При розробці підсилювачів ЗЧ з максимальною вихідною потужністю більше 100 Вт першочергового значення набуває необхідність отримання можливо більшого ККД підсилювача при досить малих нелінійних спотвореннях. Питанні допустимому відсотку нелінійних спотворень підсилювача 34 не раз обговорювалося на сторінках журналу “Радіо” [1, 2], отримання ж високого ККД підсилювача найчастіше не приділялося належної уваги.
Відомо, що хороший ККД має вихідний каскад підсилювача потужності, що працює в режимі В. Однак йому властиві великі нелінійні спотворення.

У журналі “Радіо” розповідалося про корекцію таких спотворень за допомогою прямого зв’язку [3]. Розглядався і спосіб зниження спотворень, заснований на використанні підсилювальних каскадів, що працюють в різних режимах [4].
Автором пропонується ще два варіанти вихідних каскадів підсилювача, що працюють в різних режимах і дозволяють знизити коефіцієнт гармонік могутнього УМЗЧ. Їх спрощені електричні схеми показані на рис. 1а і рис. 1б. Кожен з підсилювачів складається з двох вихідних каскадів – основного і допоміжного, включених паралельно. Причому основний каскад працює в режимі В, а допоміжний – в режимі АВ.

Рис. 1.

Основний каскад підсилювача, показаний на мал. 1а, виконаний на транзисторах VT1, VT2, включених за схемою комплементарного емітерного повторювача, працюючого в режимі В.
Транзистори VT3, VT4 і резистори R6 … R9 утворюють допоміжний каскад, який працює в режимі АВ. Резистори R1 … R5 і діоди VD1, VD2 забезпечують необхідне зміщення на базах транзисторів і задають режим роботи обох каскадів. Як видно зі схеми, напруга зміщення на базах транзисторів допоміжного каскаду завжди більше, ніж на базах основного каскаду на величину падіння напруги на діодах VD1, VD2.
В результаті за допомогою зміни опору резистора R4 задається напруга зміщення на базах транзисторів VT1, VT2, при якому каскад буде працювати в режимі В. Резистори R8, R9 створюють необхідну термостабілізація допоміжного каскаду, а резистори R6, R7 обмежують базовий струм транзисторів VT3, VT4.
При малих рівнях вхідного сигналу транзистори основного каскаду VT1, VT2 закриті, і при цьому працює тільки допоміжний каскад. При цьому змінний струм, що надходить в навантаження, малий, мало і падіння напруги на резисторах R8, R9. Зі збільшенням вхідного напруги починають відкриватися транзистори VT1, VT2 і збільшується струм. надходить в навантаження від включених паралельно вихідних каскадів. Збільшення струму, що протікає через резистори R8, R9, призводить до зростання спадання напруги на них і обмеженню струму транзисторів VT3 і VT4.
При максимальному вихідному струмі, наприклад, при позитивній напівхвилі вхідного напруги, транзистор VT1 повністю відкритий, а через транзистор VT3 при цьому протікає в навантаження набагато менший струм, обмежений в основному резистором R8 і частково R6.
Таким чином, чим більше буде опір резисторів R8, R9, тим на меншому рівні буде обмежений максимальний струм транзисторів допоміжного каскаду, а значить, і максимальна потужність в режимі АВ, що віддається в навантаження. Як показало макетування, опір резисторів R8, R9 порядку 2 … 10 Ом офанічівает максимальний струм транзисторів допоміжного каскаду на рівні 200 … 40 мА.

Більш складний вихідний каскад, зображений на рис. 16. Він забезпечує посилення як по струму, так і по напрузі. В основному каскаді (VT3, VT4) передбачається використання потужних складових транзисторів КТ825, КТ827. Допоміжний каскад VT5 … VT8 також повинен бути зібраний на складених транзисторах Резистори R1 .. R11, стабілітрони VD1, VD2, діоди VD3, VD4 і транзистори VT1, VT2 визначають режим роботи вихідних каскадів, який не змінюється при зміні напруги живлення в значних межах. Пояснюється це тем. що напруга зміщення на базах транзисторів VT1, VT2 підтримується постійними стабилитронами VD1, VD2.
Робота транзисторів вихідного каскаду в режимі посилення струму і напруги забезпечує максимальний ККД вихідного каскаду, оскільки в цьому випадку напруга насичення транзисторів мінімально, і максимальне значення амплітуди вихідного сигналу наближається до напруги живлення.
Як і при корекції спотворень з використанням прямого зв’язку, підсилювач потужності, побудований за запропонованими схемами, повинен мати достатньо глибоку ООС, що забезпечує малі нелінійні спотворення в широкому динамічному діапазоні вихідних сигналів.
Очевидно, що найкращим чином вирішити цю задачу дозволяють сучасні швидкодіючі ОУ.
Застосувавши в попередньому каскаді УМЗЧ швидкодіючий ОУ і побудувавши його вихідний каскад по схемі, вказаній на рис. 1б, вдалося сконструювати підсилювач.
Принципова схема УМЗЧ наведена на рис. 2. Каскад попереднього посилення виконаний на швидкодіючому ОУ DA1 (К544УД2Б), який поряд з необхідним підсиленням по напрузі забезпечує роботу підсилювача з глибокої ООС. Резистор зворотного зв’язку R5 і R1 визначають коефіцієнт посилення підсилювача. Вихідний каскад виконаний на транзисторах VT1 … VT8. Його робота була розглянута вище. Конденсатори С6 … С9 коректують фазову та частотну характеристики каскаду. Стабілітрони VD1, VD2 стабілізують напругу живлення ОП, яке одночасно використовується для створення необхідного напруги зміщення вихідного каскаду.

Рис. 2.

Дільник вихідної напруги ОП R6, R7, діоди VD3 … VD6 і резистор R4 утворюють ланцюг нелінійної ООС, яка зменшує коефіцієнт посилення ОУ коли вихідна напруга підсилювача потужності досягне свого максимального значення. В результаті зменшується глибина насичення транзисторів VT1, VT2 і знижується ймовірність виникнення наскрізного струму у вихідному каскаді. Конденсатори С4, С5-коригувальні. Зі збільшенням ємності конденсатора С5 зростає стійкість підсилювача, але одночасно збільшуються нелінійні спотворення, особливо на вищих частотах.
Підсилювач зберігає працездатність при зниженні напруги живлення до ± 25 В. Можливо і подальше зниження напруги живлення аж до ± 15 В і навіть до ± 12 В при зменшенні опору резисторів R2, R3 або безпосередньому підключенні висновків харчування ОУ до загального джерела харчування і виключення стабілітронів VD1, VD2.

      ОСНОВНІ ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Номінальний діапазон частот, Гц 20 … 20000
Макс. вихідна потужність при Rн 4 Ом, Вт . .200
Коеф. гармонік при вихідній потужності 0,5-150 Вт,%:
на частоті 1 кГц. . . . . . . . . . . . . . . 0,1
на частоті 10 кГц. . . . . . . . . . . . . .0,15
на частоті 20 кГц. . . . . . . . . . . . . .0,2
ККД,%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Ном. вхідна напруга, В. . . . .1
Вхідний опір, кОм. . . . 10

Швидкість наростання вихідної напруги на еквіваленті навантаження при замкнутої накоротко котушки індуктивності. В / мкс. . . . 10
Зниження напруги живлення призводить до зменшення максимальної вихідної потужності підсилювача прямо пропорційно квадрату зміни напруги харчування, тобто при зменшенні напруги живлення в два рази максимальна вихідна потужність підсилювача зменшується в чотири рази. Підсилювач не має захисту від короткого замикання і перевантажень. Ці функції виконує блок живлення.
У журналі “Радіо” висловлювалася думка про необхідність живлення УМЗЧ від стабілізованого джерела живлення для забезпечення більш природного його звучання. Дійсно, при максимальній вихідній потужності підсилювача пульсації напруги нестабілізованого джерела можуть досягати декількох вольт. При цьому напруга живлення може істотно знижуватися за рахунок розряду конденсаторів фільтра. Це непомітно при пікових значеннях вихідної напруги на вищих звукових частотах завдяки достатньої ємності фільтруючих конденсаторів, але позначається при посиленні низькочастотних складових великого рівня, так як в музичному сигналі вони мають більшу тривалість. В результаті фільтруючі конденсатори встигають розряджатися, знижується напруга живлення, а значить, і максимальна вихідна потужність підсилювача.

Якщо ж напруга призводить до зменшення струму спокою вихідного каскаду підсилювача, то це може призводити і до виникнення додаткових нелінійних спотворень.
З іншого боку, використання стабілізованого джерела живлення, побудованого за звичайною схемою параметричного стабілізатора, збільшує споживану потужність і вимагає застосування мережевого трансформатора більшої маси і габаритів.
Крім цього, виникає необхідність відведення тепла, що розсіюється вихідними транзисторами стабілізатора. Причому найчастіше потужність, що розсіюється вихідними транзисторами УМЗЧ, дорівнює потужності, що розсіюється вихідними транзисторами стабілізатора, тобто половина потужності витрачається даремно-Імпульсні стабілізатори напруги мають високий ККД, але досить складні у виготовленні, мають великий рівень високочастотних перешкод і не завжди надійні.
Якщо до блоку живлення не пред’являти жорстких вимог по стабільності напруги і рівнем пульсацій, що характеризує, зокрема, описаний вище підсилювач потужності, то в якості джерела живлення можна використовувати звичайний двополярний блок живлення, принципова схема якого показана на рис. 3.
Потужні складові транзистори VT7 і VT8, включені за схемою емітерний повторювачів, забезпечують досить гарну фільтрацію пульсацій напруги живлення з частотою мережі і стабілізацію вихідної напруги завдяки встановленим в ланцюзі стабілітронів VD5 … VD10. Елементи L1. l_2, R16, R17, С11, С12 усувають можливість виникнення високочастотної генерації, схильність до якої пояснюється великим коефіцієнтом підсилення по струму складових транзисторів.
Величина змінної напруги, що надходить від мережевого трансформатора, обрана такою, щоб при максимальній вихідній потужності УМЗЧ (що відповідає току в навантаженні 4 А) напруга на конденсаторах фільтра С1 … С8 знижувалося приблизно до 46 … 45 В. У цьому випадку падіння напруги на транзисторах VT7, VT8 не перевищуватиме 4 В, а розсіює потужність транзисторами складе 16 Вт
При зменшенні потужності, споживаної від джерела живлення, збільшується падіння напруги на транзисторах VT7, VT8, але розсіюється на них потужність залишається постійною через зменшення споживаного струму. Блок живлення працює як стабілізатор напруги при малих і середніх струмах навантаження, а при максимальному струмі-як транзисторний фільтр. У такому режимі його вихідна напруга може знижуватися до 42 … 41 В, рівень пульсацій на виході досягне значення 200 мВ, ККД дорівнює 90%.

Рис. 3.

Як показало макетування, плавкі запобіжники не можуть захистити підсилювач і блок живлення від перевантажень по струму через свою інерційності. З цієї причини було застосовано пристрій швидкодіючої захисту від короткого замикання і перевищення допустимого струму навантаження, зібране на транзисторах VT1 … VT6. Причому функції захисту при перевантаженнях позитивної полярності виконують транзистори VT1, VT2, VT5, резистори R1, R3, R5, R7 … R9, R13 і конденсатор С9, а негативною – транзистори VT4, VT3, VT6, резистори R2, R4, R6, R10 … R12, R14 і конденсатор С10.
Розглянемо роботу пристрою при перевантаженнях позитивної полярності. У початковому стані при номінальному навантаженні всі транзистори пристрої захисту закриті. При збільшенні струму навантаження починає рости падіння напруги на резисторі R7, і, якщо воно перевищить допустиме значення, починає відкриватися транзистор VT1, а слідом за ним і транзистори VT2 і VT5. Останні зменшують напругу на базі регулюючого транзистора VT7, а значить, і напруга на виході блоку живлення. При цьому за рахунок позитивного зворотного зв’язку, забезпечувана резистором R13. зменшення напруги на виході блоку живлення призводить до прискорення подальшого відкривання транзисторів VT1, VT2, VT5 і швидкому закривання транзистора VT7. Якщо опір резистора позитивної зворотного зв’язку R13 мало, то після спрацювання пристрою захисту напруга на виході блоку живлення не відновлюється навіть після відключення навантаження. У цьому режимі необхідно було б передбачити кнопку запуску, що відключає, наприклад, на короткий час резистор R13 після спрацювання захисту і в момент включення блоку живлення. Однак, якщо опір резистора R13 вибрати таким, щоб при короткому замиканні навантаження струм не був рівний нулю, то напруга на виході блоку живлення буде відновлюватися після спрацювання пристрою захисту при зменшенні струму навантаження до безпечної величини. Практично опір резистора R13 вибирається такої величини, при якій забезпечується надійне включення блоку живлення при обмеженні струму короткого замикання значенням 0,1 … 0,5 А. Струм спрацювання пристрою захисту визначає резистор R7.
Аналогічно працює пристрій захисту блоку живлення при перевантаженнях негативної полярності.
Конструкція і деталі
Всі деталі УМЗЧ і блоку живлення розміщені на одній платі. Виняток становлять транзистори VT3, VT4, VT6, VT8 УМЗЧ, встановлені на загальному теп-лоотводе з площею розсіюваною поверхні 1200 см2 і транзистори VT7, VT8 БП, розміщені на окремих теп-лоотводах з площею рассеивающей поверхні 300 см2 кожний.

Котушки L1, L2 блоку живлення (рис. 3) і L1 підсилювача потужності містять 30 … 40 витків дроту ПЕВ-1 діаметром 1,0 мм, намотаного на корпусі резистора С5-5 або МЛТ-2. Резистори R7, R12 блоку живлення являють собою відрізок мідного дроту ПЕЛ, ПЕВ-1 або ПЕЛШО діаметром 0,33 мм і довжиною 150 мм, намотаного на корпусі резистора МЛТІ.
Трансформатор живлення виконаний на тороїдальним магнітопроводі з електротехнічної сталі Е320, товщиною 0,35 мм, ширина стрічки 40 мм, внутрішній діаметр магнітопроводу 80 мм, зовнішній-130 мм. Мережева обмотка містить 700 витків дроту ПЕЛШО діаметром 0,47 мм, вторинна – 2×130 витків дроту ПЕЛШО діаметром 1,2 мм.
Замість ОУ К544УД2Б можна використовувати К544УД2А, К140УД11 або К574УД1. Кожен з транзисторів
КТ825Г можна замінити складовими КТ814Г і КТ818А, а транзистор КТ827А – складовими КТ815Г і КТ819Г (що дуже небажано). Діоди VD3 … VD6 УМЗЧ можна замінити якими високочастотними кремнієвими діодами. VD7, VD8-якими кремнієвими з максимальним прямим струмом не менше 100 мА. Замість стабілітронів КС515А можна використовувати з’єднані послідовно стабілітрони Д814А (Б, В, Г, Д) і КС512А.
Налагодження блоку зводиться до встановлення (підлаштування резистором R12) струму спокою вихідних транзисторів VT6, VT8 в межах 10 … 15 мА.
Включають підсилювач після перевірки справності блоку живлення. Для цього, замінивши резистори R7, R12 блоку живлення більше високоомними (приблизно 0,2 … 0,3 Ом), перевіряють працездатність блоку живлення пристрою захисту. Воно має спрацьовувати при струмі навантаження 1 … 2А.
Переконавшись в нормальній роботі блоку живлення і УМЗЧ, встановлюють резистори R7, R12 з номінальними опорами, вказаними на принциповій схемою, перевіряють роботу підсилювача при максимальній потужності, контролюючи відсутність спрацювання пристрою захисту блоку живлення.

Література

 
1. Лексин Валентин і Віктор. Про за-метності нелінійних спотвореннях підсилювача потужності. – Радіо, 1984, № 2, с. 33.
2. Солнцев Ю. Який же Кг допустимо?
– Радіо, 1985, № 2, с. 26.
3. Солнцев Ю. Високоякісний підсилювач потужності. – Радіо, 1984, № 5, с. 29.
4. Гумелев Є. Якість і схемотехніка УМЗЧ. – Радіо, № 9, с. 31.