Усилитель 16 Вт на трёх транзисторах

[теоретизирующий практик]

Класс А, 16 Вт, три транзистора.

Параметры усилителя при включении в качестве нагрузки резистора: Сопротивление нагрузки - 4 Ома; Выходная мощность до наступления ограничения сигнала — 16 Вт; Напряжение питания - 14 В; Потребляемый ток - 3А. Диапазон воспроизводимых частот не менее 20 Гц (-2дБ) — 20 кГц (0 дБ), реально АЧХ линейна при максимальной мощности до частоты не менее 70 кГц (граница имеющегося генератора НЧ). Входное сопротивление — 1 кОм. Входное напряжение — 0,85 В. КНИ не измерялся, но мне так представляется - очень маленький. Выходное сопротивление до разделительного выходного конденсатора — маленькое (расчётное ниже 0,001 Ом. С учётом замечания пост #191, корректнее написать ниже 0,004 Ома ). Глубина ООС — не менее 60 дБ в диапазоне частот 20 — 20000 Гц. Отношение сигнал/шум — 100 дБ (без взвешивающего фильтра).

На схеме приведены переменные напряжения в характерных точках при выходном напряжении усилителя 6,4 В. Ошибка в отношении сигнал/шум непредсказуема, т. к. в применённом милливольтметре В3-39 на диапазоне 1мВ значение 0,05мВ находится уже не в рабочей части шкалы.

Усилитель собран в макетном варианте из того что было под рукой. Выходной транзистор — из неисправной материнской платы ПК. Транзисторы Т1 и Т2 импульсные СВЧ. Работоспособность проверена на устойчивость при отключении и коротком замыкании на входе и выходе. Все манипуляции с включением — отключением нагрузки производились при выключенном питании (приберёг ограничительный стабилитрон). При КЗ на выходе и наличии входного сигнала потребляемый от источника питания ток увеличивался до перегорания 5А предохранителя в цепи питания между ИП и усилителем. После устранения КЗ и замены предохранителя работоспособность усилителя восстанавливается. Блок питания при испытаниях - стабилизированный, напряжение пульсаций 3 мВ эфф. Цепь R6 — C5 оставлена по инерции, на всякий случай, после того, как усилитель пришлось «усмирять» во время попыток «улучшения». ПО ВОЗМОЖНОСТИ, НИЧЕГО УЛУЧШАТЬ НЕ ТРЕБУЕТСЯ. При повторении можно по выбору убрать либо R6-C5, либо R9-C7. Ну а я на всякий пожарный оставил обе цепочки.

Дроссель намотан на витом сердечнике ШЛ 25х40 (окно 45х16). При сборке дросселя устанавливается немагнитный зазор толщиной 0,5 мм. Обмотка содержит 220 витков провода ПЭЛ Ф 1,18мм (виток к витку до заполнения каркаса). Индуктивность при токе подмагничивания 3А — 0,04 Г, активное сопротивление обмотки — 0,7 Ом. Конечно, для усилителя на 16 Вт размер дросселя может показаться великоватым (75х75х85), но и не больше, чем размеры теплоотвода под выходной транзистор на расчётные 36Вт.

Добавлено 03.09.2012г. В последнее время отношение к размеру индукивности чуть изменилось, сегодня я рекомендую индуктивность порядка 0,1 Г. Это снизит возможность появление нелинейности перемагничивания железа на НЧ, и сведёт нелинейностьть АЧХ почти к нулю.

С уважением, Анатолий Шувалов.

P.S. Стабилитрон, с требуемыми параметрами 24V, 3A в наличии отсутствовал, так что извините за обман с тремя транзисторами, пришлось ещё добавить в эквивалент мощного стабилитрона.

Добавлено 08.09.2012.г. В связи с имеющимися желаюшими повторить конструкцию, для начинающих привожу эквивалент мощного стабилитрона на 24В.

Добавлено 16.10.213г. Пост #257. Схема и печатка на 30 Вт от энтузиаста и сторонника экстремальных решений. .

[теоретизирующий практик]

дык может и кондер охватить ?

Вопрос конечно интересный. На этой ветке не раз поднимался, где то мною даже нарисована схема с комбинированной ОС, отдельно по постоянке, отдельно по сигналу. Но все оказывается не так просто, как усь на 3х транзисторах. Там надо ещё и плавный запуск питания, что в общем и не так уж сложно. Посмотрите на ветке сообщения #195, # 143.

Анатолий.

[Dangog]

Плавный запуск это + еще один транзистор в виде электронного дросселя и немножко тепла на нем.
Насчет симуляции гармонических искажений Microcap10 как-то очень оптимистичен

Правда, в 9-й версии эта же схема симулируется с результатом на два порядка хуже.

[теоретизирующий практик]

Насчет симуляции гармонических искажений Microcap10 как-то очень оптимистичен

Качество симуляции здесь зависит от точности задания параметров выходного транзистора. Большие ошибки в этой части могут привести к неоднозначности результатов, так как искажения на 90% определяются именно выходным транзистором. Ну и ещё, если рабочий ток выходного транзистора принят точно по расчёту, без запаса, то следует ожидать при мощности , близкой к клиппингу некоторое увеличение побочных гармоник. А, скажем при выходном напряжении % 70 от максимума должно быть неплохо.

В симуляторе получается вторая гармоника около - 90 дБ и общий КНИ под 0,003% при монотонном и быстром спаде гармоник верхних порядков? Я бы поверил в это при половинном от максимального напряжении. Всё-таки класс А. И ещё, сейчас модно анализировать искажения при 20 кГц, думаю что в этом случае цифры были бы чуть скромнее .

Я доверяю больше инструментальным замерам железа. Хотя-бы программным спетроанализаторам через звуковую карту ПК.

Анатолий.

[Dangog]

Не -90дБ, а все -110, в проценты нужно после запятой еще нолик добавить. При 20кГц цифры скромнее всего лишь на 2-3дБ.
И от замен моделей транзистора в симуляторе значения не очень-то меняются.
Кстати, если выходной транзистор другой, каким образом выбрать для него оптимальный режим работы?

Насчет измерений спектралабом нужна приличная звуковая карта. У моей, например, шумовая полка -100дБ, много не намеряешь. Способ измерения "по Акулиничеву" пока не получается.

[теоретизирующий практик]

Со спекралабом у меня примерно такая же история, но по крайней мере крупный косяк определяется. Но что есть, то и есть, хорошая звуковая карта кажется на немалую сумму тянет, пока пользуюсь интегрированной в материнку.

Кстати, если выходной трназистор другой, каким образом выбрать для него оптимальный режим работы?

Желательно снять проходную ВАХ при напряжении вольт 5, срезать начальный сильно кривой участок, и на эту величину тока прибавить рабочий ток транзистора. По другому, если к расчётному току добавить % 20 - большой ошибки не будет. Но симметричность ограничения при клиппинге не гарантируется.

Анатолий.

[Dangog]

Спасибо.
Как найдется много железа и меди - надо будет попробовать.

[теоретизирующий практик]

Спасибо.
Как найдется много железа и меди - надо будет попробовать.

Удачи!
Анатолий.

[PA-qa7]

Вчера удалось добраться до усилителя, точнее до макета усилителя, и доделать и набить плату одного канала:

провода остались сопливые и радиатор пока с "ветерком".
Проверка синусом на возбуды на моем "пионерском" осциллографе с генератора ничего не показала; ничего не греется, кроме мосфета

Теперь осталось намотать нормально второй дроссель на ОСМ1-0.63кВт и подружить детальки 2-х каналов с новым радиатором:

[tormoz]

Радиатор внушает доверие. В пятницу только-только запустил свой макет. Пока без нагрузки на внешнем блоке питания. Вместо R2 подстроечник для установки тока покоя. Завтра если будет время позанимаюсь с подбором толщины прокладки. Кстати, какие диоды стоят в выпрямителе. Как вам КД213?

[PA-qa7]

На макете стоит ириска- диодный мост от какого-то зарядника для погрузчика, модель не важна, все-равно шоттки ставить в корпус.

[теоретизирующий практик]

Как вам КД213?

Если на каждый канал по мосту, то можно даже без теплоотводов, ну разве что для порядка...

PA-qa на фото виден дроссель? Не очень аккуратная намотка, мягко выражаясь. Ты что, использовал Б\У провод пропитанный лаком, тогда простительно. .

Анатолий.

[PA-qa7]

Не очень аккуратная намотка, мягко выражаясь.

Так и знал, что подставу заметят


Первый дроссель был Д271НВ 0.04Гн,
второй - ОСМ-0.16 с домоткой что в руки попало 0.34ГН,
третий был ОСМ1-0.63 с домоткой что опять в руки попало 0.4Гн (на фото с радиатором было удобнее рядом этот макетный дроссель поставить, чем искать место на рабочем столе для 5-ти килограммового радиатора


Реальный и нормальный дроссель уже выкладывал:

[tormoz]

Сегодня позанимался немного с макетом усилителя. Итак, получилось следущее - оптимально прокладка около 0,4 мм. Подобрал по уровню нч и форме прямоугольных импульсов. Прямоугольники как с выхода генератора, без каких-либо завалов. Уровень искажений на осцилле в режиме FFT на уровне шумов в районе -60дБ, реально наверное еще ниже. Сопротивление дросселя у меня получилось больше чем у ТС (1Ом), поэтому выходная мощность при питании 14В получилась около 15Вт, оптимальный ток покоя 2,5А. Теперь буду искать нормальные детали для усилка. Главный вопрос для меня где найти конденсатор на вход усилителя, т.к. электролит ставить не охота.

[теоретизирующий практик]

Главный вопрос для меня где найти конденсатор на вход усилителя, т.к. электролит ставить не охота.

PA-qa7 в своём усилителе поставил плёночный конденсатор, и весьма доволен. По габаритам вполне садится на печатную плату. Не помню марку, но где то упоминал. Попробуйте обратиться к нему в личку.

Так как первые два транзистора применены СВЧ серии, для печатной платы необходимо для Т1 и Т2 выполнить требования к монтажу СВЧ приборов. Одно из главных - короткие выводы от эмиттеров к земле, и удаление входов от выхода. По окончании монтажа усилителя (и макета желательно) обязательна проверка на отсутствие самовозбуждения на СВЧ. Простейший вариант - без входного сигнала: с контролем потребляемого тока усилителя стрелочным амперметром: просто потрогать разные детали по которым проходит сигнал - пальцем в резиновом напальчнике. Плавное, даже небольшое изменение тока при этом может свидетельствовать о наличии СВЧ генерации. Надёжнее контролировать СВЧ параллельным детектором на туннельном, либо обращённом диоде, нагруженном на чувствительный микроамперметр. При поднесении диода на 1-2 см к деталям генерирующего усилителя микроамперметр надёжно показывает СВЧ генерацию. Этот метод годится и при проверке усилителя с раскачкой входным НЧ сигналом. Ну если имеется крутой осциллограф то проверка заметно упрощается .

Повышенное сопротивление дросселя до 1 Ома не обязательно должно приводить к снижению мощности. Просто надо на величину "прибавочного" падения напряжения увеличить напряжение питания (если выходной транзистор имеет хотя бы небольшой запас допустимого напряжения сток- исток. (для схемы в первом посте желательно иметь предельное напряжение транзистора хотя бы 30 В)

Уже писал, оптимальный с точки зрения максимального КПД и максимальной мощности ток покоя не значит оптимальный с точки зрения минимизации искажений при максимальной мощности, поэтому если важен минимум искажений и при максимальной мощности можно несколько увеличить ток покоя. Впрочем даже без этого мероприятия на слух при пиках мощности, близких к клиппингу, небольшое увеличение гармоник скажем до 0,1 % вряд ли будет ощущаться.

Анатолий.

[tormoz]

Собственно поэтому неслькими постами раннее я и спрашивал про печатную плату. На макетке небольшой возбуд появляется во время включения. Проявляется как повышенный (до 5А на 2-3 секунды) ток потребления. Теперь буду искать качественные комплектующие, и только после этого разводить печать. Ну и на вход наверно попробую эмиттерный повторитель, с гальванической связью со входом усилителя, тогда входной конденсатор можно будет сильно уменьшить.

[теоретизирующий практик]

на вход наверно попробую эмиттерный повторитель, с гальванической связью со входом усилителя

Если это делать, то возможно надо приготовиться к борьбе с самовозбуждением, а может всё обойдётся... Повторитель надо ставить эмиттером непосредственно на базу Т1, а ООС подключать к базе повторителя. Причём если цепи ООС оставить по начальной схеме, то входное сопротивление всё равно будет как у R1, т.е. 1кОм. Значит для увеличения входного сопротивления надо увеличить номиналы R1 и R3, раз в 10. Не люблю я большой номинал сопротивлений в цепях ООС по переменному току, там возможно запаздывание сигнала ООС, а для устойчивости уся надо чуть ускорить сигнал в этом месте. И если потребуется, то какова потребуется ёмкость С2? 0,15 пФ, или 0,5 пФ? Шарада, потому что монтажные ёмкости уже заметно больше таких величин.

Если повторитель поставить до R1, то под вопросом станет термостабильность усилителя, так как ООС по постоянному току будет заметно шунтирована малым выходным сопротивлением повторителя и относительно малым сопротивлением R1.

Анатолий.

[PA-qa7]

После игры в "кубики" из компонентов пришел к выводу, что платы надо переделать для крепления выходных мосфетов ниже по радиатору (высота радиатора h=25см, ширина = 23.5см; на фото деталюшки одного канала; два правых дросселя изображают половину сетевого трансформатора):


Перерисовал плату 140х70 мм для крепления вдоль радиатора на втулках (h=5мм):
- Т3= IRFP150N под платой, крепится винтом через плату;
- со стороны деталей земляной полигон;
- C5 и R6 = SMD;
- C1 -изображен символически реальный
- добавил С11 и С12 по 0.033мкф



повтор схемы (для удобства при проверке):

[теоретизирующий практик]

Эмиттер Т2 не хочешь шунтировать на землю хоть 0,01 мкФ?

Исток Т3 прямо с подпайки вывода зашунтируй прямо на полигон емкостью 0,01 мкФ, безиндукционным, на всякий случай. Радиатор заземлён? Заземли коротким проводом.

Анатолий.

[PA-qa7]

Добавил С11 и С12 по 0.033мкф (плата в 257 посту)

[теоретизирующий практик]

Подожди немного, может у кого замечания будут. Думаю можно паять.

Анатолий.

PS/ ну нельзя же так, в теме 16 Вт на троих, а ты сварганил 30 Вт на троих.