Проект Prophetmaster Tierra - моноблоки 50 Вт в классе А

[Prophetmaster]

Строятся УПТ моноблоки в классе А, с планируемой выходной мощностью 50-70 Вт/4 Ом. Tierra, в переводе с испанского, означает Земля - навеяло это название, когда в каждом моноблоке скопилось по Фараде
Поставил себе задачу попытаться сконструировать и изготовить усилитель не хуже по звучанию, чем имеющийся на BUF634T, но с более высокой выходной мощностью.
Уже больше года прошло с момента начала разработки моноблоков, но ввиду сложности задуманного и в связи с малым количеством свободного времени, все двигается гораздо медленнее, чем хотелось бы.
Сначала были изготовлены блоки питания, потому что в данном проекте это самая трудоемкая часть и есть необходимость делать железный макет УМ, так как одним симулятором не обойдешься, а макет нужно питать от полноценного БП, для получения достоверных результатов.
Разводка плат БП для левого и правого канала симметричная в силовой части и в части стабилизаторов УН и УМ, но зеркальная в области первички, несигнальных цепей и выпрямителя УН. При такой разводке, получаются "правый" и "левый" моноблоки. Хочется, чтобы было еще и красиво
Проект некоммерческий, поэтому все схемы в полном объеме будут доступны для просмотра.
Схема БП во вложении.
Что представляет из себя БП одного канала - это полностью стабилизированный блок питания мощностью 600 Вт, который имеет:
1. Силовые двухполярные линии питания с напряжениями +\- 25 В, от мощного тороидального трансформатора (550 Вт). Стабы - LT1083 (7.5 А), 8 шт, соединены по 4 в параллель. Суммарная площадь радиаторов стабилизаторов каждого канала 3000 кв.см. Нагрузка на каждый стабилизатор не будет превышать 1 А, так как ток покоя усилителя планируется около 4 А.
2. Две линии питания с напряжениями +\- 27 В и +\- 15 В для усилителя напряжения от отдельного трансформатора (50 Вт). Стабы - LM317/LM337, по 2 шт. Напряжения +\- 15 В формируются из уже стабилизированного +\- 27 В.
3. Отдельный трансформатор для несигнальных цепей (50 Вт).
4. Отдельный трансформатор для дежурки (5 Вт).
5. Все трансформаторы, кроме дежурки, изготовлены по моему заказу компанией Audioinstrument Все трансформаторы сфазированы по первичным обмоткам.
6. Суммарная емкость конденсаторов фильтра силовых цепей около 1 Фарады на канал, большая часть которых, находится после стабилизаторов.
7. Емкость конденсаторов в цепях питания УН - 27000 мкФ/63 В на напряжение +\- 27 В и 40000 мкФ/25 В на +\- 15 В.
8. Софтстарт во вторичной цепи, с временем заряда конденсаторов около 1 минуты. Так как при выключении питания вторичные силовые цепи отключаются от платы УМ, то для разряда электролитов предусмотрены нагрузочные сопротивления, которые полностью разряжают емкости в течении 20 минут.
9. Оптоэлектронная защита АС от постоянного напряжения встроена в БП и выполняет две функции:
- подает или снимает напряжение со схемы управления реле защиты, которая находится на платах самого УМ.
- обесточивает все вторичные цепи силового питания, в случае появления постоянного напряжения (свыше 1 В) на выходе УМ. Восстановление выходных напряжений происходит через 1 минуту после срабатывания защиты.
То есть, в аварийном режиме, одновременно блокируется нагрузка УМ (как и в предыдущей конструкции, реле защиты будет закорачивать выход на землю) и отключается питание силовой части. Без отключения не обойтись: пока разрядится Фарада, на плате УМ может все успеть поджариться после выключения сети
10. БП имеет трехэтажную конструкцию, что практически дало возможность укоротить многие соединительные шины БП или практически свести их длину к нулю.
11. БП имеет каркасную конструкцию из алюминиевого профиля и алюминиевого бруска, поэтому платы практически не являются несущими элементами, если только чуть-чуть.
12. Силовая разводка в БП произведена плоской медной моножилой 4 кв.мм, разводка земли - плоской медной моножилой 6 кв.мм. Земля на послестабовых силовых емкостях выполнена из листовой меди толщиной 0.7 мм.
13. Первичные цепи 220 В имеют R-C фильтры.
14. Энергоемкость каждого БП составляет 450 Дж для силовых цепей и 20 Дж для питания усилителя напряжения.
15. Все силовые реле производства Finder промышленных серий на 12 В. Все слаботочные - Takamisawa RY12W, также на 12 В, кроме входа включения питания от 5 В, который реализован на слаботочном реле Finder.
Конструктивно БП выполнен на трех платах - нижняя несет на себе всю первичку, основную часть БП несигнальных цепей и защиту. На втором этаже расположены софтстарт и выпрямители сигнальных цепей с частью емкостей, а также остальные несигнальные цепи. На верхней плате расположены вторая часть достабовых емкостей, все стабилизаторы для аудиочасти и послестабовые емкости. Шунтирующих полипропиленовых конденсаторов тут немного - основные шунты будут расположены непосредственно вблизи потребителей - на платах УМ.

Для включения БП не нужен мощный тумблер - достаточно слаботочного выключателя, который может коммутировать постоянное напряжение 12 В и ток 40 мА Как вариант, БП можно включать, подав на него 5 В - пятивольтовое реле может управляться с преда, например.

Во вложении: несколько фото БП, полная схема БП одного канала, РГ (http://khozmo.com/products_dale_shunt.html), трансформаторы для УН, изготовленные А. Воробьевым, пара фото первого из 4-х повторителей и схема повторителя.

[sewerin]

Олег, какой буфер будет работать а 680 ом РГ?

[Prophetmaster]

Олег, какой буфер будет работать на 680 Ом РГ?

Я пока не знаю, но вариантов несколько - если с ОООС, то 5 шт. ОУ LME49713 в параллель, один такой ОУ+несколько BUF634T, LME49713+параллельный повторитель на паре 2SA1930+2SC5171 и варианты без ОООС - параллельный повторитель с тремя парами 2SA1930+2SC5171 на выходе или 5 шт. BUF634T в параллельном включении.

[Prophetmaster]

Сегодня запустил первый из четырех повторителей, но пока в усеченном варианте - с одной парой предвыходных транзисторов и с одной парой оконечных. То есть, из 108 транзисторов на плате пока установлено только 12 Питание подавал через резисторы 100 Ом, так как токи в штатном режиме слишком большие для работы без прикручивания через пасту к радиатору. Вместо +\- 25 В получилось +\-16 В. Без радиатора постоянка на выходе доходила до 1 В и выше, но после "придавливания" всех транзисторов одним небольшим радиатором, снизилась до 7 мВ.



Частотку повторителя в полной мере оценить не получилось - генератор только до 5 МГц, но в этом диапазоне затухания нет. Есть небольшое затухание, на частотах выше 1.5 МГц, (- 3 дБ) в коаксиальном кабеле от генератора до входа УМ, что повлияло на вид меандра 1 МГц - он уже и на входе УМ не совсем прямоугольный.

Картинки с осциллографа 20 кГц, 100 кГц и 1 МГц (0.5 В на деление) сфоткал телефоном:



Сам повторитель пока выглядит так:



На плате повторителя установлены только полипропиленовые шунтирующие конденсаторы (более 60 мкФ) и электролиты, тоже выполняющие функции шунтов - они все с малым ESR и все на 100 В. Коллекторы транзисторов ножками, длиной всего 4 мм, "сидят" прямо на шинах питания 4+4 кв.мм. по (+) питания и 4+4 кв.мм. по (-), которые монолитные с теми кусками медных шин, которые торчат из платы (видно на фото) и будут напрямую подключены к выходам БП. То есть, силовой разводки в виде дорожек на плате у меня нет, она полностью заменена "аппликацией" из плоских медных шин. Силовая земля - аналогично. Выход на АС будет сделан тоже медной аппликацией из листа толщиной 0.6 мм, правда, она получается достаточно сложной формы

Схема полная (реально будут установлены транзисторы 2SA1930+2SC5171):



Схема того, что сегодня заработало (транзисторы 2SA1930+2SC5171), временные ограничительные резисторы 100 Ом тоже присутствуют:



Теперь надо оперативненько запаять остальное и попробовать со всей этой .....й взлететь

[alesoleg]

РГ (http://khozmo.com/products_dale_shunt.html)

Offтопик:
Извините, тоже хочу взять у них регулятор, как у них с надежностью в конструкции.

Offтопик:
И почему выбрали именно эти резисторы.

[Prophetmaster]

Извините, тоже хочу взять у них регулятор, как у них с надежностью в конструкции.

Должно быть хорошо, судя по параметрам наработки на отказ. А так, купил, пока лежат - они же для этого проекта были взяты, а он пока не готов.

И почему выбрали именно эти резисторы.

Когда заказывал, то это была комплектация "Premium". Сравнений никаких сам не делал, но даташиты резисторов посмотрел, ее и выбрал. Мои регуляторы еще и с сопротивлением нестандартным - 680 Ом, поэтому вышли еще дороже.

[alesoleg]

"Premium"

Offтопик:
Это чего, которые за 850$

[Prophetmaster]

Offтопик:

Это чего, которые за 850$

Нет, тогда таких вообще не было на сайте (заказывал года полтора назад). В то время Premium были на 100 баксов дороже обычных.

[Prophetmaster]

Спаяешь один из 4-х повторителей, проверь в железе, прежде чем паять остальные. Чую что косячит мультисим в данном случае.

Максим, я забил собранную на плате схему (с одной парой в предвыходе и одной парой на выходе) в Мультисим и выяснилось, что меандр, 20 кГц и 100 кГц выглядят в симуляторе практически также, а 1 МГц в железе существенно лучше, чем в Мультисиме (с ограничивающими резисторами 100 Ом по питанию). Кстати, выходное сопротивление генератора 50 Ом (не нулевое, так скажем).
Естественно, что когда будут установлены все транзисторы предоконечного и оконечного каскадов, то картина может измениться, но надеюсь, что не очень сильно Сначала буду полностью добивать один повторитель, потом уже начну делать остальные три. Плата сложная в изготовлении, на русский "авось" надеяться нельзя.

[Shurik]

Выход на АС будет сделан тоже медной аппликацией

Грандиозно! С нетерпением жду окончательных результатов. Похоже этот хай - энд займет свое место в радиолюбительских достижениях. И обязательно послушать, сравнив с тем, что имеем. Олег, поздравляю с завершением конструкции, где все без компромиссов.

[Prophetmaster]

Олег, поздравляю с завершением конструкции, где все без компромиссов.

Вадим, спасибо конечно, только от пробного запуска до завершения проекта еще целая пропасть

[antecom]

Олег, рад что твой проект хоть и медленно, но продвигается.
С одной парой транзисторов и LTspice показывает вполне приличную реакцию на прямоугольник, особенно если фронт входного сигнала не слишком крутой (пробовал 50nc). Нужно проверять весь повторитель или хотя бы одну ветку из 9 пар на выходе. И подать сигнал через AD811.

что повлияло на вид меандра 1 МГц - он уже и на входе УМ не совсем прямоугольный.

Хороший фронт получается на выходе цифровой логики. Например 74НС(Т)04 выдает 5 вольт перепад с фронтом 6нс (если смотреть осциллом в полосой 60МГц). Буфер на 74НСT04 прямо на входе макета обеспечивает фронты намного лучше чем напрямую с Г3-111.

Я пока отмакетировал параллельный повторитель на 5171/1930 входная пара, MJE15032/15033 выходная. Результаты обнадеживающие. При раскачке от AD811 время нарастания более 500V/us. Фазовый сдвиг на 10МГц 32 градуса (AD811 + 100ом + повторитель, причем он почти такой же и на входе повторителя). В полной схеме с AD843 + AD811 + повторитель, скорость определяется 843-ей. Планирую сделать выходной каскад из 4-х таких повторителя впараллель.
Если честно, не вижу смысла параллелить 50 пар 5171. Их высокая граничная частота, при применении в качестве выходных транзисторов, не востребована, т.к. на ВЧ не нужен ток (нагрузку от выхода УМ можно отрезать дросселем). Вот в предвыходе, где ток нужен для прокачки емкостей выходных транзисторов, им самое место.

[antiluser]

При раскачке от AD811 время нарастания более 500V/us.

Это линейная скорость нарастания или максимальная?

[antecom]

Это линейная скорость нарастания или максимальная?

Максимальная (по фронту меандра).
Линейная - это рассчитанная по максимальному неискаженному синусу? Пробовал смотреть, но непонятно какие искажения синуса считать пороговыми в данном тесте. Глаз замечает искажения формы синуса при коэффициенте гармоник примерно 3%. Если рассчитать исходя из искажений 3%, линейная SR получается много меньше максимальной.
Может есть какая то общепринятая "кривизна синуса" при измерении линейной SR?

[Prophetmaster]

Хороший фронт получается на выходе цифровой логики. Например 74НС(Т)04 выдает 5 вольт перепад с фронтом 6нс (если смотреть осциллом в полосой 60МГц). Буфер на 74НСT04 прямо на входе макета обеспечивает фронты намного лучше чем напрямую с Г3-111.

У моего генератора меандр, 1 МГц и выше, на выходе с очень хорошими фронтами. Надо было просто кабель другой взять, но для первого запуска и того было достаточно - он из куска старого сетевого коаксиала для Ethernet сделан, просто ближе всего лежал в подсобке

Олег, рад что твой проект хоть и медленно, но продвигается.

Спасибо, Максим. Хотелось бы быстрее, но пока не получается никак.

Я пока отмакетировал параллельный повторитель на 5171/1930 входная пара, MJE15032/15033 выходная. Результаты обнадеживающие. При раскачке от AD811 время нарастания более 500V/us. Фазовый сдвиг на 10МГц 32 градуса (AD811 + 100ом + повторитель, причем он почти такой же и на входе повторителя). В полной схеме с AD843 + AD811 + повторитель, скорость определяется 843-ей. Планирую сделать выходной каскад из 4-х таких повторителя впараллель.

Было бы интересно глянуть на все это. Планируешь показать проект на Форуме?

Если честно, не вижу смысла параллелить 50 пар 5171. Их высокая граничная частота, при применении в качестве выходных транзисторов, не востребована, т.к. на ВЧ не нужен ток (нагрузку от выхода УМ можно отрезать дросселем). Вот в предвыходе, где ток нужен для прокачки емкостей выходных транзисторов, им самое место.

Не 50, а 45 Я вижу определенный смысл:
1. При таком количестве пар практически размывается двухтактность оконечного каскада.
2. Суммарное сопротивление эмиттерных резисторов, без риска потерять термостабильность, получается мизерным - около 0.02 Ом.
3. Эти транзисторы (2SC5171+2SA1930) имеют неизменный Ку по току до 300 мА в коллекторе, то есть, у меня они на любой громкости будут в очень хорошем линейном режиме.
4. Корпуса ТО-220F очень удобно крутить к радиатору - никаких прокладок, изоляторов и т.д.
5. Если охватывать данный повторитель высокоскоростной ООС, то полоса этих транзисторов в 200 МГц не будет лишней, так как быстродействие УМ с ОООС должно расти от входа к выходу, с моей точки зрения.

[antiluser]

У линейного усилителя нас линейная скорость и интересует. 3% это все же не ограничение, хотя бы при таких искажениях нужно SR смотреть.

[Shurik]

на ВЧ не нужен ток

Заблуждение. Зависимость Ft от тока у мощных тошиб линейная на участке от 1 до 2 амперов, до и после резкий спад. Графиков Ft для драйверных не видел, но думаю, что ниже 100мА имеется большой спад.

[antecom]

Было бы интересно глянуть на все это. Планируешь показать проект на Форуме?

Если доведу до законченной конструкции, покажу конечно.
Пока все в виде не для слабонервных.

Не 50, а 45 Я вижу определенный смысл:
1. При таком количестве пар практически размывается двухтактность оконечного каскада.
2. Суммарное сопротивление эмиттерных резисторов, без риска потерять термостабильность, получается мизерным - около 0.02 Ом.
3. Эти транзисторы (2SC5171+2SA1930) имеют неизменный Ку по току до 300 мА в коллекторе, то есть, у меня они на любой громкости будут в очень хорошем линейном режиме.
4. Корпуса ТО-220F очень удобно крутить к радиатору - никаких прокладок, изоляторов и т.д.
5. Если охватывать данный повторитель высокоскоростной ООС, то полоса этих транзисторов в 200 МГц не будет лишней, так как быстродействие УМ с ОООС должно расти от входа к выходу, с моей точки зрения.

1. Если под двухтактностью подразумеваешь переключательные искажения, то у тебя их и так не будет (класс А).
2,3. Согласен это плюс.
4. Для меня изолированные корпуса скорее минус. Термостабильность макета обеспечивается при питании до 22 вольт. Токи при этом 90мА драйверная пара и 220мА выходная пара. Правда конструктив с точки зрения тепловой связи не оптимален, буду переделывать.
5. Я почти уверен что полоса повторителя с 15032/15033 на выходе будет не хуже чем с 5171/1930, с учетом того что каскад на первых можно сделать намного компактнее.

---------- Сообщение добавлено 15.16 ---------- Предыдущее сообщение было 14.28 ----------

У линейного усилителя нас линейная скорость и интересует. 3% это все же не ограничение, хотя бы при таких искажениях нужно SR смотреть.

Перемерил только что связку AD811 + 100ом + параллельный повторитель. Синус 2МГц (предел генератора по частоте) проходит без видимых на глаз искажений до ограничения 811-той на уровне 16.5 вольт. Получается линейная скорость нарастания не хуже 200V/us - вполне неплохо.

[Prophetmaster]

1. Если под двухтактностью подразумеваешь переключательные искажения, то у тебя их и так не будет (класс А).

У меня в каждом моноблоке будет два таких повторителя. Если делать моноблоки с универсальным подключением:
1. Два повторителя в канале включены параллельно
2. Включены мостом.
То в первом случае максимальная выходная мощность не превысит 64 Вт\4 Ом и класс А будет в любом случае (даже на нагрузку 2 Ом до 100 Вт), а во втором - выходная мощность может достигать 280 Вт\4 Ом и УМ будет неизбежно переходить в класс АВ при высокой громкости.

4. Для меня изолированные корпуса скорее минус.

Максим, если всего транзисторов ТО-220 на платах более 400, то это большой и жирный плюс Тем более, что ток покоя у меня всего около 50-55 мА на пару - немного даже для ТО-220F.

Я почти уверен что полоса повторителя с 15032/15033 на выходе будет не хуже чем с 5171/1930, с учетом того что каскад на первых можно сделать намного компактнее.

Все может быть. Я взял менее мощные транзисторы в большем количестве, думая еще и о тепловых искажениях - может я не прав, но должны они быть меньше при более распределенной нагрузке на кристаллы п\п.

P.S.
Макет у тебя прикольный

[vic57]

Offтопик:
antecom,Максим-макет у тебя-"огонь"!!!Я тоже так макетирую...

[antecom]

Максим, если всего транзисторов ТО-220 на платах более 400, то это большой и жирный плюс

Да, при таком кол-ве транзисторов можно на одних подложках разориться, если брать хорошую керамику типа нитрида алюминия.

Я взял менее мощные транзисторы в большем количестве, думая еще и о тепловых искажениях - может я не прав, но должны они быть меньше при более распределенной нагрузке на кристаллы п\п.

У менее мощных и кристаллы меньше. Если сравнивать те же MJE15032 c 2SC5171, по току коллектора отличие в 2.5 раза при одинаковом Uбэ. По ОБР отличие больше.