Усилитель на N-канальных полевиках

[Alex Nikitin]

Схема усилителя здесь:

http://www.ant-audio.co.uk/circuits/MOSFET1.gif

Извините за не очень изящный рисунок от руки, но это всё, что я мог сделать в спешке. Потом как-нибудь сделаю в редакторе - или если у кого есть время, то помогите и перерисуйте. Надеюсь, что тем не менее всё понятно и читаемо.

Это переработанный вариант на основе схемы разработанного мной и уже давно снятого с производства усилителя Creek 4330 (выпуска примерно 1997 года) . Почти в точности такая схема у усилителя, который я и сейчас использую дома.

Как видите, схема довольно простая с небольшим количеством деталей.

Выходная мощность при питании +/- 35 Вольт примерно 40 Вт на 8 Омах, 65-70 Вт на 4 Ом.

Не показаны на схеме цепи питания, в том числе питания ОУ ( +/-15В) . Основной блок питания может быть от +/-25 до +/-35 Вольт с ёмкостью сглаживающих конденсаторов от 6800 до 10000 мкФ на два канала, защищённый плавкими предохранителями на 3-4 А ("медленными", с буквой Т) на ВХОДЕ выпрямительного моста, то есть последовательно с каждой половиной вторичной обмотки трансформатора. Выходные транзисторы помещены на теплоотвод с тепловым сопротивлением не больше 1-1,5 градусов на Ватт, закреплены прижимом сверху алюминиевым блоком 10х10х45мм, изоляция ОБЯЗАТЕЛЬНО слюдяная с теплопроводящей смазкой с обеих сторон. Q9 должен иметь хороший тепловой контакт (со смазкой) с теплоотводом выходных транзисторов и лучше всего прямо между ними. Величина R15 определяет крутизну температурной компенсации и может быть слегка изменена для другого типа выходных транзисторов. Теплоотвод желательно заземлить.

В целом рекомендую на выход поставить ещё последовательно цепь из резистора 3Вт 1 Ом параллельно с намотанными на него 10 витками эмалированного провода диаметром 1 мм. Это в целом обеспечит хорошую стабильность на реактивной нагрузке даже при не слишком удачной разводке.

Вот пока и всё.

Алексей

[PSV]

Тоже была такая мысль,но при такой защите транзисторы (по даташитам) всё равно выскакивают из ОБР.

[Alex Nikitin]

Тоже была такая мысль,но при такой защите транзисторы (по даташитам) всё равно выскакивают из ОБР.

Не надо забывать, что ток ограничен и источник питания просаживается. С этими резисторами выходной каскад выдерживает КЗ достаточно долго для перегорания "медленных" предохранителей во вторичке трансформатора. Убить MOSFET реально можно только двумя способами - перегреть или пробить затвор. Резисторы существенно помогают предотвратить и то и другое. Разумеется, они не способны защитить транзисторы при долговременном КЗ, но это и не нужно при наличии предохранителей или системы отключения выхода при перегрузке БП.

Алексей

[PSV]

или системы отключения выхода при перегрузке БП.

Что это за система?

Не надо забывать, что ток ограничен и источник питания просаживается.

Понятно,не стоит увлекаться мощными трансами и большими электролитами.

Убить MOSFET реально можно только двумя способами - перегреть или пробить затвор. Резисторы существенно помогают предотвратить и то и другое.

Алексей,как они помогают не пробить затвор?
Ещё один неприятный момент.Эти резисторы уменьшают Uds выходных транзисторов,что ведёт к увеличению межэлектродных емкостей.А ведь ещё будет и просадка БП.По крайней мере в симуляторе видно увеличение искажений на частоте 10кгц и больших амплитудах на выходе.
Такая защита хороша в промышленных вариантах,для защиты от "дурака",где можно немного пожертвовать качеством в угоду надёжности (ИМХО конечно ).

[Maniac]

Для предотвращения пробоя затвора ставят стабилитрон (с диодом), иногда он уже встроен в корпус транзистора. А у применененного HUF-a я его не нашел. Стоит ли ставить в схему стабилитроны? И как может это повлиять на звук?
И еще, посмотрел даташиты, вроде как вместо экзотического ZPV3310 можно поставить более распространенный bss92. Но что-то возможно потребуется менять в схеме...

Ещё один неприятный момент.Эти резисторы уменьшают Uds выходных транзисторов,что ведёт к увеличению межэлектродных емкостей.

Ну да, согласен. Тут наверно можно чутка поднять питание выходиков, и не доводить усилитель до клиппинга
Кстати, эта "болезнь" полевиков выражается, по моему, в "размазывании" звука на предельных мощностях (сам экспериментировал).

И еще вопрос. Почему не поставили резисторы в эмиттеры дифкаскада?

[Alex Nikitin]

Что это за система?

Я тут её показывал в соседней ветке, но сейчас мой сайт всё ещё лежит и она недоступна. Мне уже вчера обещали, что вот-вот всё починят, но пока ёще не работает. Может к вечеру.

Понятно,не стоит увлекаться мощными трансами и большими электролитами.

Это зависит от мощности каскада. Должен быть разумный баланс .

Алексей,как они помогают не пробить затвор?

Дело в том, что я натолкнулся на это решение случайно. Я решил детально исследовать процессы, происходящие в выходном каскаде при КЗ и поставил эти два резистора просто как токовые датчики, правда по 0,05 Ома. Когда я посмотрел в деталях, что происходит, оказалось, что иногда возникает очень кратковременная перегрузка нижнего транзистора по напряжению на затворе - "игла" напряжения, которая, как выяснилось и приводила к разрушению транзисторов в серийных аппаратах. Похоже, что это было связано с кратковременным самовозбуждением при КЗ. Резисторы полностью убрали возможность возникновения этого эффекта, плюс они принимают на себя основную мощность теплового удара при КЗ. Я довольно скоро выяснил, что при увеличенных до 0,33-0,47 Ом номиналах этих резисторов выходной каскад не сгорает при относительно длительном КЗ. Я сначала ставил 3-х ваттные проволочные, но они выдерживали не больше 2-3 тепловых ударов, потом перегорали. С 6-ваттными "Meggit" импульсная рассеиваемая мощность оказалась достаточна для многих циклов работы в таком режиме. После того, как мы начали ставить эти резисторы в выходной каскад, у нас практически сошли на полный ноль отказы выходного каскада в эксплуатации, которые до этого были хотя и невелики в процентном отношении, но регулярны, в основном как результат КЗ на выходе.

Ещё один неприятный момент.Эти резисторы уменьшают Uds выходных транзисторов,что ведёт к увеличению межэлектродных емкостей.А ведь ещё будет и просадка БП.По крайней мере в симуляторе видно увеличение искажений на частоте 10кгц и больших амплитудах на выходе.

Этот эффект относительно мал, а искажения на уровнях, близких к ограничению, вообще не являются большой проблемой. Я неоднократно прослушивал усилители с одновременным контролем выходного сигнала на осциллографе. Так вот даже ограничение сигнала на пиках музыки становится сильно заметным на слух только когда оно частое и относительно длительное. И люди без особых раздумий выкручивают ручку громкости вправо и слушают музыку с удовольствием даже при явно обрезанных пиках.

Это, разумеется, приятно - иметь низкие искажения при полном размахе, но, как выясняется, не слишком важно в реальной жизни. Не забывайте, что разница между половиной и полной выходной мощностью - всего 3 дБ . Поэтому, как ни странно, куда важнее работа усилителя вблизи нуля, в области малого сигнала.

На слух результат установки этих резисторов заметен и, как ни странно, в целом скорее положителен. В самом начале я даже ставил перемычки, чтобы можно было бы быстро удалять эти резисторы из схемы, и прослушивание показало, что на больших громкостях с резисторами звук был скорее лучше, вероятно в результате более симметричного ограничения, а на малых громкостях их наличие практически не было заметно.

Такая защита хороша в промышленных вариантах,для защиты от "дурака",где можно немного пожертвовать качеством в угоду надёжности (ИМХО конечно ).

Как я уже сказал выше. "жертвы качеством" здесь не было. Скажем, присутствие даже очень низкоомных (0,05 Ом) резисторов в истоках, куда как заметнее.

Алексей

[ADDED=Alex Nikitin]1105517395[/ADDED]

Для предотвращения пробоя затвора ставят стабилитрон (с диодом), иногда он уже встроен в корпус транзистора. А у применененного HUF-a я его не нашел. Стоит ли ставить в схему стабилитроны? И как может это повлиять на звук?

Плохо. Как я сказал выше, с этими защитными резисторами этой проблемы нет совсем, даже при нештатных режимах вроде КЗ, а так от перегрузки по затвору транзисторы здесь защищены схемотехнически - напряжение на затворе не превысит удвоенного напряжения холостого хода.

И еще, посмотрел даташиты, вроде как вместо экзотического ZPV3310 можно поставить более распространенный bss92. Но что-то возможно потребуется менять в схеме...

Можно, но насколько я помню (я в своё время пробовал разные транзисторы в этом месте) он вёл себя хуже. Даже IRF9610 оказался лучше. К сожалению, выбор этого транзистора весьма важен. Возможно, что стоит попробовать и другие варианты - было бы интересно узнать о результатах.

Ну да, согласен. Тут наверно можно чутка поднять питание выходиков, и не доводить усилитель до клиппинга
Кстати, эта "болезнь" полевиков выражается, по моему, в "размазывании" звука на предельных мощностях (сам экспериментировал).

Я уже немного рассказал выше о моих собственных впечатлениях на эту тему. Мощность, разумеется, увеличивать полезно, но на самом деле разница будет не особо стоящей хлопот, (на мой взгляд ).

И еще вопрос. Почему не поставили резисторы в эмиттеры дифкаскада?

В этой схеме усиление с разомкнутой петлёй ООС и так не велико, и без усложнения схемы эти резисторы в целом ухудшают звук. В старшей модели (5350) я применил более сложный УН с двойным комплементарным дифкаскадом на входе и там эти резисторы имеются .

Алексей

[PSV]

Алексей,спасибо за столь развёрнутый ответ.

Скажем, присутствие даже очень низкоомных (0,05 Ом) резисторов в истоках, куда как заметнее.

Мне очень понравилось их отсутствие по сравнению с предыдущим вариантом.Без них выходные транзисторы долго не "хотят" входить в отсечку.При токе покоя 1а получаем амплитуду выходного тока 3.6а!(нижний график).По искажениям получаются очень интересные картинки,быстро спадающий спектр гармоник.Спектр характерный для усилителей класса А.Картинки сняты при вых мощности 40вт..Ниже картинка с тем-же током покоя и истоковыми резисторами по 0.1 ом

[AS79]

Картинки сняты при вых мощности

PSV, не совсем по теме , как правильно прикреплять картинки .wmf или .bmp? У меня был опыт выше , но неудачный.

А по теме ,видимо данная защита от КЗ для транзисторов с большим допустимым током, но если построить нагрузочную характеристику для 0.5 Ома то пересечение с вых.характеристской явно выше 30А ? Видимо рассчет на просадку БП , но как быть со скоростью нарастания тока БП ?Понижать не хотелось бы. А вот про пик возбуждения при КЗ это класс, не каждый может позволить себе такие экперименты.Алексей не зря Вас Арабаджи записал в число посвященных . И ещё , явно просится ОС с верхнего резистора в ИТ для стабилизации тока покоя ?

[Alex Nikitin]

А по теме ,видимо данная защита от КЗ для транзисторов с большим допустимым током, но если построить нагрузочную характеристику для 0.5 Ома то пересечение с вых.характеристской явно выше 30А ?

Применённые транзисторы рассчитаны на 50 А постоянного тока. Остальное интереснее рассматривать, исходя из запаса энергии в конденсаторах и реальной мощности трансформатора. Но из опыта эта система работает надёжно для рассматриваемой схемы вплоть до выходной мощности 2х50 Вт на 8 Ом и габаритной мощности трансформатора порядка 200 Вт.

Кстати, оригинальный трансформатор для этого усилителя при выходной мощности 2х40 Вт на 8 Омах - это тороид на 120 Вт с вторичными обмотками 2х25В холостого хода и 2х22В при нагрузке 3А . Как я уже сказал раньше, ёмкость конденсаторов блока питания - около 10000 мкФ на плечо, собранные из 3-х по 3300мкФ на 35 В (всего 6 конденсаторов на усилитель) .

Алексей

[PSV]

PSV, не совсем по теме , как правильно прикреплять картинки .wmf ? У меня был опыт выше , но неудачный.

.wmf не пробовал.У меня картинки .gif
Alex Nikitin,
Алексей,что скажешь по поводу IRFP150N на выходе?Есть ли какие противопоказания кроме бОльшего порогового напряжения?
Какие минусы в применении IRF9610 вместо ZETEXа кроме бОльших межэлектродных емкостей?

[Alex Nikitin]

Алексей,что скажешь по поводу IRFP150N на выходе?Есть ли какие противопоказания кроме бОльшего порогового напряжения?

Я уже ответил на этот вопрос раньше в этой ветке. Вкратце - их вполне можно применить, но потребуется изменение схемы - увеличение питающего напряжения для источника тока и УН, увеличение тока ИТ до 30-50 мА, замена R15 на ИОН 1,2В для корректной температурной компенсации тока покоя, соответствующее изменение R18, R20. С ними как раз придётся применить IRF9610, поскольку возрастёт рассеиваемая мощность. Полезно и Q10 заменить на такой же IRF9610 на радиаторе.

Какие минусы в применении IRF9610 вместо ZETEXа кроме бОльших межэлектродных емкостей?

В принципе вроде ничего существенного . Соответственно несколько увеличиваются требования к УН, но в целом такая замена работает.

Алексей

[PSV]

увеличение тока ИТ до 30-50 мА,

Алексей,зачем?По межэлектродным емкостям IRFы даже немного лучше HUFов.

замена R15 на ИОН 1,2В для корректной температурной компенсации тока покоя

Нельзя ли просто закоротить R15 ?

[Alex Nikitin]

Алексей,зачем?По межэлектродным емкостям IRFы даже немного лучше HUFов.

У них крутизна раза в 2-3 меньше, а сопротивление ЗИ придётся увеличить вдвое при том же токе ИТ. То есть для сохранения временных параметров (скорости нарастания/спада выходного тока) по сути надо уменьшить ЗИ сопротивление вдвое, а напряжение на нём вдвое увеличить. Это приведёт к необходимости увеличения тока ИТ в 4 раза. Кроме этого, IRFP250, которые я пробовал, потребовали замены R17 и R19 на 68-100 Ом для стабильности, а это ухудшило звучание. Я тогда намотал по 40-50
витков провода на эти 100-омные резисторы и это заметно улучшило дело.

Нельзя ли просто закоротить R15 ?

Так это только сильно ухудшит дело для 150-х . Относительный температурный коэффициент напряжения отсечки у "нормальных" MOSFET-ов примерно раза в 3 меньше, чем у Vбэ Q9, соответственно к 0,6 ВVбэ надо добавить ещё 1,2В температурно независимого напряжения. Для "логических" полевиков, как 76639, ТК только в 2 раза меньше ТК для Vбэ и R15 как раз выполняет роль температурно-независимой "опоры" . Идеально туда надо регулируемый ИОН на 550-650 мВ. В последних вариантах 5350 я это так и сделал .

Алексей

[PSV]

У них крутизна раза в 2-3 меньше, а сопротивление ЗИ придётся увеличить вдвое при том же токе ИТ.

На больших токах больше,тут всё понятно.А как на малых ,около тока покоя?В даташитах цифр нет,но видно что крутизна меняется значительно именно на "рабочих" токах схемы.Ты выше писал,что искажения заметны именно при малых сигналах.Мне не понятен момент,почему используют ключевые полевики с малыми токами покоя?Ведь происходит значительное изменение крутизны на периоде сигнала,соответственно и вых. сопротивления каскада.ООС конечно всё исправит....

Так это только сильно ухудшит дело для 150-х . Относительный температурный коэффициент напряжения отсечки у "нормальных" MOSFET-ов примерно раза в 3 меньше, чем у Vбэ Q9, соответственно к 0,6 ВVбэ надо добавить ещё 1,2В температурно независимого напряжения.

Алексей,как я понял ты борешся с большими отрицательными наклонами ТКТ источника тока,стараешся свести к минимуму зависимость тока от температуры вых. транзисторов.Но будет ли это существенно для режимов с большими токами покоя,когда вклад сигнальных токов в нагрев транзисторов значительно меньше?Можно просто сделать небольшой отрицательный наклон ТКТ,через некоторое время ток "устаканится".

Для "логических" полевиков, как 76639, ТК только в 2 раза меньше ТК для Vбэ и R15 как раз выполняет роль температурно-независимой "опоры" .

Тут немного не понятно.Если опора температурнонезависима,не пойдут ли полевики в разнос.

В последних вариантах 5350 я это так и сделал

А какие выходные транзисторы там?Видел его на фотографии без крышки,стоит что-то в корпусе ТО-247.

[Alex Nikitin]

Мне не понятен момент,почему используют ключевые полевики с малыми токами покоя?Ведь происходит значительное изменение крутизны на периоде сигнала,соответственно и вых. сопротивления каскада.ООС конечно всё исправит....

Так понятно, что однотактный класс А - лучше всего . Но иногда ведь и мощность нужна , и цена ограничена. На самом деле при токе покоя 70-100 мА уже всё не так плохо, даже без ОООС, при этих токах линейность уже хорошая, а рассеиваемая мощность невелика. Самое забавное. что даже на слух у этой схемы есть вполне определённая точка оптимального тока покоя режима АВ, как раз около 70 мА (она несколько зависит от остальных "настраиваемых элементов" - БП, серво и т.д.) . Поэтому лучше всего точную настройку тока покоя проводить последней - в пределах 5-10% , и желателен многооборотный подстроечник.

Алексей,как я понял ты борешся с большими отрицательными наклонами ТКТ источника тока,стараешся свести к минимуму зависимость тока от температуры вых. транзисторов.Но будет ли это существенно для режимов с большими токами покоя,когда вклад сигнальных токов в нагрев транзисторов значительно меньше?Можно просто сделать небольшой отрицательный наклон ТКТ,через некоторое время ток "устаканится".

ИТ в идеале должен иметь только одну температурную зависимость - от температуры Q9 (то есть от температуры выходных транзисторов), а наклон этой зависимости должен соответствовать температурному коэффициенту напряжения отсечки выходных транзисторов. Самый первый вариант серийного усилителя с этой идеей выходного каскада - 4240 v 1.0 - имел чересчур отрицательный температурный коэффициент ИТ, без R15 вообще. Так приходилось устанавливать ток покоя холодных транзисторов примерно в 3 раза выше нужного, затем они прогревались и ток падал до 100 мА. Соответственно под нагрузкой ток изменялся слишком сильно. На последних вариантах 5350 я сильно усложнил схему источника тока, и это позволило практически полностью исключить его побочные зависимости от температуры (например от прогрева Q10 в рассматриваемой схеме), и этим мне удалось обеспечить поддержание величины тока покоя выходных транзисторов в пределах 3-5% в диапазоне температур 20-100 С на теплоотводе. Это эквивалентно поддержанию напряжения ЗИ выходных транзисторов в пределах 0,1% от необходимой (температурно зависимой) величины.

Тут немного не понятно.Если опора температурнонезависима,не пойдут ли полевики в разнос.

См. выше .

А какие выходные транзисторы там?Видел его на фотографии без крышки,стоит что-то в корпусе ТО-247.

Нет, там стоят те же HUF76639P3, по четыре на канал (но не параллельно! )

Алексей

[PSV]

Так понятно, что однотактный класс А - лучше всего .

Я такого не говорил .

Самое забавное. что даже на слух у этой схемы есть вполне определённая точка оптимального тока покоя режима АВ, как раз около 70 мА

Очень странно, даже лучше чем 1-1.5а.Что такое настраиваемые элементы БП?

На последних вариантах 5350 я сильно усложнил схему источника тока, и это позволило практически полностью исключить его побочные зависимости от температуры (например от прогрева Q10 в рассматриваемой схеме), и этим мне удалось обеспечить поддержание величины тока покоя выходных транзисторов в пределах 3-5% в диапазоне температур 20-100 С на теплоотводе. Это эквивалентно поддержанию напряжения ЗИ выходных транзисторов в пределах 0,1% от необходимой (температурно зависимой) величины

Замечательно!Даже выбросы при включении холодного уся отсутствуют?Схемка ИТ конечно секретная .

Нет, там стоят те же HUF76639P3, по четыре на канал (но не параллельно! )

Примерно так?

[Alex Nikitin]

Что такое настраиваемые элементы БП?

Параметры трансформатора, величина ёмкости конденсаторов фильтра.

Замечательно!Схемка ИТ конечно секретная .

Увы.

Примерно так?

Идея действительно примерно такая - последовательное включение вместо параллельного, поскольку запас по току у транзисторов большой, и всё, что надо - это увеличить максимальную рассеиваемую мощность. Самое важное в этом включении - правильно сделать цепи смещения "верхних" полевиков. То, что показано на Вашей схеме, далеко не оптимальный вариант и, что самое плохое, будет неправильно вести себя при ограничении.

Алексей

[AS79]

Нет, там стоят те же HUF76639P3, по четыре на канал (но не параллельно! )

Наверное правильно будет компенсировать ТК выходников с помощью точно таких же транзисторов и на одном радиаторе, ну а включить их , допустим, как диоды в цепь подачи смещения(ИМХО).

[PSV]

ну а включить их , допустим, как диоды в цепь подачи смещения(ИМХО).

MOSFETы включить как диоды?

[ADDED=PSV]1105620053[/ADDED]

Параметры трансформатора, величина ёмкости конденсаторов фильтра.

Разве не чем больше, тем лучше?Встречал в одном Английском усиле фирмы Alchemist интересное построение БП.После моста 6800мкф,потом резистор 0.4ом и ещё один 6800мкф.Последние шунтированны плёнкой 1мкф.Пила на выходе такого БП сильно сглажена.Закорачивание резистора заметно портило звук на небольших мощностях.Аппарат звучит просто замечательно,несмотря на весьма "неправильную" схемотехнику.

Идея действительно примерно такая - последовательное включение вместо параллельного, поскольку запас по току у транзисторов большой, и всё, что надо - это увеличить максимальную рассеиваемую мощность.

Ещё заметил,что это даёт заметное снижение роста гармоник с частотой сигнала. Так-же приятно уменьшение рассеиваемой мощности на токозадающих выходниках.

Самое важное в этом включении - правильно сделать цепи смещения "верхних" полевиков. То, что показано на Вашей схеме, далеко не оптимальный вариант и, что самое плохое, будет неправильно вести себя при ограничении.

Согласен.Нарисовал первое,что пришло в голову и над ограничением пока не думал.Правильный вариант наверно тоже секретен .

Offтопик:
Алексей,извини,что я на "ты".На HI-FI и в ЛП мы раньше общались так.

[AS79]

MOSFETы включить как диоды?

Ну не надо так уж придираться , оговорился , пусть будет как ИТ.

[Alex Nikitin]

Наверное правильно будет компенсировать ТК выходников с помощью точно таких же транзисторов и на одном радиаторе, ну а включить их , допустим, как диоды в цепь подачи смещения(ИМХО).

В этом случае надо обеспечить температурную стабильность остальных частей ИТ, что сложнее. Кроме того, датчик температуры должен быть как можно меньше и легче, чтобы не увеличивать дополнительно тепловую постоянную времени. На самом деле зависимость напряжения отсечки от температуры весьма линейна, и её легко аппроксимировать соответствующим образом масштабированным Vbe .

Ещё заметил,что это даёт заметное снижение роста гармоник с частотой сигнала. Так-же приятно уменьшение рассеиваемой мощности на токозадающих выходниках.

Уменьшение гармоник связано, судя по всему, с уменьшением эффекта Миллера на нелинейной ёмкости СЗ .

Правильный вариант наверно тоже секретен .

Да. И он не очень простой.

Алексей,извини,что я на "ты".На HI-FI и в ЛП мы раньше общались так.

Так значит не опознал . Разумеется, можно на "ты" .

Алексей