Високоякісні автомобільні УМЗЧ

Незважаючи на вражаючі успіхи мікроелектроніки, створення інтегрального підсилювача потужності звукових частот (УМЗЧ) пов'язане з великими труднощами. Пояснюється це тим, що потужність, що розсіюється напівпровідниковими кристалами, які випускаються за 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 звичайно 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 ОУ з транзисторами вихідних каскадів УМЗЧ [1,2]. Розглянемо ті з них, які дозволяють отримати максимальне вихідна напруга при обмеженій величиною напруги живлення 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, ця напруга буде одно:

Uн = Uпит-UбеVT1-UбеVT3-UR8 (l),

де Uпит – 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 еміттерние 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 емітерного повторювача. У цьому випадку максимальне напруга на нагрузочном резистори Rн складе величину:

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

Напруга на навантажувальному резистори УМЗЧ, побудованому за схемою, наведеною на рис.3, дорівнюватиме:

Uн = Uпит-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

то напруга 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 току, обійтися без нього можна, тому що при невеликих напругах живлення (до 15 … 16 В) і роботі вихідних транзисторів у режимі У їх саморозігрів малоймовірний.


Рис.4

Значно підвищити вихідну потужність підсилювача дозволяє "мостове" включення навантаження. Теоретично в цьому випадку можливе чотириразове 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 протифазних сигналів використовується трансформатор Т1 з заземленою середньою точкою вторинної обмотки. Самі сигнали управляють двома ідентичними підсилювачами потужності A1, A2. Проте використання для отримання протифазних сигналів трансформатора не дозволяє побудувати УМЗЧ з хорошими параметрами, оскільки трансформатор звужує частотний діапазон підсилюється сигналу.


Рис.5

В підсилювачі, структурна схема якого показана на рис.5, для створення противофазно сигналу використовується інвертують підсилювач A1. Але й ця схема має недоліки, оскільки інвертують 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 ОУ завдяки найбільшого коефіцієнта посилення підтримувати на обох своїх входах однакові напругу. У результаті напруга в точці В виявляється рівним напрузі в точці С, тобто в даному випадку крапка 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 бути вхідним для підсилювача DA2. Коефіцієнт посилення цього включеного за инвертирующей схемою підсилювача дорівнює К = R3/R2.

Іншими словами, при R1 + R2 = R3 K = (R2 + R1) / R2 = R1/R2 +1 та 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.


Рис.7

На базі запропонованої структурної схеми був спроектований і виготовлений підсилювач потужності (рис.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 ОУ 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 з 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.

Протифазне управління іншим 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 півхвилі звукового сигналу струм тече через транзистор 1VT5, навантаження і транзистор 1VT8, а при проходженні негативної півхвилі – 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 з стеклотекстолита товщиною 2 мм. Вихідні транзистори 1VT5-1VT8 встановлені на теплоотводе, закріпленому на одній стороні плати. На теплоотводе, 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 витки дроту 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 кількох примірників підсилювача показали, що правильно зібраний підсилювач практично не потребує налагодження.

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

ЛІТЕРАТУРА

1. Застосування ОУ 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 Н. Схемотехніка симетричних бестрансформаторних підсилювачів. – Stereo Technic, 1984, № 5, с. 161-165.