Предисловие.
Моим хобби давно является проектирование усилителей, эта тема меня увлекла ещё с детства, но собирать чужие разработки мне никогда не было интересно, с самого начала своего радиолюбительского пути я старался создавать что либо своё, таким образом обучаясь и приобретая полезный опыт, попутно осваивая теорию. Сейчас благодаря системам SPICE моделирования можно не затрачивая большого количества времени проверять свои самые разные идеи, а наиболее интересные из них реализовывать на практике.
Как возникла идея создать этот усилитель? Просто захотелось собрать для себя качественный домашний УМЗЧ используя все свои теоретические наработки, к которым я приходил в результате создания различных концепций усилителей путем моделирования в MicroCap. Данный усилитель это лучшая, на данный момент, спроектированная мной система, которая в симуляции показала отличные характеристики и абсолютную устойчивость, при умеренной сложности. Было решено собирать в железе и проверить идею на практике, тем самым на подтвердить работоспособность своей задумки и заодно получить качественный усилитель для личного использования.
Идея
Прежде всего при разработке схемы была поставлена задача получения наибольшего петлевого усиления системы, и наибольшей эффективной площади работы ООС, как следствие получения малого КНИ и ИМИ, на всем диапазоне звуковых частот, при абсолютной устойчивости и надежности, а так же без существенного усложнения устройства.
При разработке печатной платы, были поставлены задачи получить компактное устройство на SMD компонентах типоразмеров 1206 и 0805, с минимумом выводных деталей.
Принципиальная схема
Схема основана на классической трехкаскадной топологии Лина.
Входной каскад представляет собой дифференциальный каскад на транзисторах VT2, VT6 с источником тока на транзисторах VT3, VT4, нагруженный на токовоё зеркало, выполненное на транзисторах VT1, VT5.
Каскад усиления напряжения так же выполнен в виде дифференциального каскада на транзисторах VT8, VT10, с источником тока на VT7. Нагрузкой диф.каскада служит токовое зеркало на транзисторах VT9, VT11. Решение применить дифференциальный каскад вместо обычного каскада с ОЭ продиктовано бОльшим входным сопротивлением дифференциального каскада, что увеличивает петлевое усиление системы, а так же бОльшей полосой пропускания, что в свою очередь позволяет добиться глубокой ООС на всём звуковом диапазоне.
Коррекция выполнена на элементах С7, С10,C20, R12, R37. Петлевое усиление системы достигает 115дБ, с полюсом на частоте около 4кГц, и снижается до 84дБ, на частоте 20кГц, что является очень хорошим результатом.
На диодах VD4-VD7 реализовано источники опорного напряжения для плеч ДК.
На транзисторе VT12 и резисторах R16-R18 выполнена схема смещения выходного каскада.
Выходной каскад представляет собой классическую тройку эмиттерных повторителей. Применение тройки, а не классической двойки, позволило значительно снизить нагрузку на каскад усиления напряжения и как следствие снизить влияние нагрузки на характеристики УМЗЧ.
Технические характеристики.
За неимением качественного измерительного оборудования, некоторые характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы, они будут отмечены звёздочкой *.
- Напряжение питания: +-15В...+-50В;
- Полоса пропускания -3db: 0.5Гц - 350кГц*;
- Выходная мощность: 100Вт (При напряжении питания +-35В, на 4Ом);
Коэффициент нелинейных искажений (100 Вт 4 Ом):
- На частоте 1кГц: 0.00005%*;
- На частоте 10кГц: 0.0002%*;
- На частоте 20кГц: 0.0006%*;
Коэффициент интермодуляционных искажений (100 Вт 4 Ом):
- На частоте 1кГц: 0.0002%*;
- На частоте 10кГц: 0.001%*;
- На частоте 20кГц: 0.003%*;
Частотные характеристики.
ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы:
Тут можно увидеть петлевое усиление до первого полюса (115дБ), частоту первого полюса 4кГц (-3дБ), а так же петлевое усиление на граничной частоте звукового диапазона 20кГц (84дБ), что свидетельствует о высокой линейности системы во всём звуковом диапазоне.
ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы:
Отсутствие выбросов на ЛАЧХ замкнутой системы, так же дополнительно свидетельствует об устойчивости.
Осциллограммы
Была снята реакция на меандр 1кГц, синусоида на номинальной мощности и ограничение синусоиды в клипе.
Меандр, частота 1кГц:
Меандр, частота 10кГц:
Меандр, частота 20кГц:

Синусоида, номинальная мощность, частота 1кГц:
Синусоида, ограничение, частота 1кГц:
Рекомендации по сборке.
В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.
- Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
- Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
- Не рекомендуется применять проволочные резисторы;
- Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
- Конденсаторы С5, С11 могут быть любого типа, соответствующего номинала, в авторской печатной плате использованы керамические конденсаторы 10мкФ 35в Х5R типоразмера 1206;
- Допускается применение только тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
- Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
- Транзисторы VT12, VT17, VT18 должны быть установлены на один теплоотвод через теплопроводящие изоляторы, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором каждого из этих транзисторов;
- Рекомендуемая площадь радиатора для выходных транзисторов 1000-1500см^2;
- Работа транзисторов VT15, VT16 допускается без радиатора, при желании можно установить на них небольшие теплоотводы;
- Подбор транзисторов при использовании авторской печатной платы с применением smd компонентов из одной партии, сводится к подбору только транзисторов VT8, VT10 установленных в корпусе ТО-92;
- В качестве подстроечного резистора R18 необходимо использовать многооборотные резисторы типа 3296W, при установке его в плату, его сопротивление должно быть максимально.
Печатная плата.
Плата усилителя выполнена условно односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит 2 перемычки. В исходнике и, соответственно, гербере они выполнены на верхнем слое меди, потому при изготовлении платы на заводе перемычки впаивать не нужно. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.
Габариты платы составили 90мм*68мм. Все провода подключаются с помощью клемм на 2 полюса, с шагом 5мм.
Вид платы в редакторе:
Фото платы:
Схема подключения:
Фото собранного устройства:
Первый запуск и настройка усилителя.
После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно( направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентация в пространстве.
Если все в порядке, можно подключать блок питания, первый запуск следует проводить включив лампу накаливания последовательно первичной обмотке трансформатора. При включении лампа должна кратковременно загореться и потухнуть.
Далее следует замерить постоянное напряжение на выходе усилителя, оно должно быть не более 30мВ. В собранном мной усилителе постоянная составляющая на выходе составила 2-3мВ.
Если все в порядке можно приступить к настройке тока покоя. Замкнув вход усилителя необходимо подстроечным резистором R18 добиться падения напряжения между эмитерами VT17, VT18 в диапазоне от 4мВ, до 20мВ, что будет соответствовать току покоя от 20мА до 100мА, дальнейшее повышение тока покоя не имеет смысла.
Далее можно подключить АС и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно убрать лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием. Усилитель рекомендую использовать совместно с релейной защитой АС.
P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| УМЗЧ "Weltraum" | |||||||
| Конденсаторы | |||||||
| C1, C9, C17, C18, C19 | СL-23B | 100n | 5 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C2 | bi-polar | 100u 25v | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C3, C4, C15, C16 | Samwha SD | 470u 50V | 4 | при питании до +-35В можно применить 1000u 35V | Поиск в магазине Отрон | ||
| C5, C11 | 1206 X5R | 10u | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C6, C10 | 0805 Ceramic | 500p | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C7 | 1206 Ceramic | 200p | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C8 | Samwha SD | 1000u 16V | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| C12 | Tantal type D | 3.3u 35V | 1 | Номинал отличается от схемы, изменение не оказывает влияния на характеристики УМЗЧ | Поиск в магазине Отрон | ||
| C13, C14, C20 | 0805 Ceramic | 33p | 3 | Поиск в магазине Отрон | |||
| Резисторы | |||||||
| R1, R5, R6, R8, R9, R14, R15, R19, R20, R22, R25, R28, R29 | 1206 | 10 | 13 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R36 | 0,5W | 10 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R2, R12, R26, R27 | 1206 | 1k | 4 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R3, R11 | 1206 | 10k | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R4, R21 | 0.5W | 10k | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R7, R17 | 1206 | 200 | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R10 | 1206 | 330 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R13, R23, R24, R30, R31 | 1206 | 100 | 5 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R16 | 1206 | 2k | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R18 | 3296w | 500 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R32 | 0.25W | 1 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R33 | 1206 | 1 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R34,35 | CRL5W | 0.1 | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| R37 | 1206 | 20k | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| Транзисторы | |||||||
| VT2, VT3, VT4, VT6, VT9, VT11, VT13 | SOT-23 | MMBT5551 | 7 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VT1, VT5, VT7, VT14 | SOT-23 | MMBT5401 | 4 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VT8, VT10 | TO-92 | 2N5401 | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VT15 | TO-126 | 2SD669 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VT16 | TO-126 | 2SB649 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VT12 | ТО-220 | BD911 | 1 | Варианты замены: tip29,31,41, mje13003/13005/13007/13009. | Поиск в магазине Отрон | ||
| VT17 | TO-3P | 2SC5200 | 1 | При питании до +-30В, можно применить 2SC5198 | Поиск в магазине Отрон | ||
| VT18 | TO-3P | 2SA1943 | 1 | При питании до +-30В, можно применить 2SA1941 | Поиск в магазине Отрон | ||
| Диоды | |||||||
| VD1, VD3-VD7 | SOD-80 | LL4148 | 6 | Поиск в магазине Отрон | |||
| VD2 | DO-35 | 1N4148 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
| Прочее | |||||||
| Клемник | KF-301-2P | 5 | Поиск в магазине Отрон | ||||
| Термоподложка | ТО-3Р | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
| Термоподложка | ТО-220 | 1 | + изолирующая шайба | Поиск в магазине Отрон | |||
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- Gerber.rar (23 Кб)
- Weltraum.lay6 (213 Кб)
0 Комментарии