Технологичный УМ с улучшенными параметрами

[bukvarev]

Данный концепт сделан для высокоскоростного УМ с номинальной выходной мощностью 100 Вт и полосой полной мощности 2 МГц.
Это - не звуковой УМ, но идея, видимо, может быть использована и для УМЗЧ.

При проектировании я преследовал следующие цели:
1. Технологичность и отсутствие регулировки тока покоя при пром. производстве.
2. Улучшенный PSRR за счет отсутствия "термо" узла в высокоомной части усилителя (на выходе УН).
3. Простота реализации ограничения по напряжению затворов и току ВК (от последовательного датчика на выходе модуля). Этот узел на схеме не показан, чтобы ее не перегружать.

Схема:


Какие получаются дополнительные плюсы:
1. Транзисторы УН можно брать в неизолированных корпусах, и монтировать на общую пластину, с нормированной конструктивной емкостью "пластина-общий".
2. Транзисторы основной группы монтируются на двух брусьях без термопрокладок, что технологично.
3. Есть возможность реализации дополнительного параллельного канала за счет введения управления токами Q3 и Q4. Например, "супер А" или коррекция искажений вперед.

Основные недостатки:
1. Плохое использование напряжения питания.
2. Повышенная сложность.

Пояснения к схеме.
Q4 и Q4 - датчики температуры (и дополнительно нелинейные элементы, аналогичные Q13-Q18).
- Полевиков в ВК показано три пары для примера (у меня в конструкции их другое количество).
- В первом приближении R4-R7 имеют одинаковое сопротивление (порядка 300 Ом).
- При необходимости увеличения тока покоя при сохранении равенства R4-R7 в истоки Q2 и Q3 можно ставить дополнительные сопротивления.
- VD1-VD4 - ограничитель.
- VD5 предназначен для уменьшения омического сопротивления между эмиттерами Q11 и Q12.
- R1C1 и R2C2 формируют динамическую нагрузку, если необходимо использовать опцию динамического управления источниками тока I1 и I1. Если же этого не нужно, то R1 и R2 заменяются перемычками, C1 и C2 не устанавливаются, а источники тока I1 и I2 заменяются единственным резистором или источником тока, который в небольших пределах позволяет регулировать ток покоя ВК.
- Постоянная времени цепей С3R5 и C4R6 может быть небольшая, от 0,3 мкс.
- В моей конструкции Q5 и Q6 - не транзисторы, а ОУ в sot23-5 с обратной связью от R4 и R7.

[bukvarev]

Вот эти резисторы посередке даже 2512 хлопают как петарды при перегрузке. А уж такая мелочь... тут от защиты, конечно, зависит, но может быть неожиданно неприятно в самом конце отработки.

Использование подобных резисторов вместо проволочных на практике весьма полезно как по "электрическим" соображениям, так и для дополнительной степени защиты при выходе транзистора из строя. И не такие уж они "дохлые", как кажется на первый взгляд. Например, резистор серии RC (толстая пленка общего назначения) допускает перегрузку 2,5 номинальной мощности, а "перемычка" - ток при перегрузке до 10 А, причем в окончательной версии усилителя с высокой вероятностью будут установлены перемычки 2010. Поэтому, на практике, сжечь такой резистор при нормальных условиях эксплуатации аппарата достаточно проблематично, а вот получить дополнительную степень защиты при выходе транзистора из строя полезно.
Единственно, для предотвращения механического повреждения установленных резисторов, плату с установленным компонентами нужно выполнить жесткой. Это делается как с помощью уменьшения ее размеров и продуманного размещения точек крепления платы к радиатору/элементам корпуса аппарата, так и с помощью размещения на плате компонентов, выполняющих одновременно роль поперечных элементов жесткости. В данной конструкции эту роль выполняют конденсаторы и многоконтактный разъем.
На практике я столкнулся с выходом из строя резисторов одного из плеч усилителя только однажды, когда в макете усилителя MW винт крепления одного из выходных транзисторов был не затянут, транзистор перегрелся и вышел из строя. Это проявилось лишь в незначительном увеличении нелинейных искажений. Причем аппарат успели свозить к Константиновичу, провести сравнительные прослушивания, а дефект заметили только по приезду. С выходом из строя таких резисторов при сборке, проверке и эксплуатации наших коммерческих аппаратов мы не сталкивались ни разу (надеюсь, и не столкнемся).

Да, еще: крепление ТО220 за фланец не очень удачное, они не всегда достаточно ровные сзади и вообще лучше по два их прижимать сверху пластинкой, там где кристалл.

Действительно, кроме наиболее распространенного (винтом в отверстие), есть вариант крепления корпуса пружинными скобами. Для более качественного прижима раньше в дополнение к винту практиковались пружинные скобки, но теперь их почти не ставят, поскольку нет особой необходимости. Просто для отсутствия деформации подложки нужно не допускать усилия затяжки винта крепления более 0,7 Н*м (см. прикрепленный документ) dm00238320-mounting-instructions-for-thd-through-hole-device-packages-stmicroelectronics.pdf
С другой стороны, скобы на одиночный корпус или специальные профильные планки для спаренных корпусов требуют дополнительного пространства для крепления, поэтому в данном случае не вижу никакого практического смысла в их использовании.

Ну и миниатюризация потянула за собой выверты с теплоотводом, насколько я понимаю. Лишнее это, считаю. Обычно так делают, когда нет места и активное охлаждение. А тут будет большой радиатор, видимо. С другой стороны: не такие уж там высокие частоты в ВК, чтобы ТАК все ужимать.

Использование брусьев в данной конструкции желательно, но необязательно, и выходные транзисторы вместе с термодатчиками при желании сэкономить на железке можно разместить традиционно, на общем радиаторе. Так что "выверты с теплоотводом" и миниатюризация - вещи не сильно связанные.

[belka]

На практике я столкнулся с выходом из строя резисторов одного из плеч усилителя только однажды

много букф. Поставил бы изначально нормальные резисторы - не столкнулся бы ни разу. Неубедительно.

[Semigor]

В первом отечественном цифровом геофизическом регистраторе я тоже использовал резисторы в качестве предохранителей. Оказалось очень эффективно и дешево

[belka]

Offтопик:

я тоже использовал резисторы в качестве предохранителей

...и я, и ещё тысячи бывших и нынешних ремонтников РЭА в своё время поставили их в импортных телеках тысячи, но в УМЗЧ, в эмиттеры-истоки транзисторов ВК таких не ставлю и не буду.

[Serge_L]

Для серийного производства совсем иные критерии, нежели для ручной сборки.
Потому я авторов понимаю. Все в отверстия массово только руками или селективкой паять, а смд - пихнул в линию с одного конца - забрал из печки с другого)))


bukvarev, Евгений, я очень рекомендую квазирезонансные SMPS! В единый типоразмер с модулями.

[-UST-]

Ну и еще... при установке смонтированной платы на радиатор любая разница в высотах и угле установки брусков будет создавать сильное напряжение на узком участке платы между ними, как раз там где куча смд деталек. Т.е. любое усилие между брусками будет ломать этот участок в совершенно непредсказуемых направлениях. Как-то так.
Сразу может и не проявится, но, учитывая, что там остывает/греется постоянно - не комильфо.

[bukvarev]

Евгений, я очень рекомендую квазирезонансные SMPS! В единый типоразмер с модулями.

Спасибо за совет! Как вариант, можно поискать готовые модули на ALI, и попробовать, что получится с ними.

Т.е. любое усилие между брусками будет ломать этот участок в совершенно непредсказуемых направлениях.

Ставьте на нормально фрезерованный радиатор, и все будет хорошо.

[-UST-]

Ставьте на нормально фрезерованный радиатор, и все будет хорошо.

Я бы возразил, но не для спора сделал замечания. Делайте так, как считаете нужным; учитывать стороннее мнение или нет - прерогатива разработчика.

[Semigor]

Да, еще: крепление ТО220 за фланец не очень удачное, они не всегда достаточно ровные сзади и вообще лучше по два их прижимать сверху пластинкой, там где кристалл. В общем, мудрёно получилось.

Если использовать специальные прижимные скобы и сначала привинчивать транзисторы, а затем впаивать - все будет ОК.

[Carter]

(эти разъёмы лежат,не используются...после проверки)

А я после проверки использую их во всех своих конструкциях.

учитывая качество материала лапши.

Лапши не заметил. Автор ведь прямо написал, что решил использовать "шлейфы как по питанию, так и на выходе". Экспериментирует так сказать, возможно в результате дальнейших экспериментов или под давлением аргументированной критики и откажется от этой идеи.

[bukvarev]

Запустили макет "Интеграла" в полной конфигурации. Фото процесса измерения IMD19_20.


Результаты измерений для нагрузки 8 Ом, амплитуда суммарного сигнала - 30 В (мощность ~28 Вт):


Результаты измерений для нагрузки 4 Ом, амплитуда суммарного сигнала - 30 В (мощность ~56 Вт):


Точнее измерить не позволяет генератор/карта

Текущая схема макета:
Integral_schematic_v0_1_макет_корр.pdf

Играет эта штука замечательно.
В процессе наладки доработок было совсем немного, поэтому оставшиеся печатные платы пойдут в дело. Мы соберем и попробуем, как будет работать версия усилителя без латунных брусьев.
Следующим шагом сделаем входной буфер для балансного сигнала и потихоньку будем думать над платкой субмодуля защиты, устанавливаемой на плату усилителя.

[MAXIM_A]

bukvarev, Евгений поздравляю, класс!
IMD=0, 0001%

[Дмитрий Б]

bukvarev, Евгений, а что у вас за генератор, если не секрет?

[bukvarev]

bukvarev, Евгений, а что у вас за генератор, если не секрет?

Самодельный. Выкладывал схемку генератора в теме про однотактный УН, вот пост:
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2092420

[Дмитрий Б]

bukvarev, А сумматор простой резистивный или на ОУ?

[bukvarev]

bukvarev, А сумматор простой резистивный или на ОУ?

Резистивный.

[Александр Котов]

Зачем катушку сплющили?
Радиус изгиба проволоки превышен, лак покроется микротрещинами. А вот пропитать ее, проклеить чем-то (я термоклеем делаю) - не помешало бы. При вибрации она становится источником искажений.

[bukvarev]

А вот пропитать ее, проклеить чем-то (я термоклеем делаю) - не помешало бы. При вибрации она становится источником искажений.

Само собой, проклеим, и закажем текстолитовые каркасы в размер. Это же первый макет. Так сказать, реализация идеи.

[Martyn]

bukvarev, Евгений, как вы видите позиционирование и комплектацию усилителя «Интеграл» относительно имеющийся линейки?

[bukvarev]

Евгений, как вы видите позиционирование и комплектацию усилителя «Интеграл» относительно имеющийся линейки?

Это проект с открытой схемой. Любительское аудио, модули для самостоятельной сборки аудиосистемы. С линейкой коммерческих усилителей он не пересекается.

Возможная комплектация "конструктора" (все модули независимые):
1. модуль усилителя,
2. модуль выпрямителя,
3. модуль защиты,
4. модуль входной.

---------- Сообщение добавлено 16.01.2021 в 15:53 ---------- Предыдущее сообщение было 15.01.2021 в 19:34 ----------

В посту https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2867576 были показаны измерения макета по приведенной схеме.
Но схема и плата спроектированы таким образом, чтобы можно было легко перевести ее из режима МПООС в режим монопетли и сравнить по искажениям и звуку.
Для этого достаточно выпаять конденсатор С17.
Ниже приведены результаты измерений для монопетлевого режима усилителя (без С17).

Результаты измерений для нагрузки 8 Ом, монопетля, амплитуда суммарного сигнала - 30 В (мощность ~28 Вт):

Результаты измерений для нагрузки 4 Ом, монопетля, амплитуда суммарного сигнала - 30 В (мощность ~56 Вт):


Видно, что искажения снизились. Особенно заметна разница в измерениях на нагрузке 4 Ома.
Дальнейшее увеличение петлевого усиления можно сделать, уменьшив R7, R13 и C20.
Экспериментально макет еще устойчив при C20 от 30 пФ, и R7 и R13 по 250 Ом, но ухудшается переходная характеристика.
С меньшими номиналами я не проверял.
Измерить искажения при максимальной глубине ОООС, которую может иметь макет, нам попросту нечем.

ЗЫ. Сейчас будем колхозить входной буфер на INA137