA1.R24. ООС по переменному напряжению обеспечивает заданное усиление по напряжению с малыми искажениями, а ООС по постоянному напряжению - автоматическую установку и стабилизацию нуля напряжения на выходе. Конденсатор С1 введен для коррекции АЧХ с целью обеспечения необходимого запаса по устойчивости. Основные технические характеристики УН1
Рекомендуемые варианты схем УМ1 и УМ2 приведены на рис. 6 и рис. 7 соответственно. Принцип их построения одинаков - мощные линейные "параллельные" усилители, аналогичные используемым в [6]. Различия между УМ, и УМ2 заключены в числе выходных транзисторов и режиме работы их выходных каскадов.
Работа УМ, (рис. 6) в режиме А обеспечивается за счет создания необходимого напряжения смещения для транзисторов VT5, VT7 и VT6, VT8, соответствующего току покоя I0 - 3 А. Автоматическая установка и термостабилизация тока покоя достигаются за счет ООС и основаны на стабильности напряжения на светодиоде при свечении в оптроне U1. Значение тока l0 при этом определяется по формуле l0 =Uд/(R11 + R12), где Uд - 1,22 В.
Делитель напряжения R1R2 на входе создает необходимое согласование коэффициентов передачи напряжения УМ1 и УМ2. Генераторы стабильного тока на транзисторах VT1 и VT4 (рис. 6) совместно с резисторами R3 - R7 задают режим по постоянному току каскадов на VT5, VT6. Интеграторы на DA1 (рис. 6 и 7) образуют цепь общей параллельной ООС по постоянному напряжению, стабилизируя нуль напряжения на выходах УМ, и УМ2. Диоды VD1 и VD2 (рис. 6 и 7) защищают выходные транзисторы от возможного появления напряжения с обратной полярностью. Работа УМ2 (рис. 7) в режиме В достигается соответствующим выбором режимов работы транзисторов VT1 - VT4 и сопротивления резисторов R3- R7. Исследования возможных изменений значений тока l0 при допустимых в характеристиках VT1 - VT4 и разбросах сопротивления R4 - R7 в пределах ±10% показали, что этот ток может изменяться в интервале 0...5 мА для каждого из выходных транзисторов VT7, VT9, VT11 и VT8, VT10, VT12. Основные технические характеристики УМ1 и УМ2
Ток, потребляемый УМ, от источника питания ±5 В, в режиме покоя равен 3 А, а при Рвых = 100 Вт амплитуда тока через транзисторы достигает 5,5 А. Ток, потребляемый УМ2 от источника ±50 В, в режиме покоя близок нулю, а при Рвых = 100 Вт ток через транзисторы достигает 5 А. Вариант схемы блока питания для одного канала УМЗЧ с режимом А+ приведен на рис. 8. В нем выпрямитель напряжением ±50 В предназначен для УМ2 (U5 и U6 на рис. 7), а также для питания УМ1 (U1 и U2 на рис. 5); выпрямитель с напряжением ±5 В - для питания УМ1 (U3 и U4 на рис. 6); выпрямитель стабилизированного напряжения ±15 В - для входных каскадов УН1 (см. рис. 5).
Трансформатор питания Т1 рассчитан на передачу мощности не менее 200 Вт. Основные технические характеристики УМЗЧ с режимом А+
Детали и конструкция В усилителе использованы детали отечественного производства: резисторы МЛТ либо С2-23, С2-33, С2-36 с отклонением не более ±10%. Резисторы R11 и R12 (см. рис. 6) - С5-16В с допустимым отклонением ±2%. Выбор типа резисторов некритичен. Разделительные конденсаторы С1 (см. рис. 6, 7) и С2, C3 (см. рис. 6), С7 (см. рис. 7) - пленочные К73-17. Конденсаторы емкостью 2,2 мкФ и блокировочные С10, С11 (см. рис. 6), С4, С5 (см. рис. 7) - КМ-6 (группа ТКЕ - Н90). В блоке питания применены конденсаторы серий К50-6, К50-35, К50-37 и КМ-6 (Н90). Конденсаторы К73-17 могут быть заменены любыми другими с аналогичными свойствами диэлектрика. Конденсаторы серии КМ - на любые другие с малой индуктивностью. Транзисторы КТ3107Г и КТ3102ГМ - соответственно на КТ3107 и КТ3102 с любой буквой или другие с соответствующей структурой проводимости при допустимых значениях Uкэ max > 20 В, Iк max > 20 мА, Pк max> 150 мВт, fт> 50 МГц. Мощные транзисторы КТ9115А заменяемы другими - КТ9115Б или аналогичным структуры р-n-р с допустимыми значениями UКэmax>150 В, IК max > 30 мА, Ркmax> 400 мВт, fT> 50 МГц. Вместо транзисторов КТ969А можно применить КТ940 с индексами А - В или любой другой структуры n-р-n c Ukэ max > 150 В, I К max> 30 мА, Рк max> 400 мВт, fT > 50 МГц, вместо КТ850А - КТ850Б или любой другой структуры n-р-n c UKэ max > 150 В, lK max > 2 А, Рк max> 10 Вт, fT> 5 МГц. В выходном каскаде, кроме транзисторов КТ851А, пригодны КТ851Б или другие структуры p-n-p c UKэ max> 150 В, lк max > 2 А, РК max> 10 Вт, fT> 5 МГц; вместо КТ8101А - КТ8101Б, КТ8101В или другие структуры n-p-n с допустимыми параметрами и Кэ max> 150 В, lK max> 10 А, Рк max > 100 Вт, fT > 5 МГц; вместо КТ8102А - КТ8102Б или другие структуры р-n-р с параметрами иКэ max> 150 В, Iк max> ю А, Рк max> 100 Вт, fT 5МГц. Диоды КД21ЗА заменяемы аналогичными с любым буквенным индексом, а также КД2997В, КД2998В или другими с Uобр max> 150 В, lcp> 3 A, fmax> 100 кГц. Вместо АЛ307НМ можно установить любой светодиод с излучением в видимой части спектра. Микросхемы ОУ КР140УД708 допустимо заменить другими с внутренней коррекцией, обеспечивающими необходимые параметры и сохраняющими стабильность при Кu = +1 без требований по скорости нарастания. В качестве интегральных стабилизаторов на выходное напряжение +15 В можно использовать также КР142ЕН8Е или любой другой с lвых max> 1 А, на напряжение -15 В - любой с Iвых max > 1 А. Оптроны АОТ128В заменяемы аналогичными с индексами Б, Г либо АОТ127 с индексами А - В или другими оптопарами светодиод-транзистор. При выборе конструкции теплоотводов для транзисторов выходного каскада в УМ1 следует учитывать допустимый нагрев корпусов транзисторов до 100...110°С без опасности уменьшения их эксплуатационной надежности. Это возможно вследствие значительного превышения предельно допустимой мощности рассеяния на коллекторе транзисторов по отношению к действующей. Теплоотводы при этом оказываются достаточно малых размеров и веса. Достижение высокого отношения сигнал/шум (100 дБ и более) для УМЗЧ с режимом А+ зависит от амплитуды пульсаций напряжения источников питания G3 и G4 для УМ1 (см. рис. 3, 4), а также от выбора режима работы УМ, (тока покоя l0) и типов выходных транзисторов. При необходимости следует использовать стабилизацию этих напряжений с учетом максимального тока каскада при полной мощности в нагрузке. Если требуемая мощность в нагрузке менее 100 Вт, достаточно уменьшить напряжения источников питания до соответствующего значения (см. таблицу в первой части статьи). При снижении напряжения питания для сохранения режимов работы по постоянному току нужно пропорционально уменьшить сопротивления резисторов R9, R23 в УН, (см. рис. 5) и R3 - в УМ2 (см. рис. 7). Кроме того, следует увеличить R11 и R12 в УМ1 (см. рис. 6) для получения l0, соответствующего выходной мощности. Рассмотрев примеры построения УМЗЧ с режимом А+ можно сформулировать следующие выводы. 1. УМЗЧ с режимом А+ имеет существенные преимущества перед УМЗЧ в обычном режиме А по КПД при сравнимом качестве звуковоспроизведения. 2. Конструкция УМЗЧ с режимом А+ может быть различной, в том числе с использованием готового УМЗЧ или любых других составляющих УН1, УМ1, УМ2. Предложенный вариант схемы отличается простотой и рассчитан на широкий диапазон изменения максимальной выходной мощности и применение более мощных полупроводниковых приборов. 3. Использование в системе звуковоспроизведения УМЗЧ с режимом А+ обеспечивает лучшее качество при применении "акустического" кабеля с соответствующими характеристиками. Литература
Автор: А.Сырицо, г.Москва
Кислотность океана разрушает зубы акул
03.10.2025 Почтовый космический корабль Arc
03.10.2025 Лазерное обогащение урана
02.10.2025
▪ Болеутоляющее свойство музыки ▪ Миниатюрная плата Tah для управления электронными устройствами по Bluetooth ▪ Добыча полезных ресурсов на Луне
▪ раздел сайта Переговорные устройства. Подборка статей ▪ статья Пушечное мясо. Крылатое выражение ▪ статья Когда изобрели лампы? Подробный ответ ▪ статья Тримараны Стриж. Личный транспорт ▪ статья Электронное реле стеклоочистителя для Жигулей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники: