Каталог радиолюбительских схем

Несмотря на впечатляющие успехи микроэлектроники, создание интегрального усилителя мощности звуковых частот (УМЗЧ) связано с большими трудностями. Объясняется это тем, что мощность, рассеиваемая полупроводниковыми кристаллами, выпускаемыми по массовой технологии, ограничена 10...15 Вт. В результате УМЗЧ, от которых требуется повышенная мощность и надежность в жестких температурных условиях, до сих пор строят на дискретных элементах. Именно к такого рода устройствам относится автомобильная радиоаппаратура, в частности автомобильные усилители мощности. Необходимость их повышенной мощности и хороших параметров вызвана применением в автомобилях малогабаритных АС с низкой чувствительностью.

В усилителях напряжения таких УМЗЧ применяют обычно ОУ. Это позволяет существенно снизить количество элементов, используемых в каскадах предварительного усиления, а значит, повысить надежность и снизить стоимость УМЗЧ. Существует несколько способов соединения ОУ с транзисторами выходных каскадов УМЗЧ [1,2]. Рассмотрим те из них, которые позволяют получить максимальное выходное напряжение при ограниченной величине питающего напряжения бортовой сети автомобиля. При этих условиях в идеальном случае напряжение на нагрузке (U ) может достигать величины

Uн=12 В —Uнас,

где Uнас — напряжение насыщения выходного транзистора. Для УМЗЧ, упрощенная схема которого представлена на рис.1, это напряжение будет равно:

Uн=Uпит-UбэVT1-UбэVT3-UR8 (l),

где Uпит — напряжение питания, UR8 — падение напряжения на резисторе R8, UбэVT1, U,эVT3 — напряжение база-эмиттер транзисторов выходного каскада VT1, VTЗ.

Рис. 1

Отсюда следует, что при собранном по этой схеме выходном каскаде выходные транзисторы не могут полностью открыться, поскольку они включены как эмиттерные повторители и напряжения на их эмиттерах отличаются от напряжений на их базах всего на 0,6 В (UбэVT1 — UбэVT3 = 0,6 В).

Рис. 2

В УМЗЧ, представленном на рис.2, транзистор VT1 уже включен по схеме с общим эмиттером и работает с усилением, а транзистор VT3 — по-прежнему по схеме эмиттерного повторителя. В этом случае максимальное напряжение на нагрузочном резисторе Rн составит величину:

Uн =Uпит - UнасVT1- UR5 - UбэVT3 - UR8 (2).

Напряжение на нагрузочном резисторе УМЗЧ, построенном по схеме, приведенной на рис.3, будет равно:

Uн = Uпит —UнасVT3 —UR7 (3).

Здесь транзисторы VT1 и VT3 работают с усилением, так как оба включены по схеме с общим эмиттером.

Сравнив выражения (2) и (3), можно заметить, что если будет соблюдаться неравенство:

UнасVT3 < UбэVT3 + UнасVT1+ UR5

то напряжение на нагрузке УМЗЧ, собранном по схеме, показанной на рис.3, будет наибольшим.

Рис. 3

Таким образом, для получения максимальной выходной мощности при заданном напряжении питания в выходном каскаде УМЗЧ необходимо, во-первых, использовать мощные низкочастотные транзисторы с большой площадью эмиттера, поскольку у них наименьшее напряжение насыщения Uнас и, во-вторых, отказаться от резистора в цепи эмиттера. Хотя этот резистор и обеспечивает ООС по току, обойтись без него можно, так как при небольших напряжениях питания (до 15...16 В) и работе выходных транзисторов в режиме В их саморазогрев маловероятен.

Рис.4

Значительно повысить выходную мощность усилителя позволяет “мостовое” включение нагрузки. Теоретически в этом случае возможно четырехкратное увеличение мощности при низменном напряжении литания. Для нормальной работы усилителя мощности в таком режиме необходимо обеспечить условия, при которых на нагрузку поступают равные по амплитуде, но противоположные по фазе сигналы. Существует несколько способов “мостового” включения нагрузки [3,4]. В УМЗЧ, структурная схема которого приведена на рис.4, для создания противофазных сигналов используется трансформатор Т1 с заземленной средней точкой вторичной обмотки. Сами сигналы управляют двумя идентичными усилителями мощности A1, A2. Однако использование для получения противофазных сигналов трансформатора не позволяет построить УМЗЧ с хорошими параметрами, поскольку трансформатор сужает частотный диапазон усиливаемого сигнала.

Рис.5

В усилителе, структурная схема которого показана на рис.5, для создания противофазного сигнала используется инвертирующий усилитель A1. Но и эта схема имеет недостатки, поскольку инвертирующий усилитель снижает входное сопротивление одного из плеч УМЗЧ, вносит в усиливаемый сигнал дополнительные искажения и, безусловно, усложняет усилитель.

Рис.6

Более целесообразен УМЗЧ, построенный по схеме, приведенной на рис.6 [З]. В его работе используется свойство ОУ благодаря большому коэффициенту усиления поддерживать на обоих своих входах одинаковые напряжение. В результате напряжение в точке В оказывается равным напряжению в точке С, т.е. в данном случае точка В будет иметь потенциал общего провода. Следовательно, усилитель DA1 включен здесь как самый обычный неинвертирующий усилитель и коэффициент его усиления равен К =1 + +R1/R2. С другой стороны, с учетом указанного выше свойства ОУ сигнал в точке А будет равен внешнему входному сигналу и в то же время являться входным для усилителя DA2. Коэффициент усиления этого включенного по инвертирующей схеме усилителя равен К =R3/R2.

Иными словами, при R1+R2=R3 K=(R2+R1)/R2=R1/R2+1 и на нагрузке Rн будут присутствовать два одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе сигнала, что и нужно для работы “мостового” усилителя.

Из сказанного следует, что данное техническое решение наиболее удачно как с точки зрения получения хорошего качества звучания, так и с точки зрения простоты схемы, поскольку в УМЗЧ отсутствуют какие-либо дополнительные способные вносить нелинейные искажения элементы.

Рис.7

На базе предложенной структурной схемы был спроектирован и изготовлен усилитель мощности (рис.7).

Основные характеристики усилителя

Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке 4 Ом	2х15
Номинальное входное напряжение, В	0,2
Диапазон воспроизводимых частот, Гц, при неравномерности АЧХ ± 0,5 дБ	20...20 000
Коэффициент гармоник, %, на частоте 1 кГц и при выходной мощности 12 Вт, не более	0,05
Отношение сигнал/шум, дБ	85
Напряжение питания, В	12
Габариты, мм	182х176х52
Масса,кг	1

Рассмотрим схему одного канала усилителя подробнее. На ОУ 1DA1.1 собран усилитель напряжения. Резисторы 1R4 и 1 R5 обеспечивают смещение рабочей точки ОУ по постоянному току. Элементы 1R6, 1С4 образуют фильтр низких частот (ФВЧ), a 1R1, 1С1 - высоких (ФНЧ). Одно из плеч выходного каскада собрано на транзисторах 1VT1,1VT2, 1VT5, 1VT6, включенных по схеме с общим эмиттером. Выходной каскад охвачен цепью местной ООС 1R20, 1R14, которая определяет его коэффициент усиления, он равен четырем. Коррекцию частотной характеристики выходного каскада обеспечивает конденсатор 1С12. В результате коррекции снижается коэффициент усиления каскада на высших звуковых частотах и, следовательно, повышается его устойчивость. В цепь общей ООС входят резисторы 1R21 и 1R7.

Противофазное управление другим плечом выходного каскада УМЗЧ (1VT3,1VT4, 1VT7, 1VT8) обеспечивает ОУ 1DA1.2. Коэффициент усиления выравнивается с помощью цепи 1R8,1R23. Выходной сигнал с каскада на транзисторах 1VT1,1VT2, 1VT4, 1VT6 поступает на неинвертирующий вход ОУ 1DA1.2. через цепь 1R71R211C5. При прохождении положительной полуволны звукового сигнала ток течет через транзистор 1VT5, нагрузку и транзистор 1VT8, а при прохождении отрицательной полуволны — через транзистор 1VT6, нагрузку и транзистор 1VT7.

Для снижения уровня пульсации в цепь питания УМЗЧ введен фильтр 1C151C14L1. Ограничительный диод 1VD5 срезает импульсы напряжении в цепи литания, которые могут возникнуть при запуске генератора автомобиля. Светодиод 1HL1 сигнализирует о наличии напряжения питания.

Усилитель смонтирован на плате размерами 130х144 мм из стеклотекстолита толщиной 2 мм. Выходные транзисторы 1VT5—1VT8 установлены на теплоотводе, закрепленном на одной стороне платы. На теплоотводе, закрепленном на другой стороне платы, установлены выходные транзисторы второго канала. При монтаже использованы постоянные резисторы С2-23-0,125, переменный резистор 1R2—СП-4-1, оксидные конденсаторы — К50-35-16, остальные —К10-17. Катушка L1 бескаркасная и содержит 22 витка провода ПЭЛ 0,1, намотанных на оправке диаметром 10 мм. ОУ К157УД2А можно заменить более быстродействующими ОУ КР574УД2А. В этом случае следует ожидать снижения коэффициента гармоник. Указанные на схеме транзисторы можно заменить аналогичными с любыми, но одинаковыми буквенными индексами. Испытания нескольких экземпляров усилителя показали, что правильно собранный усилитель практически не нуждается в налаживании.

Р. НУРУЛЛИН, г. Санкт-Петербург
РАДИО № 9, 1993 г., с.9-10.

ЛИТЕРАТУРА

1. Применение ОУ в усилителях мощности. — Radoetectronik, 1988, № 3, с.2-3.
2. Герберт С. Трехполосные активные АС мощностью 70 Вт на интегральных микросхемах. -Funkshau, 1980. № 5, с.161-165.
3. Накагава Н. Схемотехника симметричных бестрансформаторных усилителей. — Stereo Technic, 1984, № 5, с. 161—165.