Високоякісні автомобільні УМЗЧ

Незважаючи на вражаючі успіхи мікроелектроніки, створення інтегрального підсилювача потужності звукових частот (УМЗЧ) пов'язана з великими труднощами. Пояснюється це тим, що потужність, розсіює напівпровідниковими кристалами, що випускаються з масової технології, обмежена 10 … 15 Вт. У результаті УМЗЧ, від яких потрібна підвищена потужність і надійність в жорстких температурних умовах, до цих пір будують на дискретних елементах. Саме до такого роду пристроїв відноситься автомобільна радіоапаратура, зокрема автомобільні підсилювачі потужності. Необхідність їх підвищеної потужності і хороших параметрів викликана застосуванням в автомобілях малогабаритних АС з низькою чутливістю.

У підсилювачах напруги таких УМЗЧ застосовують зазвичай ОУ. Це дозволяє істотно знизити кількість елементів, які використовуються в каскадах попереднього підсилення, а отже, підвищити надійність та знизити вартість УМЗЧ. Існує кілька способів з'єднання ОП з транзисторами вихідних каскадів УМЗЧ [1,2]. Розглянемо ті з них, які дозволяють отримати максимальну вихідну напругу при обмеженій величиною живлячої напруги бортової мережі автомобіля. За цих умов в ідеальному випадку напруга на навантаженні (U) може досягати величини

Uн = 12 В-Uнас,

де Uнас – напруга насичення вихідного транзистора. Для УМЗЧ, спрощена схема якого представлена на рис.1, це напруга буде одно:

Uн = Uпіт-UбеVT1-UбеVT3-UR8 (l),

де Uпіт – напруга живлення, UR8 – падіння напруги на резисторі R8, UбеVT1, U, еVT3 – напруга база-емітер транзисторів вихідного каскаду VT1, VTЗ.


Рис. 1

Звідси випливає, що при зібраному за цією схемою вихідному каскаді вихідні транзистори не можуть повністю відкритися, оскільки вони включені як емітерний повторювачі і напруги на їх емітера відрізняються від напружень на їх базах всього на 0,6 В (UбеVT1 – UбеVT3 = 0,6 В).


Рис. 2

У УМЗЧ, представленому на рис.2, транзистор VT1 вже включений за схемою з загальним емітером і працює з посиленням, а транзистор VT3 – як і раніше за схемою емітерний повторювача. У цьому випадку максимальне напруга на навантажувальними резисторами Rн складе величину:

Uн = Uпіт – UнасVT1-UR5 – UбеVT3 – UR8 (2).

Напруга на навантажувальними резисторами УМЗЧ, побудованому за схемою, наведеною на рис.3, дорівнюватиме:

Uн = Uпіт-UнасVT3-UR7 (3).

Тут транзистори VT1 і VT3 працюють з посиленням, так як обидва включені за схемою з загальним емітером.

Порівнявши вирази (2) та (3), можна помітити, що якщо буде дотримуватися нерівність:

UнасVT3 <UбеVT3 + UнасVT1 + UR5

ту напругу на навантаженні УМЗЧ, зібраному за схемою, показаної на мал.3, буде найбільшим.


Рис. 3

Таким чином, для отримання максимальної вихідної потужності при заданому напрузі живлення в вихідному каскаді УМЗЧ необхідно, по-перше, використовувати потужні низькочастотні транзистори з великою площею емітера, оскільки у них найменша напруга насичення Uнас і, по-друге, відмовитися від резистора в ланцюзі емітера. Хоча цей резистор і забезпечує ООС по струму, обійтися без нього можна, так як при невеликих напругах живлення (до 15 … 16 В) і роботі вихідних транзисторів в режимі В їх саморозігрів малоймовірний.


Рис.4

Значно підвищити вихідну потужність підсилювача дозволяє "мостове" включення навантаження. Теоретично в цьому випадку можливе чотирикратне збільшення потужності при низькому напрузі літанія. Для нормальної роботи підсилювача потужності в такому режимі необхідно забезпечити умови, при яких на навантаження надходять рівні по амплітуді, але протилежні по фазі сигнали. Існує кілька способів "Мостового" включення навантаження [3,4]. У УМЗЧ, структурна схема якого наведена на рис.4, для створення протівофазних сигналів використовується трансформатор Т1 з заземленою середньою точкою вторинної обмотки. Самі сигнали управляють двома ідентичними підсилювачами потужності A1, A2. Проте використання для отримання протівофазних сигналів трансформатора не дозволяє побудувати УМЗЧ з хорошими параметрами, оскільки трансформатор звужує частотний діапазон, що підсилюється сигналу.


Мал.5

В підсилювачі, структурна схема якого показана на рис.5, для створення протівофазного сигналу використовується інвертується підсилювач A1. Але й ця схема має недоліки, оскільки інвертується підсилювач знижує вхідний опір одного з плечей УМЗЧ, вносить до підсилюваний сигнал додаткові спотворення і, безумовно, ускладнює підсилювач.


Рис.6

Більш доцільний УМЗЧ, побудований за схемою, наведеною на рис.6 [З]. У його роботі використовується властивість ОП завдяки великому коефіцієнту посилення підтримувати на обох своїх входах однакові напруга. В результаті напруга в точці В виявляється рівним напруги в точці С, тобто в даному випадку точка У буде мати потенціал загального проводу. Отже, підсилювач DA1 включений тут як самий звичайний неінвертуючий підсилювач і коефіцієнт його посилення дорівнює К = 1 + + R1/R2. З іншого боку, з урахуванням зазначеного вище властивості ОУ сигнал у точці А буде дорівнює зовнішньому вхідного сигналу і в той же час є вхідним для підсилювача DA2. Коефіцієнт посилення цього включеного по схемі інвертується підсилювача дорівнює К = R3/R2.

Іншими словами, при R1 + R2 = R3 K = (R2 + R1) / R2 = R1/R2 +1 і на навантаженні Rн будуть присутні два однакових по амплітуді і протилежних по фазі сигналу, що і потрібно для роботи "мостового" підсилювача.

Зі сказаного випливає, що дане технічне рішення найбільш вдало як з точки зору отримання хорошої якості звучання, так і з точки зору простоти схеми, оскільки в УМЗЧ відсутні будь-які додаткові здатні вносити нелінійні спотворення елементи.

Для збільшення клацніть по малюнку лівої кнопки миші
Рис.7

На базі запропонованої структурної схеми був спроектований і виготовлений підсилювач потужності (мал. 7).

Основні характеристики підсилювача

Номінальна вихідна потужність, Вт, на навантаженні 4 Ом 2х15
Номінальна вхідна напруга, В 0,2
Діапазон відтворюваних частот, Гц, при нерівномірності АЧХ ± 0,5 дБ 20…20 000
Коефіцієнт гармонік,%, на частоті 1 кГц і при вихідній потужності 12 Вт, не більше 0,05
Відношення сигнал / шум, дБ 85
Напруга живлення, В 12
Габарити, мм 182х176х52
Маса, кг 1

Розглянемо схему одного каналу підсилювача докладніше. На ОП 1DA1.1 зібраний підсилювач напруги. Резистори 1R4 і 1 R5 забезпечують зсув робочої точки ОУ по постійному струму. Елементи 1R6, 1С4 утворюють фільтр низьких частот (ФВЧ), a 1R1, 1С1 – високих (ФНЧ). Одне з плечей вихідного каскаду зібрано на транзисторах 1VT1, 1VT2, 1VT5, 1VT6, включених по схемі із загальним емітером. Вихідний каскад охоплений ланцюгом місцевої ООС 1R20, 1R14, яка визначає його коефіцієнт посилення, він дорівнює чотирьом. Корекцію частотної характеристики вихідного каскаду забезпечує конденсатор 1С12. У результаті корекції знижується коефіцієнт посилення каскаду на вищих звукових частотах і, отже, підвищується його стійкість. У ланцюг загальної ООС входять резистори 1R21 і 1R7.

Протівофазное управління другим плечем вихідного каскаду УМЗЧ (1VT3, 1VT4, 1VT7, 1VT8) забезпечує ОУ 1DA1.2. Коефіцієнт посилення вирівнюється за допомогою ланцюга 1R8, 1R23. Вихідний сигнал з каскаду на транзисторах 1VT1, 1VT2, 1VT4, 1VT6 надходить на неінвертуючий вхід ОП 1DA1.2. через ланцюг 1R71R211C5. При проходженні позитивної напівхвилі звукового сигналу струм тече через транзистор 1VT5, навантаження і транзистор 1VT8, а при проходженні негативній напівхвилі – через транзистор 1VT6, навантаження і транзистор 1VT7.

Для зниження рівня пульсації в ланцюг харчування УМЗЧ введений фільтр 1C151C14L1. Обмежувальний діод 1VD5 зрізає імпульси напрузі в ланцюзі літанія, які можуть виникнути під час запуску генератора автомобіля. Світлодіод 1HL1 сигналізує про наявність напруги живлення.

Підсилювач змонтований на платі розмірами 130х144 мм із склотекстоліти товщиною 2 мм. Вихідні транзистори 1VT5-1VT8 встановлені на тепловідвід, закріпленому на одній стороні плати. На тепловідводу, закріпленому на іншій стороні плати, встановлені вихідні транзистори другого каналу. При монтажі використані постійні резистори С2-23-0, 125, змінний резистор 1R2-СП-4-1, оксидні конденсатори – К50-35-16, решта-К10-17. Котушка L1 безкаркасні і містить 22 витка проводу ПЕЛ 0,1, намотаних на оправці діаметром 10 мм. ОУ К157УД2А можна замінити більш швидкодіючими ОУ КР574УД2А. У цьому випадку слід очікувати зниження коефіцієнта гармонік. Вказані на схемі транзистори можна замінити аналогічними з будь-якими, але однаковими літерними індексами. Випробування декількох примірників підсилювача показали, що правильно зібраний підсилювач практично не потребує налагодженні.

Р. Нуруллін, м. Санкт-Петербург
РАДІО № 9, 1993 р., с.9-10.

ЛІТЕРАТУРА

1. Застосування ОП в підсилювачах потужності. – Radoetectronik, 1988, № 3, с.2-3.
2. Герберт С. Трьохсмуговий активні АС потужністю 70 Вт на інтегральних мікросхемах. -Funkshau, 1980. № 5, с.161-165.
3. Накагава М. Схемотехніка симетричних бестрансформаторних підсилювачів. – Stereo Technic, 1984, № 5, с. 161-165.