Схема эстрадного усилителя мощности на транзисторах (400Ватт)

Описываемый усилитель мощности предназначен для двухканального усиления мощности сигнала, подаваемого с микшерного пульта или предварительного усилителя Каждый из двух входов имеет регулятор уровня входного сигнала позволяющий установить необходимую чувствительность. Переключателем можно объединять его входы, при этом один из двух входных разъемов можно использовать как линейный выход для увеличения числа работающих параллельно усилителей К особенностям УМЗЧ можно отнести переключаемый фактор демпфирования громкоговорителей для оптимизации их звучания в различных акустических условиях.

Основные технические характеристики:
Номинальное входное напряжение, В................ 1,1
Ном. вых. мощ. каждого канала, Вт при Кг- 1% и Rнагр
4 Ом ........................................................................400
8 Ом ........................................................................220
Диап. раб. частот, Гц, при неравн. -0,5 дБ.....20...20000
Скорость нарастания вых. сигнала, В/мкс...........25
Коэф. гарм. искажений сигнала, %, не более:
на частоте 1 кГц ......................................................0,01
в рабочем диапазоне частот ..................................0,1
Отношение сигнал/шум фон, дБ ..............................96
Допустимое отклон. напряжения в сети, В........180 ..260
Мин. сопротивление нагрузки, Ом.......................... 2,5
Масса, кг, не более ................................................... 16

имеет индикаторы уровня выходного сигнала и его ограничения, перегрузки по выходу, а также индикаторы аварийного отключения громкоговорителей и превышения на пряжения сети.
На рис. 1 приведена схема правого канала усилителя и узла защиты нагрузки.
На входе УМЗЧ применен ОУ КР544УД2А, а цепи C4R4 и R1C3 ограничивают полосу усиливаемых ча стот Они уменьшают проникновение в УМ колебаний инфра- и ультразвуковых частот, способных привести к перегрузке усилителя и динамических головок. Усилитель напряжения на VT1—VT4 аналогичен примененному в [1, 2]. Выход ОУ соединен с эмиттерным повторителем VT3 который совместно с цепью R6C15 выполняет функции преобразователя напряжение—ток. Этот ток поступает через каскад с ОБ на VT2 к усилителю напряжения на VT1
Далее структура этого не практически симметрична: нагрузкой транзистора VT1 является генератор тока на VT4, входная цепь последующего каскада усилителей тока, а также резистор R12, стабилизирующий сопротивление нагрузки для VT1. Это сделано с целью некоторого умень шения общего усиления и увеличения устойчивости усилителя при замкнутой це и ООС Последующий усилитель тока выполнен трехступенчатым VT5 VT10, далее — VT11 VT17 и затем VT12—VT16, VT18— VT22 (в каждом плече по пять параллельно включенных транзисторов)

Рисунок 1

Узел защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке выполнен на транзисторах VT6, VT7 и VT8, VT9, включенных по схеме аналога тиристора, для верхнего и нижнего плеча соответственно В вьключенном со стоянии этот узел не оказывает влияния на выходной каскад. При возникновении условий для срабатывания защиты транзисторы соответствующего плеча выходного каскада полностью закрываются. Таким образом, ток потребления УМ при КЗ и номинальном входном напряжении будет даже меньше, чем в режиме холостого хода, поэтому при КЗ на выходе усилитель мощности не вы ходит из строя.
Резистор R14 необходим для кор ректной работы защиты от КЗ. К примеру, при перегрузке верхнего по схеме плеча открываются транзисторы VT6, VT7 и остаточное напряжение на базе VT5 относительно выхода не превышает 0,8 В. Если этого резистора нет, то напряжение смещения на диодах (примерно 2,6 В) приведет к увеличению напряжения смещения для нижнего плеча выходного каскада и его отпирания.
В отличие от других устройств защиты с выключением выходных транзисторов [2, 3], предлагаемый узел автоматически возвращается в исходное состояние при восстановлении нагрузки сопротивлением 2,5... 16 Ом и подаче на вход усилителя полезного сигнала с уровнем 25% от номинального и выше. Цепи R18C13 и R19C14 устраняют возможность ложного срабатывания защиты из-за сдвига фазы тока в нагрузке вследствие ее реактивного характера.

В выходном каскаде транзисторы предоконечной ступени работают в режиме АВ с током покоя около 100 мА, определяемого напряжением смещения на диодах VD9—VD12 и резисторами R24, R35. Относительно небольшое их сопротивление позволяет этой ступени работать в режиме малого сигнала непосредственно на нагрузку и сокращает время разрядки емкости СБЭ транзисторов оконечной ступени, снижая ее коммутационные искажения. Эти транзисторы работают в режиме В. поэтому для них не требуется цепей термокомпенсации и регулировки тока покоя.
Индикатор ограничения выходного сигнала и КЗ на выходе питается импульсами отрицательной полярности на выходе ОУ DA1, возникающими вследствие разрыва петли ОС при ограничении выходного сигнала или срабатывания узла защиты.
Устройство задержки подключения нагрузки и отключения ее при появлении постоянного напряжения на выходе усилителей выполнено общим для обоих каналов. При включении питания конденсатор С19 заряжается через резистор R49, обеспечивая задержку открывания транзисторов VT25. VT27 и включения реле К1 на 2 с. Г|ри появлении постоянного напряжения ла выходе одного из усилителей при положительной полярности откроется транзистор VT23, а в случае отрицательной — VT24, запирая транзисторы VT25. VT27 и выключая реле.

Рисунок 2.

Отключение громкоговорителей производится узлом защиты и при увеличении напряжения в сети выше 250В (VT26, VD17—VT19, R51—R53). Как показывает практика, превышение питающего напряжения бывает гораздо чаще чем можно предполагать При повышении напряжения питания узла защиты ток, текущий через стабилитроны VD17—VD19, открывает транзистор VT26, в результате включается индикация превышения напряжения сети и открывается транзистор VT23, что приводит к отключению нагрузки. Продолжение работы возможно после перевода переключателя напряжения сети в положение "250 В".
Схема источника питания, блока индикации и межблочных соединений обоих каналов показана на рис. 2. Нумерация межблочных соединений платы УМ и защиты АС, а также платы индикаторов соответствует нумерации выводов контактных площадок на соответствующих рисунках размещения элементов на печатных платах. Каждый из двух входов усилителя имеет регулятор уровня входного сигнала (переменные резисторы R1. R2). позволяющий установить необходимую чувствительность. Кнопочным переключателем SB1 можно объединять его входы.
В УМЗЧ возможно переключение степени демпфирования громкоговорителей, используемых в различных акустических условиях. При переводе усилителя в режим высокого выходного сопротивления (кнопка переключателя SB2 "Вых. Н/В" нажата) выходное сопротивление усилителя повышается до 8. 10 Ом за счет введения в уси лителе обратной связи по току с резисторов R3, R4. Это, как показывает практика, — оптимальная величина для большинства громкоговорителей. Однако ее легко изменить в любую сторону подбором резистора R2 на плате усилителей
Заметим, что режим повышенного выходного сопротивления заметно повышает надежность работы АС Дело в том, что повышение выходного сопротивления усилителя способствует понижению активных потерь в громкоговорителе, что позволяет более полно использовать его возможности и, кроме того, заметно снизить интермодуляционные искажения [4]. Режим повышенного выходного сопротивления также уменьшает сдвиг фазы тока в выходном каскаде относительно входного сигнала.
Усилитель оснащен индикаторами контроля режима работы. Это индикаторы включения питающей сети (HL9), аварийного отключения громкоговорителей (HL7) и индикатор HL8, свидетельствующий о принудительном отключении нагрузки вследствие опасного превышения напряжения питания. Индикаторы уровня сигнала HL2 и HL3 HL5 и HL6 имеют пороговые значения 5, 20 дБ, а также показывают его ограничение (светодиоды HL1, HL4) для каждого канала отдельно. Кроме ограничения, те же индикаторы сигнализируют о коротком замыкании на выходе какого-либо канала (при отсутствии свечения остальных индикаторов уровня)

КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ

Внешний вид усилителя показан на рис. 3 (со стороны задней панели) Основные его узлы размещены на металлическом шасси с крышкой. На передней панели с щелевыми отверстиями установлены вентиляторы для принудительного обдува теплоотво-дов мощных транзисторов усилителя, а также плата индикации режимов работы. На задней панели установлены соединители для присоединения сигнальных кабелей и трехпроводного кабеля питания, переключатели предельного напряжения сети и фактора демпфирования громкоговорителей, держатель плавкого предохранителя.
Монтаж усилителя выполнен в основном на трех платах — плате усилителей, плате индикации и плате выпрямителя питания. На плате усилителей расположены два канала УМ с теплоотводами выходных транзисторов и узел защиты громкоговорителей. Печатная плата (ее размеры 355x263 мм) и расположение элементов, которые принято изображать в журнале в натуральную величину приведены на рис. 4 (с 40,41} в масштабе 85%.
В узле защиты нагрузки можно применить реле РП21 имеющее четыре группы контактов (по два параллельно), либо РЭК34 или аналогичное с напряжением срабатывания 24 В. В качестве геплоот-водов применены "радиаторы" типа Р1 производства Винницкого ПО "Маяк" (ТУ 8.650.022) с фрезерованными площадками для установки двух мощных транзисторов (КТ8101Аили КТ8102А) на каждый.
Теплоотводы охлаждаются с помощью вытяжной вентиляции двумя вентиляторами ВВФ71, установленными за передней панелью усилителя. Крайне нежелательно устанавливать их на задней панели ввиду большого уровня наводок от их двигателей.
Конструкция платы позволяет также применить самодельные теплоотводы на шесть транзисторов (для каждого плеча) с теплоот-водящей поверхностью не менее 600 см5 и принудительном охлаждением. Плата усилителей размещена в корпусе самого усилителя так, что сигнальные входы и выходы обоих каналов располагаются со стороны задней панели.
Как уже указывалось усилитель имеет переключаемый фактор демпфирования, реализованный включением петли ООС по току. Резисторы R3, R4 на рис 2—датчики тока нагрузки, используемые для изменения фактора демпфирования выполнены из десяти параллельно включенных резисторов МЛТ-0,5 сопротивлением 1 Ом. Применение проволочных резисторов нежелательно.
Дроссель L1 (см. рис. 1) намотан непосредственно на резисторе R55 МЛТ-2 проводом ПЭВ-2 0,8 мм в один слой (до заполнения). Блокировочные конденсаторы — К73-11, в фильтре питания К50-18. Трансформатор питания выпол нен на ленточном магнитопроводе типа ШЛ40 45 мм Его намоточные данные приведены в таблице.

максимально упрощен. Питание собственно УМЗЧ производится от выпрямителя с напряжением 70 В, для блока защиты и индикации используется свой вы прямитель, подключаемый к отдельной обмотке трансформатора питания. Вентиляторы М1, М2 предназначены для обдува теплоотводов мощных транзисторов.

Транзисторы выходного каскада КТ8101А и КТ8102А необходимо отобрать по коэффициенту усиления — не менее 25 и не более 60, а главное по предельному напряжению. Для определения этого параметра необходимо собрать несложное устройство, состоящее из выпрямителя переменного напряжения до 300 ..350 В, резистора сопротивлением 24.. 40 кОм (мощностью 2 Вт) и вольтметра с пределом 500 В (рис. 5) Транзистор с замкнутыми выводами базы и эмиттера подключают через токоогра-ничивающий резистор к источнику Вольтметр, подключенный параллельно транзистору, фиксирует при этом напряжение лавинного пробоя проверяемого транзистора, которое и будет для него предельным. Транзисторы следует отбирать с напряжением пробоя не менее 250 В. Игнорирование этого требования может привести к выходу из строя усилителя в процессе эксплуатации.

Плату выпрямителя питания (она приведена на рис. 6 в масштабе 1 2) устанавливают на выводы конденсаторов фильтра выпрямителя и закрепляют соответствующими винтами.

Монтаж общего провода и цепей питания производят многожильным проводом сечением 1,2 мм2. Кроме того, монтаж общего провода от выпрямителей к плате усилителей и узлу отключения нагрузки выполняется отдельными максимально короткими проводами.
На рис. 7 приведены рисунок печат ной платы индикаторов и расположение элементов. Светодиоды устанавливают таким образом, чтобы их торцы немного выступали на поверхности передней панели усилителя.

  Рисунок 7

ВКЛЮЧЕНИЕ И НАСТРОЙКА

Для настройки усилителя потребуются осциллограф, генератор 34 автотрансформатор ЛАТР на напряжение 0— 250 В при токе нагрузки до 2 А и резис-тивные эквиваленты нагрузки Усилитель подключают к выходным клеммам авто трансформатора через вспомогательный кабель, обеспечивающий возможность подключения в цепь питания вольтметра и амперметра переменного тока.
Вначале следует установить переключатель сетевого напряжения в положение "220 В" и проверить работу блока питания, затем — работу узла защиты нагрузки путем подачи постоянного напряжения 2...3 В (поочередно разной полярности) на левый по схеме вывод резисторов R47 или R48. Удостоверившись в работоспо собности узла, нужно выставить подстро ечным резистором R52 порог отключения нагрузки при увеличении напряжения сети до 250 В и выше.

Следующий этап — самый ответственный Подключив по цепям +70 В один из каналов усилителя (питание от сети надо подавать через плавкий предохранитель с предельным током не более 1 А) и контролируя ток потребления амперметром, а выходной сигнал — осциллографом, нужно очень медленно повышать напряжение питания с автотрансформатора от нуля до номинального. Ток потребления выходного каскада не должен превышать 250 мА в противном случае следует немедленно отключить питание и тщательно проверить монтаж.

  Рисунок 8.

Вначале на выходе усилителя появится постоянное напряжение положительной полярности. При достижении его значения примерно половины от номинального напряжения питания выходное напряжение скачком окажется близким к нулю вследствие включения действия ООС. Падение напряжения на резисторах R24 и R25 должно составлять 200.. 250 мВ, что соответствует току покоя транзисторов VT11, VT17 в пределах 60. 85 мА При необходимости подбирают диоды VD9—VD12 или один из VD9—VD11 заменяют германиевым.

После этого проверяют работу УМЗЧ без нагрузки от генератора 34 Установив частоту 1...2 кГц, плавно увеличивают сигнал на входе усилителя и убеждаются в том, что амплитуда его выходного напряжения составляет не менее 50 В. Индикатор перегрузки должен зажигаться с началом офаничения выходного сигнала Далее заменив предохранитель другим (на ток 5—7 А) по осциллографу наблюдают работу усилителя под нагрузкой на мощный резистор сопротивлением вначале 8, а затем — 4 Ом Амплитуда неограниченного сигнала должна составлять не менее 46 и 42 В соответственно Возможное в некоторых случаях возбуждение на ВЧ устраняют подбором конденсаторов С9, СЮ, С15, а при заменах мощных транзисторов — и С11, С12.

Проверку работы в режиме повышенного выходного сопротивления надо производить при нафузке сопротивлением 4 Ом именно при такой нагрузке сигнал с датчика тока примерно равен входному и не возникает заметного изменения коэффициента усиления. Если после включения этого режима обнаружится само возбуждение, нужно увеличить емкость конденсатора С10 фазовой коррекции в цепи ООС
Далее нужно убедиться в работоспособности узла защиты от короткого за мыкания в цепи нафузки (эту проверку лучше проводить в режиме низкого выходного сопротивления). Для этого следует вначале при нагрузке сопротивлени ем 8 Ом и размахе выходного напряжения 20. .30 В перемкнуть базы VT6, VT7, а затем и VT8 VT9 При этом на осциллограмме выходного сигнала должны "отсекаться" положительная и отрицательная полуволны соответственно.

После этой процедуры нужно проверить реакцию усилителя на нагрузку сопротивлением 0 33 Ом и мощностью 3—6 Вт, имитирующую короткое замыкание. Убрать входной сигнал, подключить в цепь питания одного из плеч амперметр к выходу вольтметр Подключив эту нагрузку к выходу медленно увеличивать входное напряжение контролируя выходное напряжение потребляемый ток и форму сигнала При уровне выходного напряжения 2,1.. 2,3 В должна срабо а ь защи а для одного плеча (обычно верхнего по схеме форма сигнала показана на рис. 8,а), при дальнейшем увеличении напряжения сработает защита для другого плеча (рис. 8,6). Ток потребления при этом должен упасть до 160. .200м А. После этого проверку работы УМЗЧ можно считать законченной.

Транзисторы в оконечной ступени выходного каскада усилителя работают практически без начального смещения. Перевод их в режим класса АВ позволяет примерно в 6...8 раз снизить нелинейные искажения на высоких частотах. Наиболее простой вариант узла смещения показан на рис. 9. Его включают вместо четырех диодов смещения, точка "А" — к коллектору VT1, точка "В" к коллектору VT4. Резистор R12 в этом случае также исключается. Термодатчик (транзистор VT28) устанавливают на теплоотводе как можно ближе к мощному транзистору выходного каскада, находящемуся в наихудших условиях охлаждения. Применяя этот узел, необходимо увеличить сопротивление резисторов R24, R35 до 12—15 Ом.

Рисунок 9.

Регулировка тока покоя состоит в следующем. Вначале движок переменного резистора R58 выводят в верхнее по схеме положение. Подав питание, устанавливают ток покоя 150... 180 мА. После этого при подключенной нагрузке и номинальном выходном напряжении усилитель прогревают в течение 10...15 мин. Вновь измеряют ток покоя. Если он ниже первоначального, нужно немного увеличить сопротивление R60 в цепи эмиттера VT28 и повторять процедуру настройки до получения примерно одинакового тока покоя в холодном и горячем состояниях. Недостатки данного узла — наличие подстроечного резистора и большая инерционность тепловой цепи ООС.

От этих недостатков свободно устройство автоматического регулирования тока покоя по схеме, показанной на рис. 10. Принцип его действия заключается в измерении падения напряжения на резисторах R63, R64 — датчиках тока покоя выходных транзисторов, с последующим управлением током транзисторов оптопары U1, включенных вместо смещающих диодов.

При достаточно большом сигнале транзисторы VT29 и VT30 работают практически поочередно: когда один из них находится в состоянии насыщения, другой — в активном состоянии, управляя оптопарой и током покоя. И наоборот. Настройки узел не требует, однако возможна коррекция тока покоя подбором резистора R58. После включения питания ток покоя УМЗЧ в течение В...10 с равен нулю, а затем плавно увеличивается до нормы. В усилителе с авторегулированием тока покоя сопротивление резисторов R24, R35 можно увеличить до 12—15 Ом.

  Рисунок 10.

В усилителе возможно ввести плавную регулировку выходного сопротивления. Для этого достаточно переключатель демпфирования SB2 заменить сдвоенным переменным резистором сопротивлением 2...4 кОм и уменьшить сопротивление R2 до 100 Ом для расширения диапазона регулировки выходного сопротивления (в сторону увеличения).

Мощные транзисторы выходного каскада можно заменить на 2SC3281 и 2SA1302, 2SA1216 и 2SC2922, 2SA1294 и 2SC3263 (в этом случае отбор транзисторов производить не обязательно). КТ940А и КТ9115А можно заменить на КТ851 и КТ850 с любым буквенным индексом.

С. САКЕВИЧ, г. Луганск, Украина

Литература:

1 Клецов В. Усилитель НЧ с малыми искажениями — Радио, 1983, N° 7, с. 51 — 53.
2 Сухов Н. УМЗЧ высокой верности Радио, 1989, № 6, с 55 57
3 Зуев П. Усилитель с многопетлевой ООС — Радио, 1984 № 11. с 29—32
4 Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление9 — Радио, 1997. № 4 с. 14—16