Три схемы усилителей мощности, которые ещё никто не пробовал делать
Журналу “Радио”, 1990, 5, посвящается.
Анонсом данной темы является материал, изложенный в https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=84912. Его можно было бы назвать: “Как я боролся с эффектом Миллера”. Вроде бы об этом эффекте всё известно, что, зачем, почему, и как с ним бороться, но ещё раз всё проанализировав, приходишь к выводу, что всё, что написано по поводу этого эффекта в MOSFET полевых транзисторах, рассматривается исключительно при использовании их в ключевом режиме. Поэтому даже у транзисторов, называющихся линейными, нет данных по реальным схемам их использования в линейном режиме. А по результатам их практического использования, они ни чем не отличаются от своих импульсных собратьев. Отсюда вывод, что эффект Миллера и борьба с ним в импульсных схемах, и то же самое в линейных, две большие разницы, почти как огурец и помидор, хотя и тот и другой относятся к овощам.
Учитывая это, тема посвящена практическому использованию тех результатов, что были получены ранее, на вполне конкретных схемах усилителей мощности, с использованием современных полевых транзисторах, как разного типа проводимости, в первом варианте усилителя, так и на одинаковых транзисторах проводимости N типа, во втором варианте.
Почему именно полевые, и именно N типа? Потому что у этих транзисторов огромный выбор параметров по мощности и напряжению, высокое быстродействие, и очень маленькое сопротивление в открытом состоянии. Не зря их называют импульсными. Но это не значит, что их нельзя использовать в линейном режиме. Это подтверждают реально работающие схемы, неоднократно повторённые в серийно выпускающихся изделиях.
При всех положительных качествах, сделать хорошую схему, позволяющую работать таким транзисторам в линейном режиме с максимально возможным КПД, не так то просто, чему была посвящена обозначенная выше тема. Высокий КПД усилителя можно получить только в случае, если удаётся приблизить максимальное выходное напряжение усилителя, к напряжению питания усилителя, как можно ближе.
И, наконец, только транзисторы N типа работают при напряжениях от 1000 Вольт и больше, когда-то это сыграло решающую роль при разработке высоковольтного усилителя мощности.
Маленьким, а может быть и наоборот, большим бонусом является то, что для неё не надо подбирать комплементарную пару транзисторов, что бывает довольно сложно, а иногда и затратно делать.
Третья схема, на лампах, появилась для демонстрации возможностей применения драйверов, изначально разрабатывающихся для управления полевыми транзисторами, но имеющих гораздо более широкую область применения.
Первая схема самая простая, но требует подбора комплементарной пары транзисторов разной проводимости. Поэтому типы транзисторов в ней не указаны, каждый может самостоятельно определиться с их выбором. Важно, чтобы они выдерживали напряжение от 100 В и более, и ток от 15 А.
В схеме используется ОУ КР544УД2А, не только потому, что он быстродействующий, он ещё и идеально частотно скорректирован. Возможно, сейчас появилось что-то не хуже, но мне ничего лучше не встречалось. Качество, быстродействие, и частотная коррекция у операционников тестируются очень просто. ОУ загоняется в режим ограничения по напряжению и контролируется крутизна фронтов и вершины ограниченного синуса. Ни при каких перегрузках не должно появляться лишних переходных процессов, а фронты сигнала должны быть ровными и симметричными. Повышая частоту сигнала, можно будет найти момент, когда вместо ограниченного синуса появится треугольник, это предельная частота, до которой работает операционник. В зависимости от усиления, она будет разной. Поэтому сравнивать ОУ надо при одинаковых резисторах, задающих коэффициент усиления.
Теперь о работе схемы. Раньше было популярным выражение: “Правильно собранная схема регулирования не требует”. В реальности, даже при производстве серийных изделий, регулярно возникают вопросы. Поэтому без опыта работы в данной сфере деятельности, даже самые простые схемы, могут оказаться сложными в регулировании.
Для начала, напряжение 40 В, надо будет отключить и проверить работоспособность всех элементов схемы, для этого потребуется генератор сигнала и осциллограф.
Параллельно резистору R3 1мОм, устанавливается резистор 10 кОм, или немного больше, чтобы, для проверки, снизить уровень усиления ОУ. На резисторах R15, R16 проверяется наличие сигнала и выставляется, с помощью переменного резистора, необходимое падение напряжения, при отсутствии сигнала. Оно должно быть около 3,5 В.
После того, как станет ясно, что всё работает правильно, включается источник питания 40 Вольт. Для первого включения желательно использовать источник с ограничением по току, или включить по питанию токоограничивающие резисторы. Выставляется небольшой ток покоя оконечных транзисторов и контролируется сигнал на выходе усилителя.
Дальше начинаем подбирать резистор обратной связи R2, убрав перед этим, стоящие параллельно резистору R3, 10 кОм. Чем меньше номинал резистора, тем больше глубина обратной связи, и выше вероятность появления возбуждения. Выбрав промежуточный вариант, пробуем с номинальной нагрузкой, например 4 Ом, выйти на режим максимальной мощности. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают термостабилизацию тока покоя, и должны быть расположены рядом с транзисторами, как показано на схеме, и находится с ними в тепловом контакте. Номинал резистора R8, должен быть увеличен, если при нагревании выходных транзисторов, ток покоя будет уменьшаться.
На схеме обозначен всего один переменный резистор, с его помощью устанавливается ток покоя. Часть элементов помечена звёздочкой, их надо будет подбирать по ходу настройки.
Для получения минимальных нелинейных искажений увеличиваем ток покоя, и глубину обратной связи, при необходимости ставим корректирующую цепочку, обозначенную пунктиром, состоящую из ёмкости 10...200 пФ и резистора 20...200 кОм.
На схеме выходные транзисторы питаются напряжением ±40 В. При таком напряжении на нагрузке 4 Ом, можно будет получить мощность около 190 Ватт.
Чем больше ток покоя, тем сильнее будут греться выходные транзисторы, тем больше должны быть радиаторы, на которых они устанавливаются.
Для работы усилителя в А классе, понадобиться снизить напряжение питания, или увеличить площадь радиаторов, и количество используемых транзисторов, установленных параллельно, чтобы можно было равномерно распределить, по большой площади радиаторов, выделяющееся тепло. Чем меньше температура нагрева выходных транзисторов, тем надёжнее они работают. Полоса рабочих частот, будет зависить от используемых выходных транзисторов и применённой частотной коррекции. Верхняя частота 200 кГц, вполне реальна.
Ниже представлен второй вариант схемы усилителя мощности.
Как видно, при всей первоначально кажущейся сложности схемы, на самом деле она очень простая. Ещё проще она будет выглядеть после реализации её на практике, в виде печатной платы. А если вдруг, кто-то начнёт выпускать серийно высокочастотные преобразователи, как драйвера нового поколения, то проще вряд ли можно будет что-либо придумать.
Последовательность проверки работоспособности и регулировки, аналогичны первой схеме, только дополнительно необходимо будет убедиться в наличие ВЧ генерации на преобразователях, прежде чем выставлять уровень напряжения на затворах полевых транзисторов на уровне 3,5 В, с помощью переменного резистора.
Трансформаторы Т1,Т2 намотаны на двух ферритовых кольцах диаметром 10 мм, с магнитной проницаемостью 200. Каждая обмотка содержит 7 витков медного изолированного провода диаметром 0,18 мм.
При увеличении напряжения питания, в квадратичной зависимости будет расти выходная мощность. Изначально схема разрабатывалась под напряжение питания ±350 В. Только такие драйвера управления транзисторами, как показанные на этой схеме, позволили это сделать. Понятно, что нагрузка там предполагалась другая, и для 4 Ом такое напряжение не понадобится, но зато теперь их можно будет использовать для получения больших мощностей, вплоть до 10 кВт. Для больших мощностей удобно использовать транзисторы в корпусах ISOTOP, они обеспечивают большую площадь теплового контакта, и соответственно увеличенную мощность теплового рассеивания.
Выбор блока питания остаётся за конкретным исполнителем, лично мне понравился ряд тороидальных трансформаторов, производимых Тульским трансформаторным заводом, по вполне приемлемым ценам и отличным качеством. Соответственно ожидаемой мощности должен подбираться корпус и площадь радиаторов охлаждения, всё это есть на форуме, и неоднократно обсуждалось.
Окончательные параметры усилителя, зависят от конкретного исполнения, опыта, и желания получить нужный результат. Передо мной стояла цель получить 1 кВт мощности, до частоты 200 кГц, с использованием питания ±350 В. Макет усилителя на транзисторах с небольшой мощностью, и соответственно небольшой ёмкостью затвора, работал вплоть до 500 кГц. Вряд ли такие параметры удалось бы получить, если бы на выходе использовались биполярные транзисторы. Но это не значит, что их нельзя использовать в данной схеме. Если есть желание, можно использовать и биполярные транзисторы N проводимости, что также удобно, так как можно подобрать идеальную пару с одинаковыми параметрами, и параметры транзисторов N проводимости всегда были лучше, чем проводимости P типа.
Любителям “мягкого”, лампового звучания, может понравиться схема приведённая ниже.
Она служит для “мягкого” ограничения входного сигнала, и настраивается таким образом, чтобы ограничение сигнала на максимальной мощности было не резким, как это бывает у транзисторных схем, а более плавным. На синусоидальном сигнале это будет уже не плоская полка, а кривая, похожая на шляпку гриба. Степень ограничения выбирается с помощью подстроечного резистора. Сигнал на входе, при этом должен превышать 0,7 В эффективного значения. Меняя номинал резистора R1, можно изменять чувствительность усилителя. Одновременно схема защищает от перегрузок по входу.
Зная особенности ВЧ драйверов, было бы интересно использовать их для управления радиолампами, ведь, как и полевые транзисторы, радиолампы управляются напряжением, и на первый взгляд казалось, что можно будет легко заменить полевые транзисторы на лампы.
Действительно, схема получилась не намного сложнее, чем с использованием полевых транзисторов. Только для того, чтобы она такой получилась, пришлось полностью поменять мировоззрение. Ведь для того, что транзистор открывался, необходимо увеличивать управляющее напряжение, а у ламп, практически всегда, его требуется уменьшать (по абсолютной величине). Транзистор не открывается, пока на него не подано управляющее напряжение, а на сетку лампы надо сразу же подать запирающее напряжение, чтобы предотвратить появление, в цепи анода, незапланированного тока. То есть, по сравнению с транзисторами, лампы - это мир, вывернутый наизнанку. И, тем не менее, если есть опыт разработок на транзисторах, то и к лампам его можно применить.
Самое главное отличие данной схемы, от привычной схемотехники на лампах то, что благодаря ВЧ драйверам, на лампах получился, по сути, усилитель постоянного тока. Только конденсатор на входе ОУ, определяет нижнюю частоту полосы усиливаемых частот. Может быть, в истории ламповых усилителей и были схемы усилителей постоянного тока, но чтобы это был усилитель мощности, верится с трудом.
Не случайно для схемы выбрана лампа 6С33С, довольно сложная в управлении и стабилизации режимов работы. Но именно это и сыграло решающую роль в её выборе. Если с ней, схема будет работать, то с использованием любой другой лампы, проблем не будет.
Теперь, по существу. Настраивается схема по такой же методике, как и две предыдущих. При отсутствии высокого напряжения проверяется работоспособность всех узлов. Так как, для запирания ламп используется довольно большое напряжение, количество витков вторичных обмоток ВЧ трансформатора необходимо увеличит до 21...28, оставив в первичной 7 витков, чтобы получить нужные минус 50...60 вольт. Напряжение определяет начальный ток катодов, или ток покоя. Оно может меняться от 0 до -120 В, в процессе усиления сигнала. Для получения такого напряжения, пришлось использовать два выпрямителя, включённых последовательно. Как и в предыдущих схемах, регулировать ток покоя, можно единственным переменным резистором. Стабилизация этого тока осуществляется с помощью диодов VD17, VD18, находящимися в тепловом контакте с катодными резисторами, как это показано на схеме. Для лучшего контакта следует применить теплопроводящую пасту. На схеме указана мощность резисторов 2 Вт. Но для большей чувствительности, можно попробовать и 1 Вт, и если он будет перегреваться, уменьшить его сопротивление. Либо, наоборот, увеличить сопротивление резистора при той же мощности. Сопротивления в катодах, оказывают очень малое влияние на автосмещение и являются элементом контроля тока катода, по выделяемому на них теплу.
Убедившись, что всё работает правильно, можно подавать высокое напряжение. После прогрева ламп, контролируем ток покоя по падению напряжения на катодных резисторах. Смотрим, как ток меняется с течением времени, переменным резистором выставляем ток на уровне 50 мА. Как уже отмечалось, первоначальную проверку делаем при минимальной глубине обратной связи, или вообще без неё. Затем подаём сигнал минимального уровня, частотой 1 кГц и контролируем появление сигнала на выходе усилителя на нагрузке 160 Ом. Постепенно увеличивая уровень сигнала, контролируем сигнал на выходе, вплоть до ограничения. Далее уже можно будет менять ток покоя, включать обратную связь и контролировать все параметры усилителя по частоте и уровню нелинейных искажений.
Как следует из названия темы, представленные схемы усилителей, ещё никто не пробовал делать, поэтому реальные параметры появятся после изготовления первых образцов. Но ожидаемую выходную мощность посчитать можно. Особенно это интересно для лампового усилителя, в котором мощность считается по своей методике, исторически сложившейся, основой которой является всё тот же закон Ома и анодно-сеточная характеристика лампы. Но мы попробуем рассчитать по более простой методике.
Для транзисторных усилителей расчёт очень простой, P = U2/R. В формуле U- действующее напряжение, которое для напряжения питания ±40 В будет равно 0,7х40 = 28 В.
Тогда для 4 Ом получаем мощность 196 Вт. В формуле не учитывается остаточное падение напряжения на транзисторах, хотя в некоторых случаях это делать надо.
А какой будет максимальной мощность усилителя? Вот по этому вопросу Интернет выдаёт удивительные ответы. Самый интересный, это предельная мощность, при которой усилитель выйдет из строя. После долгих поисков, на похожем радиолюбительском сайте, обнаружился правильный ответ. По ГОСТ, это мощность, которую обеспечивает усилитель при 10% нелинейных искажений выходного синусоидального сигнала. Для нашей страны это закон, обязательный для тех, кто производит звуковую аппаратуру. У зарубежных производителей аппаратуры, своё понимание максимальной мощности, и поэтому нередко встречаются аппараты с заявленной мощность, которую он может выдать только в момент короткого замыкания сети.
Поэтому, для того, чтобы определить какова будет максимальная мощность усилителя, его надо изготовить и провести испытания. Так как здесь приводятся схемы усилителей, которые ещё никто не пробовал делать, то и ответить на вопрос, про их максимальную мощность, можно будет только после того, как их изготовят и проведут испытания.
Для лампового усилителя расчёт ожидаемой выходной мощности будет немного сложнее, так как на лампе всегда остаётся падение напряжения, которое и обеспечивает ток, протекающий через неё. Без анодно-сеточных характеристик лампы здесь не обойтись. Смотрим такую характеристику для лампы 6с33с. Для анодного напряжения 50 В, находим точку максимального тока 0.55 А, при 0 В на сетке. В приведённой схеме напряжение питания 140 В, значит на нагрузке в этот момент будет 90 В. По закону Ома, для такого напряжения нагрузка должна быть 90/0.55 = 163,6 Ом. Округляем до 160 Ом. Находим действующее напряжение 90х0.7 = 63 В. Определяем мощность 632/160 = 24.8 Вт.
При 60 В на аноде, и максимально допустимой мощности 60 Вт, лампа может развить ток 1А. Тогда нагрузка будет 80 Ом, а мощность 39,2 Вт. Что будет в реальности, легко проверяется, так как это делается без выходного трансформатора, который, как известно, составляет 90% проблем при изготовлении двухтактного усилителя.
Так как для лампы важнейшим параметром является максимальный ток, который она может обеспечить, то формулу ожидаемой мощности правильнее записать так P = I2 x R, где I- действующее значение тока, а R – сопротивление нагрузки. Или P = 0,49 x I2max x R, где Imax – максимальный ток лампы. Как видно из формулы, в этом случае даже анодно–сеточная характеристика не понадобится, и ранее приведённые расчёты становятся ещё проще.
Формула P = 0,49 x I2max x R показывает, что выходная мощность лампового усилителя зависит от максимального тока в квадратичной зависимости и в линейной от сопротивления нагрузки. Значит удвоение количества используемых ламп, и, соответственно, развиваемого тока, должно приводить к увеличению мощности в 4 раза. На самом деле не всё так хорошо, из-за разброса параметров ламп это увеличение будет меньше.
Жаль, что разработчики для наращивания мощности ламп, пошли путём увеличения напряжения анода, которое автоматически приводит к пропорциональному увеличению сопротивления нагрузки, и значит росту мощности в линейной зависимости, а лампы с большим током анода, при малом напряжении на нём, довольно редко встречаются.
Для согласования с низкоомной нагрузкой, без трансформатора не обойтись, только сделать его будет гораздо легче. Можно будет применить тороидальный сердечник из аморфного железа, что заметно снизит габариты и повысит качество трансформатора. Использование автотрансформатора также реально.
Конечно, интересно было бы послушать этот усилитель без трансформатора, но тогда выходная мощность будет заметно меньше. Для 8 Ом, это всего 4 Вт, для 16 Ом- 8 Вт, 32 Ом- 16 Вт. Причём для каждой нагрузки, должно быть своё напряжение питания.
Теоретически, остальные параметры усилителя должны получиться не хуже, чем с транзисторами. Поэтому нелинейные искажения на уровне 0,01% вполне реальны, естественно, с достаточно глубокой обратной связью. И это совсем не та обратная связь, что используется в ламповых усилителях с выходными трансформаторами. Мало того, что трансформатор даёт большой сдвиг фазы сигнала, причём разный, для разных частот, так ещё и масса разделительных конденсаторов каждого усилительного каскада добавляет свою часть. В итоге получается фильтр минимум третьего, а то и пятого порядка. Поэтому не удивительно, что некоторые радиолюбители вообще отказываются от обратной связи. Для тех кому, когда-либо приходилось заниматься разработкой аналоговых фильтров, хорошо известно к чему приводит использование в них обратной связи, это резкое увеличение добротности, порождающей длительные переходные процессы, и работа схемы на грани устойчивости.
В заключение, следует отметить, что печатную плату, так же как и для схем с транзисторами, лучше делать отдельно от ламп, тем более что к ним идёт минимальное число проводов. Это снизит уровень паразитных наводок, и заметно облегчит разводку печатной платы. Как тут не вспомнить, что раньше с лампами использовался только объёмный монтаж.
По источникам питания ±15 Вольт следует отметить необходимый ток, который они должны обеспечивать. Для первой схемы будет достаточно 100 мА, для второй 200 мА, а для третьей 400 мА.
Возникающие вопросы можно будет решать по мере продвижения темы, напрямую связанной с активности её участников.
Сообщение от deemon
Социальные закладки