Меню

Усилитель мощности с токовым

Усилители постоянного тока: принцип работы и устройство

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Для того чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные.

Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов.

После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются:

  • изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды;
  • изменение питающих напряжений;
  • постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением.

Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля.

Основными мерами снижения дрейфа являются:

  • жесткая стабилизация источников питания усилителей;
  • использование отрицательных обратных связей;
  • применение балансных компенсационных схем УПТ;
  • использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа;
  • применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю.

Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления R K1 и R K2, транзисторы Т 1 и Т 2, резистор R э образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания Е K, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (RK1 = RК2, T1 и Т2 одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и uвых, равное u К1—uК2, равно нулю.

Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю.

В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах.

Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Читайте также:  Потребляемая мощность замка двери

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Представив Rэ в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии).

Включив последовательно с R э дополнительный источник Е э, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R 1, R 2, R 3, R 4. В результате получится схема дифференциального усилителя.

Источник



Простой усилитель для наушников с токовым выходом

Для начала, всё написанное ниже — моё субъективное мнение, ваше может быть противоположным. Данный усилитель необычен тем, что имеет весьма высокое выходное сопротивление, кстати, автор его не Липавский, а Сафронов. Я писал лично автору по вопросам авторства и работе усилителя, но никакого ответа, увы, не получил…

Печатная плата

Разводка печатной платы Липавского мне не понравилась, поэтому я сделал свою. Уделил внимание симметричности и соединению всех «земель» платы в одной точке.

Разводку печатной платы я сделал так, что при необходимости, можно ставить транзисторы попарно на небольшие теплоотводы, добавил место для «бутербродов». Считаю, что надо обязательно ставить панельки под микросхемы, чтобы опробовать разные варианты, да и при случайном повреждении микросхемы замена не вызовет проблем. Как обычно, дорожки стараюсь делать максимально толстыми.
На плате перемычки показаны толстыми красными линиями, фиолетовые отверстия для технолог. целей — совмещения для переноса обозначения деталей методом ЛУТ.

Схемы усилителя и блока питания

Итак, вот схема одного канала усилителя.

Забыл нарисовать на схеме ёмкости по питанию (на печатной плате ус-ля и фото показаны), я поставил по 220 мкФ 16 В. Так захотелось и место было.

И схема блока питания.

Я внес небольшие несущественные радиолюбительские изменения, например, выходное напряжение сетевого трансформатора избыточно, но другого под рукой не было.
Питание обязательно должно быть стабилизированным — шумы и пульсации будут подхватываться усилителем.
Транзисторы и стабилизаторы греются достаточно сильно. В блоке питания мне пришлось поставить небольшие теплоотводы. В усилителе я поставил транзисторы КТ814 и КТ815. Поскольку их нагрев при питании ±9 В и токе 60 мА примерно 60…70 градусов, от теплоотводов для них я отказался.

Настройка и рекомендации

В целом настройка очень проста — нужно только выставить желаемый ток покоя и можно (необязательно) минимизировать постоянное напряжение на выходе. Кстати, и у Сафронова и у Липавского в схеме допущена одна и та же грубая ошибка — неправильный номинал резистора R3. Как говорится, маленькая ложь рождает большое недоверие…
Ток покоя устанавливают резистором R3, больше сопротивление — меньше ток. Установите переменник на 220 кОм и, уменьшая его сопротивление, контролируйте напряжение на R6 и R7, для 60 мА на 51 Ом оно должно составить 3 В.
В первоисточниках рекомендуют добиваться нулевого напряжения на выходе подбором резисторов R2 и R4. Заявляю, что сделать это невозможно, баланса можно добиться, подпаивая (после прогрева усилителя) параллельно резисторам R6 или R7 шунтирующие сопротивления. Кроме того, пришлось добавить резистор параллельно наушникам для уменьшения постоянной составляющей, в противном случае добиться нуля на выходе без наушников невозможно. Постоянное напряжение на выходе после включения начинает плавать в широких пределах туда-сюда, поэтому рекомендую подключать наушники после окончания переходных процессов — примерно через полминуты. Обратите внимание на промывку платы после пайки!
Я делал испытания при токе покоя 60 мА, хотя для высокоомных наушников хватило бы и 30 мА. Я исхожу из того, что усилитель должен выдавать в нагрузку по крайней мере 100 мВт, поэтому установил питание плюс-минус 9 Вольт.

Читайте также:  Как рассчитать мощность пускового конденсатора

Впечатления от прослушивания

Источник — старый CD плеер Marantz, записи разные, в основном нелицензионные, жанр преимущественно — инструментал и оркестр. Наушники — Байердинамик 880, Градо 125 и немножко Косс 2000.

Усилитель работает не хуже, чем встроенный в CD плеер, а с наушниками сопротивлением 250 Ом он может работать гораздо громче (для 32 Ом громкости CD плеера вполне хватает). Шумы очень малы и в условиях жилой комнаты слышны только в отсутствии фонограммы, да и то, если напрячь слух, при работе собственные шумы усилителя не слышны совсем. Басы работают на удивление хорошо (о моей гипотезе, почему это так, ниже). Но вот на высоких частотах есть некоторая жестковатость, излишняя яркость, переходящая в металлическое звучание. Я перепробовал некоторое количество ДЕШЁВЫХ ОУ, не ручаюсь за их «породистость». Это: 4558, 4556, LM358, TL082, 5532. Поскольку я неоднократно менял их, не видя маркировки, можно считать это «слепой экспертизой». Разница между ними очень мала, но мне показалось, что чуть-чуть лучше работают 5532.
Надо сказать, что недостатки фонограмм и записей очень заметны, что можно отнести к достоинствам тракта, а болванки, прожжённые из апекуев звучат хуже всего, что бы там не пытались говорить о «беспотерьном копировании», для меня это давно не новость.
Поразмышляв, я пришел к выводу, что «особенности звучания токового усилителя» могут быть связаны с тем, что напряжение на нагрузке прямо пропорционально её сопротивлению (при стабильном токе из-за высокого выходного сопротивления), значит, рост импеданса приводит к увеличению напряжения и громкости. Заметное увеличение басов я объясняю увеличением Z и, соответственно, напряжения на низких частотах. Надо отметить, что у Байердинамиков рост Z на резонансной частоте очень невелик и, в отличие от НЧ-динамиков составляет проценты, а не разы. Как будет у других наушников, не знаю. Бубнения нет, совсем нет. Другое дело, что с разными наушниками, звучание усилителя будет разным, например, KOSS 2000 звучали плохо. Тем не менее, с Байердинамиками данный усилитель дружит. Я не стал делать для усилителя дворец (коробку), хочу сделать ламповый усилитель и сравнить.
В целом усилитель работает недурно и вполне пригоден даже для бюджетной блочной аппаратуры, стоит отметить копеечную стоимость его деталей и простоту настройки. Мои рекомендации — для низкоомных наушников можно несколько уменьшить напряжение питания и попробовать увеличить ток; для высокоомных наушников — увеличить напряжение питания и уменьшить ток, я сделал универсальный вариант. Из-за избытка высоких я пробовал настраивать цепь R5C5, это делало звук несколько мягче, сибилянты становятся нераздражающими. Наверное, надо ставить на вход простейший фильтр НЧ в виде RC-цепочки.
Самое удивительное, что с данным усилителем Байердинамики стали переигрывать наши семейные наушники Grado, всё-таки я был прав — надо было делать рекаблинг.

Читайте также:  Зоны относительной мощности для циклических видов спорта

Впечатления от прослушивания 2

Источник — компьютер со звуковой картой ASUS Xonar, которую я немного доработал — на выход поставил «крутую» и уже не дешёвую микросхему AD8066. Она сразу дала заметный прирост качества по сравнению со штатной микросхемой. Записи в «беспотерьных» форматах и в mp3 320kbps. Наушники — только Байердинамики. Программные проигрыватели разные, всякие эффекты и эквалайзеры, конечно, выключены.
… Честно говоря, не хочется и писать, как говорится, другой класс. Наушники и усилитель здесь не при чём, виноват источник — компьютер. По сравнению с CD звук просто бедный. Приятность низов пропала, сцена сжата, воздух исчез и т. д. Конечно, не всё так плохо, просто смотря с чем сравнивать. Если слушать только компьютер и другие гаджеты, то вполне может понравиться, ВЧ, кстати, здесь даже помягче будут. Чувствительности усилителя как раз хватает с небольшим запасом. Впрочем, нет худа без добра, для компьютера данный усилитель уже не слабое звено, а для какого-нибудь нотебука его уже хватит с избытком.

Мёд и дёготь

Достоинства: дешевизна, простота, возможность использования самых разных деталей, неплохое звучание, особенно на НЧ, возможность работы с высокоомными наушниками (абсолютное большинство дешевой аппаратуры это делает плохо), простота настройки.
Недостатки: высокие требования к питанию, питание только от сети, заметный нагрев (пальцы терпят только несколько секунд), длительные переходные процессы при включении, возможность выхода из строя наушников при поломке усилителя (надо ставить на выход разделительный конденсатор или защиту), жесткое звучание на ВЧ. Вроде бы маловато микродинамики.

Файлы

Прилагаю файл с рисунками принципиальных схем в формате spl7 и печатных плат в формате lay.

Источник