Усилитель на мощных среднечастотных германиевых транзисторах.
Необычные обстоятельства способствовали разработке этой схемы. Помог совсем молодому парню доработать его самодельную акустику, и выяснилось, что он слушает её на доработанные блоки усилителей мощности от старого промышленного усилителя, собранных на германиевых транзисторах. Звук кремниевых он напрочь забраковал! Прослушка его аудиокомплекса выявила очень и очень достойный звук! Что было весьма неожиданно. А на выходе стояли древние германиевые плоскостные П217Г.
Возникло желание разработать схему с применением более современной схемотехники. Пришлось разбираться в различиях кремниевых и германиевых приборов. На фото 1 - слитки индия (кружок) и германия (тот что поменьше, зеленоватый и в пупырышках кристаллов). Это основные материалы для изготовленния германиевых транзисторов. Как видно, они скорее металлы, и не похожи на чистый кремний, слиток которого больше напоминает антрацит – «камень». Слиток германия, (тот, что на фото) «звонится» тестером, который показывает около 60 Ом. Кремний им не «прозванивается»...
Представленный Вашему вниманию усилитель рассчитан на подготовленных радиолюбителей. Он построен по традиционной схемотехнике операционного усилителя с использованием двух каскадов усиления напряжения (дифференциально-каскодных схем) и выходных квазикомплементарных повторителей. На выходе стоят «двойки» по схеме Дарлингтона на мощных среднечастотных транзисторах ГТ806.
Основные параметры усилителя:
1. Максимальная неискажённая ыходная мощность на нагрузке 4 Ом -25 Вт.
2. Входное сопотивление 100 кОм (равно сопотивлению резистора R1).
3. Скорость нарастания выходного напряжения 56 В/мкс.
4. Полоса мощности 20 Гц – 630 кГц.
5. Коэфициент усиления по напряжению 20
Особенность схемы – применение на входе микросборки двух полевых транзисторов КР504НТ3. Именно она обеспечивает высокое входное сопротивление УМЗЧ и, как следствие этого избавила схему от электролитических конденсаторов и повысила её линейность. Сборка низковольтная, поэтому разгружена по напряжению включением каскада с ОБ на VT1,VT4. Такое включение снижает и искажения каскада, примерно на порядок. Далее напряжение поступает на второй каскад, также дифференциально – каскодный, на VT7,VT8 и VT10,VT11. Транзистор VT12 является каскадом сдвига уровня. С ним напряжения на коллекторах двух плеч второго каскада (VT8,VT11) без сигнала делается почти одинаковым, что уменьшает искажения и разгружает транзистор VT11 от излишнего напряжения. Предвыходные транзисторы П605А (VT14,VT15) включены повторителями, по схеме с повышенным входным сопротивлением. Это достигнуто подключением резисторов R12 и R20 между базой и эмиттером. В такой ситуации выходная «двойка» П605А/ГТ806 управляется током, вводимым в базу. Усиление по напряжению второго каскада возрастает и практически исчезает искажение типа «ступеньки» такое характерное для схем на кремниевых транзисторах! Что уже позволяет обойтись неглубокой общей ООС.
Транзисторы VT9 и VT13 создают быстродействующую систему защиты выходных транзисторов от сквозного тока, который всегда может возникнуть при нестационарных процессах. Без них потерял несколько ГТ806 при прогонке схемы на прямоугольном сигнале. После их установки – ни одного. Срабатывание защиты настроено на максимальный ток, который при нормальной эксплуатации возникать не будет.
Узел на транзисторах VT5 и VT6 с их «обвязкой» занимается стабилизацией тока покоя выходного каскада и усилителя в целом. В качестве датчика использован резистор местной обратной связи выходного каскада R27. Любое изменение постоянного напряжения на нём приводит к изменению тока первого каскада и схемы в целом. Узел надёжно удерживает необычно большой ток покоя (как для выхода на германиевых транзисторах) – 0,25-0,5 А. С этой системой можно уже не бояться обратных токов германиевых переходов. В этом плане германиевые транзисторы не исключение: и лампы, и мосфеты и кремниевые биполярные лучше звучат при приближении их к классу "А" поэтому в этой схеме такие "конские" токи покоя.
В схему при окончательной отладке добавлен диод, обозначенный красным цветом. На большой мощности средний ток через выходные каскады увеличивается, что увеличивает напряжение на датчике этого тока, резисторе R27. Система поддержания тока покоя ложно реагирует на это, как на возросший ток покоя, и начинает закрывать схему, уменьшая номинальный ток покоя.
Диод устраняет этот эффект, не давая возможность импульсам переменного тока заряжать конденсаторы схемы стабилизации тока покоя и "закрывать" схему. Таким образом не происходит динамического перерегулирования. Система стабилизации тока покоя становится "адаптивной".
Схема нормально работает и на 4 Ома, отдавая при этом в нагрузку 25 Вт. Токи покоя "стоят" как вкопанные, включение происходит без щелчка. Настройка не такая уж и сложная, выходные транзисторы для экономии нервов можно включать после отладки остальных каскадов. R7 регулирует ток покоя, R14 - ток второго каскада.
О деталях. М3Д есть не у всех (они 10 Мегагерцовые) заменяются на МП38А с бета больше 70-80, или возможно попробовать в этом качестве npn ГТ311И(Ж,Д); ГТ323В или ГТ404Б,Г,И. На входе применимы сильноточные микросборки КР504НТ3 и КР504НТ4 с любой буквой, или подобранные пары КП103Л. КП103М парные приборы КП103ЛР или КП103МР. В качестве выходных подойдут ГТ806 или 1Т806 с любой буквой. Предвыходные лучше всего ставить П605А. Желательно их подобрать в пары и выбрать с коэффициентом усилении побольше.
Выходные транзисторы необходимо установить на массивные радиаторы с посадочными местами под «круглые» корпуса. Подойдут от промышленных усилителей «Электрон-103», «Элекрон-104».
Бок питания лучше на торе, мощностью не менее 150 Вт (как на фото одного из макетов). Ёмкости не менее 10000 мкФ на плечо, на канал. Питание каналов лучше разделить.
При отладке схемы при входе в область заметных по осцилу искажений, вызванных ограничением по питанию они были с плавными изгибами, без резких изломов - ещё один плюс германия! Проводил отладку с отключенной ООС (рекомендую для подобных схем). Диапазон при этом составил 32 кГц по уровню -2 дБ. Что свидетельствует об очень высоких показателях быстродействия схемы. Она имеет невиданную для традиционных схем на германиевых транзисторах скорость нарастания 56 В/мкс! Фото первого макета:
 Огромное спасибо коллеге Alex за проделанную работу по независимому макетированию.
Предоставляю ему слово:
«На макетирование представленного выше усилителя ушло пол дня, но честно сказать, не пожалел и получил удовольствие. Ознакомившись более внимательно со схемой, стал подбирать транзисторы, и несмотря на то, что мне казалось, у меня их валом, нужных под рукой не оказалось, но как заявлял автор – усилитель не столь критичен к подбору в частности активных радиоэлементов. Успокоив себя этой мыслью, нашел М3Д, с бетой 75, вместо МП21Е, поставил МП20А, с бетой около 80 (еле выбрал), полевую сборку 504НТ3Б. ГТ404Г – тоже не оказалось под рукой в нужном кол – ве, ставил ГТ404И, даже бету не мерял. На выхлопе ГТ806В. БП, применил не стабилизированный, на торе 150Вт. Диодный мост на КД213, конденсаторы по питанию, в плечо по 4000 мкф., наборные 4 Х 1000мкф. Пробное включение производил с подключенными оконечниками (знаю, не рекомендуется, но рискнул, ибо тщательно все перепроверил). Далее начал борьбу с настройкой, могу всех обрадовать, настраивать долго не пришлось все элементарно просто и если хоть немного знаком с принципами измерения и контроля основных параметров УНЧ и присутствует джентельменский набор необходимой измерительной техники, то настройка данного усилителя осуществляется с пол тычка. Единственное, хочу посоветовать, подстроечные резисторы R6 и R17, желательно ставить многооборотные, типа СП5-2, СП5-3. На макете стоят обычные, но в готовый вариант буду ставить хорошие. И так, первое что нужно настроить, это ток покоя, я настраивал сначала без подключения нагрузки и без сигнала. При включении на холодную, первоначально ток покоя составил 80ма., с прогревом естественно уплывает, но не более 150 – 180 мА. В средней точке выхода постоянка 7мв = 0.007в, этим напряжением конечно можно пренебречь. Режимы транзисторов в отмеченных на схеме точках немного отличались, но ведь транзисторы тоже отличались от авторских. В частности вместо напряжения 5 В, указанных в схеме на коллекторе транзистора VT3, при окончательной отстройке получилось 3,7 В. От этой цепочки стабилизации сильно зависит и появление искажений типа ступенька – удалось вывести эту ступеньку практически идеально на фото осциллограммы представленной ниже, сами оцените форму сигнала (осциллограмма показана без нагрузки). Причем сама ступенька была не остроугольной, а имела пологий достаточно короткий переход. Далее подключил нагрузку (резюк 25Вт, 4Ом), без сигнала. Картинка резко изменилась, пополз вверх ток покоя и остановился на уровне 450 – 470 мА, с сигналом конечно немного меньше около 380 мА, но тут нужно отметить тот факт, что радиаторы поставил слабоватые, других пока не нашел. Тем не менее, выходные транзюки чувствовали себя нормально и при отслушке на 70% мощности, в течении 2 часов, разогрелись приблизительно до 50 градусов. Далее не стал их насиловать. С подключением нагрузки, на осциллограмме снова появилась небольшая ступенька при входном сигнале 1,5 В. и частоте 1Кгц. Окончательной подгонкой выше упомянутых резисторов удалось ее полностью ликвидировать. Искажений формы сигнала при максимальном входном уровне (он как я сказал 1,5 В) и нагрузке 4 Ом, не наблюдалось. АЧХ – ровная в полосе 45Гц– 80 кГц. Выше 80 кГц наблюдается подъем около 5% от общего уровня, спад по низким частотам очень пологий. Эффективная - номинальная мощность на нагрузке, составила 20 ватт, хотя автор заявлял 25, думаю, сказывается все та же бета транзисторов.
Фото макета 2 и осциллограммы испытательного напряжения:
Измеренный коэфициент гармоник на мощности 10 Вт около 0,05%. Возбудов и подвозбудов никаких. Ну, теперь самое интересное, отслушк!!! Все действо происходило в среднестатистической комнате, с применением S90, слегка переделанными среднечастотными динамиками (облегчили подвесы) в остальном, заводское исполнение. Музыка: - cda – формат, практически то же самое что и wav, относительно качественная пиратская запись, диск с которой можно было приобрести в 1997 – 2000г., DVD – плеер SAMSUNG. Согласен, не самый лучший вариант, но как говорится: - что имеем… Стили: - хард, рок, акустическая гитара, инструменталка, попса, шансон. Звучание данного усилителя меня сильно порадовало. Низ, достаточно демпфированный, строгий, без бубнения и в то же время, присутствует мягкость. Кстати на роковых композициях времен 1986 – 1990г., отчетливо слышна работа центрового барабана на ударных, что на каменных усилителях часто воспринимается как бубнение и тем более на S90. Середину конечно можно и не комментировать, здесь как всегда без преувеличений, отчетливо слышен, весь спектр инструментов работающих в этом диапазоне, электро и акустическая гитара здесь конечно на высоте, в вокале слышно даже придыхи исполнителя. Высокие частоты строгие, акцентированные, песок и близко не гуляет, тарелка на ударных воспринимается именно как тарелка, а не свист в пищалках, (вы никогда не задумывались от чего ВЧ динамики назвали пищалками? Это случилось не в тот ли период, когда перешли на кремний?) избытка и недостатка высоких не ощущается. В целом, звучание очень приятное, не утомляет, тем более что музыку я слушаю всегда громко, это болезнь многих музыкантов, особенно кто стоял возле ударных . С динамическим диапазоном тоже все очень не плохо, на 30% громкости, отчетливо слышны все инструменты. Если сравнивать этот усилитель с ламповым, кремниевым и усилителем на полевом выхлопе, то он по моим субъективным ощущениям займет достойное место, между ламповым усилом и усилителем с полевиками на выходе».
Статью обсуждаем на форуме.
|
