Мощный умзч на полевых транзисторах. Усилитель звука на полевых транзисторах Переделка усилителя романтика на полевые транзисторы

Данное устройство позволяет подключить динамический микрофон, электрогитару и прочие источники сигнала с высоким выходным сопротивлением к звуковой карте компьютера. Устройство не вносит частотных искажений в звуковом диапазоне частот, а также искажений, связанных с нелинейностью усилительного прибора, поскольку построена по схеме истокового повторителя.

Иными словами, если вас хоть немного заботит качество записываемого звука, у вас неплохая звуковая карта и дорогой микрофон, то это устройство – то, что вам необходимо.

Немного о схеме. Устройство начинает работать, если в разъем J1 вставляется моно-джэк, или, если по-научному, штекер диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма). При этом через джек минусовой контакт батареи питания замыкается на минус питания и устройство начинает работу. Также вторым контактом этого штекера входной сигнал подается на резистор R1, обеспечивающий высокое входное сопротивление устройства. Конденсатор C2 производит частотную корректировку, обрезая частоты выше звукового диапазона. Резисторы R2-R4 обеспечивают необходимое смещение на затворе полевого транзистора.

В данной конструкции применен полевой транзистор КП303 с индексом Е. При использовании транзистора с другим индексом возможно придется уменьшить номиналы резисторов R3 и R4. Резистор R5 является нагрузкой усилительного каскада, с него звуковой сигнал снимается конденсатором C5 и через резистор R7 подается на вход звуковой карты компьютера.

Диод VD1 в схеме выполняет функцию защиты от дурака от случайной переполюсовки, поскольку конструктивные особенности разъема батареи «Крона» не исключают такой возможности. Диод лучше применить германиевый, поскольку падение напряжения на нем будет меньше. Но это совершенно не критично, его можно заменить любым маломощным кремниевым диодом, например КД521, КД522, 1N4148 и т.п.

Устройство собирается на плате из однослойнофольгированного текстолита размерами 47х26мм. Трассировка платы в программе Dip Trace будет приведена ниже. Но можно обойтись и без изготовления платы, а собрать все на универсальной монтажной плате (это та, которая с кучей дырочек) такого же размера.

Корпус устройства изготавливается из однослойного текстолита для полного экранирования усилителя.

Размеры его деталей следующие:
- боковые стенки 60х50 мм – 2 штуки
- передняя стенка 50х30 мм – 1 штука
- задняя стенка 46х30 мм – 1 штука. Размер 46 миллиметров не критичен, может варьироваться от 50 мм до 35 мм. Все зависит от того, как вы хотите устанавливать батарею питания.
- нижняя и промежуточная стенки 55х30 мм

Стенки корпуса спаиваются между собой припоем. Фольга на всех стенках должна оказаться внутри корпуса. Старайтесь не перегревать текстолит, поскольку фольга может легко отслоиться.

Первым делом спаиваются между собой все стенки, кроме задней. Затем просверливаются отверстия для разъема джэка диаметром 10 мм, отверстие для проводов питания, где-то 3 мм в диаметре и такое же в задней стенке для экранированного провода с миниджэком.

Также в месте крепления задней стенки припаивается скоба из толстой медной проволоки, в которую будет вставляться низ задней стенки.

После этого нужно будет приклеить разъем для «Кроны». Кстати, его можно взять из уже отработавшей кроны, как я всегда и делаю. Клеится этот разъем термоклеем к задней стороне передней стенки. Важно чтобы ни один из контактов разъема не касался фольги корпуса.

После этого к схеме подпаиваются провода питания и третий провод, связывающий фольгу корпуса и «землю» схемы. Также припаивается экранированный выходной провод, схема устанавливается в корпус и задняя стенка запаивается вверху по бокам.

Технические характеристики
Максимальная среднеквадратичная мощность:
при RH = 4 Ом, Вт 60
при RH = 8 Ом, Вт 32
Рабочий диапазон частот. Гц 15...100 000
Коэффициент нелинейных искажений:
при f = 1 кГц, Рвых = 60 Вт, RH = 4 Ом, % 0,15
при f = 1 кГц, Рвых = 32 Вт, RH = 8 Ом, % 0,08
Коэффициент усиления, дБ 25...40
Входной импеданс, кОм 47

Настройка

Маловероятно, что какой-либо опытный экспериментатор буде иметь трудности при достижении удовлетворительных результатов при построении усилителя по этой схеме. Главные проблемы, которые следует предусмотреть - это неправильная установка элементов и повреждение МОП транзисторов при неправильном обращении с ними или при возбуждении схемы. В качестве руководства дл экспериментатора предлагается следующий перечень контрольных проверок для поиска неисправностей:
1. При сборке печатной платы сначала установите пассивные элементы и убедитесь в правильном включении полярности электролитических конденсаторов. Затем установите транзисторы VT1 ...VT4. И, наконец, установите МОП транзисторы, избегая статического заряда, замыкая одновременно выводы на землю и используя заземленный паяльник. Проверьте собранную плату на правильность установки элементов. Для этого будет полезно пользоваться расположением элементов, показанном на рис. 2 Проверьте печатные платы на отсутствие замыканий припоем дорожек и, если они есть, удалите их. Проверьте узлы паек визуально и электрически с помощью мультиметра и переделайте, если это необходимо.
2. Теперь на усилитель может быть подано напряжение питания и выставлен ток покоя выходного каскада (50...100 мА). Потенциометр R12 сначала устанавливается по минимальному току покоя (до отказа против часовой стрелки на топологии платы рис. 2). положительную ветвь питания включается амперметр с пределом измерения 1 А. Вращением движка резистора R12 добиваются показаний амперметра 50...100 мА. Установка тока покоя может быть выполнена без подключения нагрузки. Однако, если нагрузочный динамик включен в схему, он должен быть защищен предохранителем от перегрузки по постоянному току. При установленном токе покоя приемлемое значение выходного напряжения смещения должно быть меньше 100 мВ.

Излишние или беспорядочные изменения тока покоя при регулировке R12 указывают на возникновение генерации в схеме или неправильное соединение элементов. Следует придерживаться рекомендаций, описанных ранее (последовательное включение в цепь затвора резисторов, минимизация длины соединительных проводников, общее заземление). Кроме того, конденсаторы развязки по питанию должны устанавливаться в непосредственной близости) к выходному каскаду усилителя и точке заземления нагрузки. Во избежание перегрева мощных транзисторов регулирование тока покоя должно выполняться при установленных на теплоотводе МОП транзисторах.
3.После установления тока покоя амперметр должен быть удален
из цепи положительного питания и на вход усилителя может быть
подан рабочий сигнал. Уровень входного сигнала для получения полной номинальной мощности должен быть следующим:
UBX = 150 мВ (RH = 4 Ом, Ки = 100);
UBX= 160 мВ (RH = 8 Ом, Ки = 100);
UBX = 770 мВ (RH = 4 Ом, Ки = 20);
UBX = 800 мВ (RH = 8 Ом, Ки = 20).
"Подрезание" на пиках выходного сигнала при работе с номинальной мощностью указывает на плохую стабилизацию напряжения питания и может быть исправлено снижением амплитуды входного сигнала и уменьшением номинальных характеристик усилителя.
Амплитудно-частотная характеристика усилителя может быть проверена в диапазоне частот 15 Гц... 100 кГц с помощью набора для звукового тестирования или генератора и осциллографа. Искажение выходного сигнала на высоких частотах указывает на реактивный характер нагрузки и для восстановления формы сигнала потребуется подбор величины индуктивности выходного дросселя L1. Амплитудно-частотная характеристика на высоких частотах может быть выровнена с помощью компенсационного конденсатора, включенного параллельно с R6. Низкочастотная часть амплитудно-частотной характеристики корректируется элементами R7, С2.
4.Наличие фона (гудения) вероятнее всего происходит в схеме
при установке слишком высокого усиления. Наводка на входе с высоким
импедансом минимизируется использованием экранированного
кабеля, заземленного непосредственно в источнике сигнала. Низкочастотные пульсации питания, попадающие с питанием во входной каскад
усилителя, могут быть устранены конденсатором СЗ. Дополнительное
ослабление фона осуществляется дифференциальным каскадом
на транзисторах VT1, VT2 предусилителя. Jднако, если источником фона является питающее напряжение, то можно подобрать значение СЗ, R5 для подавления амплитуды пульсаций.
5. В случае выхода из строя транзисторов выходного каскада из-за короткого замыкания в нагрузке или из-за высокочастотной генерации необходимо заменить оба МОП транзистора, при этом маловероятно, чтобы из строя вышли другие элементы. При установке схему новых приборов процедура настройки должна быть повторена.

Схема блока питания

Лучшие конструкции "Радиолюбителя" Выпуск 2

Схема усилителя с изменениями:

Давно, еще года два назад, приобрел я старый советский динамик 35ГД-1. Несмотря на его первоначально плохое состояние, я его восстановил, покрасил в красивый синий цвет и даже сделал для него ящик из фанеры. Большая коробка с двумя фазоинверторами сильно улучшила его акустические качества. Осталось дело за хорошим усилителем, который будет качать эту колонку. Решил сделать не так, как делает большинство людей – купить готовый усилитель D–класса из Китая и установить его. Я решил сделать усилитель сам, но не какой-нибудь общепринятый на микросхеме TDA7294, да и вообще не на микросхеме, и даже не легендарный Ланзар, а очень даже редкий усилитель на полевых транзисторах. Да и в сети очень мало информации об усилителях на полевиках, вот и стало интересно, что это такое и как он звучит.

Сборка

Данный усилитель имеет 4 пары выходных транзисторов. 1 пара – 100 Ватт выходной мощности, 2 пары – 200 Ватт, 3 – 300 Ватт и 4, соответственно, 400 Ватт. Мне все 400 Ватт пока не нужны, но я решил поставить все 4 пары, дабы распределить нагрев и уменьшить рассеиваемую каждым транзистором мощность.

Схема выглядит так:

На схеме подписаны именно те номиналы компонентов, которые установлены у меня, схема проверена и работает исправно. Печатную плату прилагаю . Плата в формате Lay6.

Внимание! Все силовые дорожки обязательно залудить толстым слоем припоя, так как по ним будет течь весьма большой ток. Паяем аккуратно, без соплей, флюс отмываем. Силовые транзисторы необходимо установить на теплоотвод. Плюс данной конструкции в том, что транзисторы можно не изолировать от радиатора, а лепить все на один. Согласитесь, это здорово экономит слюдяные теплопроводящие прокладки, ведь на 8 транзисторов их ушло бы 8 штук (удивительно, но факт)! Радиатор является общим стоком всех 8 транзисторов и звуковым выходом усилителя, поэтому при установке в корпус не забудьте как-нибудь изолировать его от корпуса. Несмотря на отсутствие необходимости установки между фланцами транзисторов и радиатором слюдяных прокладок, это место необходимо промазать термопастой.

Внимание! Лучше сразу всё проверить перед установкой транзисторов на радиатор. Если вы прикрутите транзисторы к радиатору, а на плате будут какие либо сопли или непропаяные контакты, будет неприятно снова откручивать транзисторы и измазываться термопастой. Так что проверяйте всё сразу.

Биполярные транзисторы: T1 – BD139, T2 – BD140. Тоже нужно прикрутить к радиатору. Они греются не сильно, но все таки греются. Их тоже можно не изолировать от теплоотводов.

Итак, приступаем непосредственно к сборке. Детали располагаются на плате следующим образом:

Теперь я прилагаю фото разных этапов сборки усилителя. Для начала вырезаем кусок текстолита по размерам платы.

Затем накладываем изображение платы на текстолит и сверлим отверстия под радиодетали. Зашкуриваем и обезжириваем. Берем перманентный маркер, запасаемся изрядным количеством терпения и рисуем дорожки (ЛУТом делать не умею, вот и мучаюсь).

Вооружаемся паяльником, берём флюс, припой и лудим.

Отмываем остатки флюса, берём мультиметр и прозваниваем на предмет замыкания между дорожками там, где его быть не должно. Если всё в норме, приступаем к монтажу деталей.
Возможные замены.
Первым делом я прикреплю список деталей:
C1 = 1u
C2, C3 = 820p
C4, C5 = 470u
C6, C7 = 1u
C8, C9 = 1000u
C10, C11 = 220n

D1, D2 = 15V
D3, D4 = 1N4148

OP1 = КР54УД1А

R1, R32 = 47k
R2 = 1k
R3 = 2k
R4 = 2k
R5 = 5k
R6, R7 = 33
R8, R9 = 820
R10-R17 = 39
R18, R19 = 220
R20, R21 = 22k
R22, R23 = 2.7k
R24-R31 = 0.22

T1 = BD139
T2 = BD140
T3 = IRFP9240
T4 = IRFP240
T5 = IRFP9240
T6 = IRFP240
T7 = IRFP9240
T8 = IRFP240
T9 = IRFP9240
T10 = IRFP240

Первым делом можно заменить операционный усилитель на любой другой, даже импортный, с аналогичным расположением выводов. Конденсатор C3 нужен для подавления самовозбуждения усилителя. Можно поставить и побольше, что я и сделал впоследствии. Стабилитроны любые на 15 В и мощностью от 1 Вт. Резисторы R22, R23 можно ставить исходя из расчета R=(Uпит.-15)/Iст., где Uпит. – напряжение питания, Iст. – ток стабилизации стабилитрона. Резисторы R2, R32 отвечают за коэффициент усиления. С данными номиналами он где то 30 – 33. Конденсаторы C8, C9 – емкости фильтра – можно ставить от 560 до 2200 мкФ с напряжением не ниже чем Uпит.* 1.2 дабы не эксплуатировать их на пределе возможностей. Транзисторы T1, T2 – любая комплементарная пара средней мощности, с током от 1 А, например наши КТ814-815, КТ816-817 или импортные BD136-135, BD138-137, 2SC4793-2SA1837. Истоковые резисторы R24-R31 можно ставить и на 2 Вт, хоть и нежелательно, с сопротивлением от 0.1 до 0.33 ом. Силовые ключи менять не желательно, хотя можно и IRF640-IRF9640 или IRF630-IRF9630; можно на транзисторы с аналогичными пропускаемыми токами, емкостями затворов и, разумеется, таким же расположением выводов, хотя если паять на проводках, значение это не имеет. Больше менять тут вроде и нечего.

Первый запуск и настройка.

Первый запуск усилителя производим через страховочную лампу в разрыв сети 220 В. Обязательно закорачиваем вход на землю и не подключаем нагрузку. В момент включения лампа должна вспыхнуть и погаснуть, причем погаснуть полностью: спираль не должна светиться вообще. Включаем, держим секунд 20, затем выключаем. Проверяем, нет ли нагрева чего-либо (хотя если лампа не горит, вряд ли что-нибудь греется). Если действительно ничего не греется, включаем снова и меряем постоянное напряжение на выходе: оно должно быть в пределах 50 – 70 мВ. У меня, к примеру, 61.5 мВ. Если всё в пределах нормы, подключаем нагрузку, подаём сигнал на вход и слушаем музыку. Не должно быть никаких помех, посторонних гулов и т. п. Если ничего этого нет, переходим к настройке.

Настраивается всё это дело крайне просто. Необходимо лишь выставить ток покоя выходных транзисторов с помощью вращения движка подстроечного резистора. Он должен быть примерно 60 – 70 мА для каждого транзистора. Делается это так же как и на Ланзаре. Ток покоя считается по формуле I = Uпад./R, где Uпад. – падение напряжения на одном из резисторов R24 – R31, а R – сопротивление этого самого резистора. Из этой формулы выводим напряжение падение на резисторе, необходимое для установки такого тока покоя. Uпад. = I*R. Например в моем случае это = 0.07*0.22 = где то 15 мВ. Ток покоя выставляется на “тёплом” усилителе, то есть радиатор должен быть тёплым, усилитель должен поиграть несколько минут. Усилитель прогрелся, отключаем нагрузку, закорачиваем вход на общий, берем мультиметр и проводим ранее описанную операцию.

Характеристики и особенности:

Напряжение питания – 30-80 В
Рабочая температура – до 100-120 град.
Сопротивление нагрузки – 2-8 Ом
Мощность усилителя – 400 Вт/4 Ом
КНИ – 0.02-0.04% при мощности 350-380 Вт
Коэффициент усиления – 30-33
Диапазон воспроизводимых частот – 5-100000 Гц

На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Использование этого усилителя с шумящими тембрблоками, такими как TDA1524, может повлечь за собой необоснованное на первый взгляд потребление энергии усилителем. На самом деле это усилитель воспроизводит частоты помех, не слышные нашему уху. Может показаться, что это самовозбуждение, но скорее всего это именно помехи. Тут стоит отличать помехи, не слышимые ухом от реального самовозбуждения. Я сам столкнулся с этой проблемой. Изначально в качестве предварительного усилителя операционник TL071. Это очень хороший высокочастотный импортный ОУ с малошумящим выходом на полевых транзисторах. Он может работать на частотах до 4 МГц – этого с запасом хватает и для воспроизведения частот помех и для самовозбуждения. Что делать? Один хороший человек, спасибо ему огромное, посоветовал мне заменить операционник на другой, менее чувствительный и воспроизводящий меньший диапазон частот, который просто не может работать на частоте самовозбуждения. Поэтому я купил наш отечественный КР544УД1А, поставил и… ничего не поменялось. Это всё натолкнуло меня на мысль, что шумят переменные резисторы тембрблока. Движки резисторов немного “шуршат”, что и вызывает помехи. Убрал тембрблок и шум пропал. Так что это не самовозбуждение. С данным усилителем нужно ставить малошумящий пассивный тембрблок и транзисторный предусилитель дабы избежать вышеперечисленного.

Введение

Мне захотелось построить усилитель со следующими параметрами:

1. без ООС, так называемый вариант «0-NFB» (zero negative feed back)
2. чистый класс А
3. однотактный

Нельсон Пасс (Nelson Pass) проделал огромную работу в этом направлении при строительстве своего усилителя «Zen», но я решил пойти еще дальше! Я построю «Усилитель Без Деталей» - Zero Component Amplifier (ZCA).

Думаете, я пытался найти Священный Грааль в усилительной схемотехнике, этакий прямой кусок серебрянного провода, дающий чистое усиление без искажений?

Class-A 2SK1058 MOSFET Amplifier

Несомненно, чтобы усилитель назывался усилителем, он должен содержать активные компоненты, обеспечивающие усиление. Меня всегда восхищали однотактные ламповые усилители. Как такое вообще возможно? Посмотрите, одна лампа, пара резисторов и выходной трансформатор. Поэтому я и решил создать усилитель на полевом транзисторе, придерживаясь такой же простоты дизайна.

Один канальный полевой униполярный МОП-транзистор, пригодный для аудио, парочка резисторов и конденсаторов, и конечно же умощненный хорошо «профильтрованный» блок питанния. Схема такого усилителя представлена на рис. 1.

Рис. 1: Схема однотактного усилителя класса A на MOSFET-е

Применен полевик 2SK1058 от Hitachi. Это N-канальный MOSFET. Внутренняя схема и распиновка для 2SK1058 представлена на рис. 2.

Рис. 2: Hitachi 2SK1058 N-Channel MOSFET

Я использовал конденсаторы Sprague Semiconductor Group во входных цепях и большие электролиты на выходе с «бутербродом» из полиэстерного конденсатора на 10 мф. Все резисторы, если не указано иначе, на 0,5 Ватт. Четыре 10-ти Ваттных проволочных резистора работают в качестве нагрузки. Внимание, эти резисторы рассеивают около 30 Ватт и становятся чрезвычайно горячими даже при простое усилителя. Да, это класс А, а низкий КПД - расплата. Он съедает 60 Ватт, чтобы выдать ок. 5Вт! Мне пришлось использовать мощный и качественный радиатор с эффективным теплоотведением (0.784 °C/Ватт).

Фото 1: Печатная плата усилителя в сборе

Блок питания усилителя

Блок питания состоит из трансформатора мощностью 160 Ватт, нагруженного на 25-ти Амперный выпрямительный мост, и обеспечивает напряжени ок. 24 Вольт. Используется П-образный фильтр (конденсатор - дроссель - конденсатор) состоящий из электролитов на 10.000 Мф и 5-ти Амперных дросселей индуктивностью 10 мГн.

Рис. 3: Схема блока питания

Фото 2: Усилитель в сборе

Фото 3: Усилитель в сборе, вид сзади

Наладка усилителя

Смещение задаётся резистором на 1 мОм и потенциометром на 100 кОм. Просто установите потенциометром половину напряжения питания в точке соединения MOSFET-а и нагрузочного резистора.

Звучание

Я прослушивал мой усилитель с ламповым предусилителем на 12AU7, т. к. он обеспечивает наиболее чистый звук. Я понятия не имею об коэффициентах искажений этого усилителя и т.п. цифрах, лишь скажу, что у него точная звукопередача и деликатно текстурированный тембральный окрас.

Для работы с усилителем требуется высокочувствительная, эффективная аккустика, т. к. он выдаёт ок. 5 Ватт RMS (и до 15 Ватт на пиках, что я ясно наблюдал на экране осциллографа). Передача басса оказалась значительно лучшей, чем можно было ожидать от такого решения. Усилитель с легкостью раскачивает мои 12-ти дюймовые трех-полосные колонки.

Мало кто знает, что такое Мосфет , но почти все слышали, что это есть очень хорошо. Давайте сначала разберёмся с этим словом. MOSFET - английское сокращение от metal-oxide-semiconductor field effect transistor . Структура его состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем диоксида кремния (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы на основе таких структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа. Высокая температурная стабильность, малая мощность управления, слабая подверженность к пробою, самоограничение тока стока, высокое быстродействие в режиме коммутации, малый уровень шума - это основные преимущества полевых MOSFET транзисторов перед радиолампами и биполярными транзисторами.

Большинство любителей высококачественного звуковоспроизведения оценивают усилитель на полевых MOSFET транзисторах на очень высоком уровне, практически как и ламповых, ведь по сравнению с усилителями на обычных биполярных транзисторах они выдают более мягкое звучание, создают меньше искажений и устойчивы к перегрузке. MOSFET превосходят классические ламповые усилители, как по коэффициенту демпфирования, так и по передаче низких и высоких частот. Частота среза таких усилителей значительно выше, чем у усилителя на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на звуке.

Мощные полевые MOSFET транзисторы имеют меньший разброс основных параметров, чем биполярные транзисторы, что как бы облегчает их параллельное включение и уменьшает общее выходное сопротивление усилителя мощности.

Схема простого MOSFET усилителя

Параметры усилителя

• Выходная мощность (RMS): 140 Вт при нагрузке 8 Ом, 200 Вт на 4 Ом.
• Частотный диапазон: 20 Гц - 80 кГц -1dB.
• Входная чувствительность: 800 mV при мощности 200 Вт на 4 Ом.
• Искажения: <0.1% (20 Гц - 20 кГц).
• Соотношение сигнал/шум: > 102dB невзвешенных, 105 дБ (A-взвешенное с учетом 200 Вт на 4 Ом).

На рисунке показана схема одного из самых простых УМЗЧ с применением полевых транзисторов этого типа в выходном каскаде. А мощность его составляет целых 200 ватт! Этот усилитель мощности MOSFET подходит для многих целей, таких как мощный концертный гитарник или домашний кинотеатр. Усилитель имеет хороший диапазон частот - от 1 дБ 20 Гц до 80 кГц. Коефициент искажений менее 0,1% при полной мощности, а соотношение сигнал/шум лучше, чем -100 dB. Дальнейшее упрощение возможно за счёт применения ОУ в предусилительном каскаде.

Вся конструкция УНЧ размещена в небольшом алюминиевом корпусе. Питается схема от простого двухполярного выпрямителя с тороидальным трансформаторомна 250 ватт. Обратите внимание, что на фото показан моноблок - то есть одноканальный усилитель, так как он собран для электрогитары.

Радиатор применён из черного анодированного алюминиевого профиля. Корпус имеет длинну 300 мм и снабжен сзади 80 мм вентилятором охлаждения. Вентилятор работает постоянно, поэтому радиатор всегда прохладный, даже при максимальной мощности (или, по крайней мере, несколько выше температуры окружающей среды).