Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.
Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:
Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.
При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.
Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.
У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.
Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.
Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:
Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.
Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.
Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.
Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.
С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.
При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.
На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.
Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.
Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.
Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».
Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.
Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.
Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.
Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.
Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.
В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.
Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».
Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.
Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.
Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.
Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.
Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.
В конце позапрошлого века немецкий химик К.А. Винклер открыл элемент, существование которого заранее было предсказано Д.И. Менделеевым. А 1 июля 1948 г. в подвале газеты «Нью-Йорк Таймс» появилась короткая заметка под заголовком «Создание транзистора». В ней сообщалось об изобретении «электронного прибора, способного заменить в радиотехнике обычные электровакуумные лампы».
Разумеется, первые транзисторы были германиевыми, и именно этот элемент произвел настоящий переворот в радиотехнике. Не будем спорить, выиграли ли ценители музыки при переходе от ламп к транзисторам - дискуссии эти уже успели порядком поднадоесть. Давайте лучше зададим себе другой, не менее актуальный вопрос: пошел ли на пользу звуку следующий виток эволюции, когда кремниевые приборы пришли на смену германиевым? Век последних был недолог, и они не оставили после себя, подобно лампам, ощутимого звукового наследия. Сейчас германиевые транзисторы не выпускаются ни в одной стране, и о них уже вспоминают крайне редко. А зря. Я считаю, что любой кремниевый транзистор, будь он биполярный или полевой, высокочастотный или низкочастотный, малосигнальный или мощный, менее пригоден для высококачественного звуковоспроизведения, чем германиевый. Для начала давайте рассмотрим физические свойства обоих элементов.*
* Публикуется по H.J.Fisher, Transistortechnik fur Den Funkamateur. Перевод А.В. Безрукова, М., МРБ, 1966.
| Свойства | Германий | Кремний |
| Плотность, г/см 3 | 5,323 | 2,330 |
| Атомный вес | 72,60 | 28,08 |
| Количество атомов в 1 см 3 | 4,42*10 22 | 4,96*10 22 |
| Ширина запрещенной зоны, ЭВ | 0,72 | 1,1 |
| Диэлектрическая постоянная | 16 | 12 |
| Температура плавления, °С | 937,2 | 1420 |
| Теплопроводность, кал/см X сек X град | 0,14 | 0,20 |
| Подвижность электронов, см 2 /сек*В | 3800 | 1300 |
| Подвижность дырок, см 2 /сек*В | 1800 | 500 |
| Продолжительность жизни электрона, мксек | 100 - 1000 | 50 - 500 |
| Длина свободного пробега электрона, см | 0,3 | 0,1 |
| Длина свободного пробега дырки, см | 0,07 - 0,02 | 0,02 - 0,06 |
Из таблицы видно, что подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, а также длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше у германия, а ширина запрещенной зоны ниже, чем у кремния. Известно также, что падение напряжения на переходе p-n составляет 0,1 - 0,3 В, а на n-p - 0, 6 - 0,7 В, из чего можно сделать вывод, что германий является гораздо лучшим «проводником», чем кремний, а следовательно, и каскад усиления на транзисторе p-n-p имеет значительно меньшие потери звуковой энергии, чем аналогичный на n-p-n. Возникает вопрос: почему же выпуск германиевых полупроводников был прекращен? Прежде всего потому, что по некоторым критериям Si намного предпочтительнее, поскольку может работать при температуре до 150 град. (Ge - 85), да и частотные свойства у него несравненно лучше. Вторая причина чисто экономическая. Запасы кремния на планете практически безграничны, в то время как германий - довольно редкий элемент, технология получения и очистки которого значительно дороже.
Между тем, для применения в домашней аудиотехнике упомянутые преимущества кремния абсолютно неочевидны, а свойства германия, наоборот, крайне привлекательны. Кроме того, в нашей стране германиевых транзисторов хоть завались, да и цены на них просто смешные.**
** Предвижу, что после выхода этой статьи цены на радиорынках могут подскочить, как это уже произошло с некоторыми типами ламп и микросхем - Прим. ред.
Итак, приступим к рассмотрению схем усилителей на германиевых полупроводниках. Но сначала несколько принципов, соблюдение которых исключительно важно для получения действительно высокого качества звучания.
Схема №1, минималистская
Принцип не нов, такая схемотехника была весьма популярна в шестидесятые годы. На мой взгляд, это чуть ли не единственная конфигурация бестрансформаторного усилителя, соответствующая аудиофильским канонам. Благодаря своей простоте позволяет добиться высокого качества звучания при минимальных затратах. Автором она была лишь адаптирована к современным требованиям High End Audio.
Настройка усилителя весьма проста. Сначала устанавливаем резистором R2 половину напряжения питания на «минусе» конденсатора С7. Затем подбираем R13 так, чтобы миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь выходных транзисторов, показал ток покоя 40 - 50 мА, не больше. При подаче сигнала на вход следует убедиться в отсутствии самовозбуждения, хотя оно и маловероятно. Если все же на экране осциллографа заметны признаки ВЧ-генерации, попробуйте увеличить емкость конденсатора С5. Для устойчивой работы усилителя при изменении температуры диоды VD1, 2, должны быть смазаны теплопроводной пастой и прижаты к одному из выходных транзисторов. Последние устанавливаются на теплоотводах площадью не менее 200 см 2 .
Схема №2, усовершенствованная
В первой схеме был квазикомплементарный выходной каскад, поскольку промышленность 40 лет назад не выпускала мощных германиевых транзисторов со структурой n-p-n. Комплементарные пары ГТ703 (p-n-p) и ГТ705 (n-p-n) появились лишь в 70-х, что позволило усовершенствовать схему выходного каскада. Но мир далек от совершенства - у перечисленных выше типов максимальный ток коллектора всего 3,5 А (у П217В Iк max = 7,5 A). Поэтому применить их в схеме можно, лишь поставив по два в плечо. Этим, собственно, и отличается №2, разве что полярность блока питания противоположна. И усилитель напряжения (VT1), соответственно, реализован на транзисторе другой проводимости.
Настраивается схема точно так же, даже ток покоя выходного каскада такой же.
Для получения высокого качества звучания придется поискать в закромах 4 германиевых диода Д305. Другие категорически не рекомендуются. Соединяем их мостом, шунтируем слюдой КСО по 0,01 мкФ, а затем ставим 8 конденсаторов 1000 мкФ X 63 В (те же К50-29 или Philips), которые тоже шунтируем слюдой. Наращивать емкость не надо - тональный баланс уходит вниз, теряется воздух.
Параметры обеих схем примерно одинаковы: выходная мощность 20 Вт на нагрузке 4 Ом при искажениях 0,1 - 0,2%. Разумеется, эти цифры мало что говорят о звучании. Уверен в одном - послушав грамотно сделанный по одной из этих схем усилитель, вы вряд ли вернетесь к кремниевым транзисторам.
Апрель 2003 г.
Мы послушали у Жана прототип первого варианта усилителя. Первое впечатление - необычно. Звучание отчасти транзисторное (хороший контроль нагрузки, четкий бас, убедительный драйв), отчасти ламповое (отсутствие жесткости, воздух, деликатность, если хотите). Усилитель заводит, но не раздражает назойливостью. Мощности хватает, чтобы без малейших признаков клиппинга раскачать до невыносимой громкости напольную акустику с чувствительностью 90 дБ. Что интересно - тональный баланс на разных уровнях почти не меняется.
Это результат продуманной конструкции и тщательно подобранных деталей. Учитывая, что комплект транзисторов обойдется рублей в пятьдесят (хотя, если не очень повезет, для подбора пар может потребоваться несколько десятков, смотря какая партия попадется), не экономьте на других элементах, особенно конденсаторах.
Буквально за пару часов на макетной плате был собран один канал усилителя для анализа схемы. На выходе устанавливались американские германиевые транзисторы Altec AU108 с граничной частотой 3 МГц. При этом полоса пропускания по уровню 0,5 дБ была 10 Гц - 27 кГц, искажения на мощности 15 Вт примерно 0,2%. Доминировала 3-я гармоника, но наблюдались выбросы и более высоких порядков, вплоть до 11-го. С транзисторами ГТ-705Д (Fгр. = 10 кГц) ситуация была несколько иной: полоса сузилась до 18 кГц, зато гармоник выше 5-й на экране анализатора вообще не было видно. Изменилось и звучание - оно как-то потеплело, смягчилось, но искрящееся прежде «серебро» поблекло. Так что первый вариант можно рекомендовать для акустики с «мягкими» пищалками, а второй - с титановыми или пьезоизлучателями. Характер искажений зависит от качества конденсаторов С7 и С6 на схемах 1 и 2 соответственно. А вот их шунтирование слюдой и пленкой не очень заметно на слух.
К недостаткам схемы следует отнести малое входное сопротивление (около 2 кОм в верхнем положении регулятора громкости), которое может перегрузить выходной буфер источника сигнала. Второй момент - уровень искажений сильно зависит от характеристик и режима первого транзистора. Чтобы повысить линейность входного каскада, имеет смысл ввести две вольт-добавки для питания коллекторной и эмиттерной цепи T1 . Для этого делаются два дополнительных независимых стабилизатора с выходным напряжением 3 В. «Плюс» одного соединяется с шиной питания - 40 В (все пояснения даются для схемы 1, для другой схемы полярность меняется на противоположную), а «минус» подается на верхний вывод R4. Резистор R7 и конденсатор C6 из схемы исключаются. Второй источник включается так: «минус» на землю, а «плюс» - на нижние выводы резисторов R3 и R6. Конденсатор C4 при этом остается между эмиттером и землей. Возможно, стоит поэкспериментировать со стабилизированным питанием. Любые изменения в питании и самой схеме усилителя радикально влияют на звук, что открывает широкие возможности для твикинга.
| Таблица 1. Детали усилителя | |||
| Сопротивления | |||
| R1 | 10k | переменное, ALPS тип A | |
| R2 | 68k | подстроечное CП4-1 | |
| R3 | 3k9 | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R4 | 200 | 1/4 w | -//- |
| R5 | 2k | 1/4 w | -//- |
| R6 | 100 | 1/4 w | -//- |
| R7 | 47 | 1 w | -//- |
| R8,R9 | 39 | 1 w | -//- |
| R10, R11 | 1 | 5 w | проволочные, С5 - 16МВ |
| R12 | 10k | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R13 | 20 | 1/4 w | -//- подбирается при настройке |
| Конденсаторы | |||
| С1 | 47 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С2 | 100 мкФ х 63 В | -//- | |
| С3 | 1000 пФ | КСО, СГМ | |
| С4 | 220 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С5 | 330 пФ | ||
| С6 | 1000 мкФ х 63 В | К50-29, Philips | |
| С7 | 4 х 1000 мкФ х 63 В | -//- | |
| Полупроводники | |||
| VD1, VD2 | Д311 | ||
| VT1, VT2 | ГТ402Г | ||
| VT3 | ГТ404Г | ||
| VT4, VT5 | П214В | ||
| Таблица 2. Детали усилителя | |||
| Сопротивления | |||
| R1 | 10k | переменное, ALPS тип A | |
| R2 | 68k | подстроечное, CП4-1 | |
| R3 | 3k9 | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| R4 | 200 | 1/4 w | -//- |
| R5 | 2k | 1/4 w | -//- |
| R6 | 100 | 1/4 w | -//- |
| R7 | 47 | 1 w | -//- |
| R8 | 20 | 1/4 w | -//-, подбирается при настройке |
| R9 | 82 | 1 w | -//- |
| R10 - R13 | 2 | 5 w | проволочные, С5 - 16МВ |
| R14 | 10k | 1/4 w | ВС, С1-4 |
| Конденсаторы | |||
| С1 | 47 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С2 | 100 мкФ х 63 В | -//- | |
| С3 | 1000 мкФ х 63 В | К50-29, Philips | |
| С4 | 1000 пФ | КСО, СГМ | |
| С5 | 220 мкФ х 16 В | К50-29, Philips | |
| С6 | 4 х 1000 мкФ х 63 В | -//- | |
| С7 | 330 пФ | КСО, СГМ, подбирается при настройке | |
| Полупроводники | |||
| VD1, VD2 | Д311 | ||
| VT1, VT2 | ГТ404Г | ||
| VT3 | ГТ402Г | ||
| VT4, VT6 | ГТ705Д | ||
| VT5, VT7 | ГТ703Д | ||
От некоторых своих знакомых я слышал неплохие отзывы о звучании УНЧ на германиевых транзисторах. И решил собрать обычную классическую схему на комплементарных германиевых транзисторах ГТ703/705. На раскачку – каскад СРПП на 6Н30П для получения возможно более низкого выходного сопротивления.
Схема следуюшая:
Резистором VR2 устанавливается ноль на выходе, резистором VR1 – ток покоя выходных транзисторов. Стабилитроны нужны для предотвращения появления опасного для транзисторов напряжения между этажами СРПП в случае выхода из строя одной из половинок ламп. Предварительное прослушивание макета показало очень неплохое звучание, максимальная синусоидальная мощность – 8 Ватт, полоса на уровне минус 1 дБ от 20 Гц до 80 кГц. Чувствительность – 0,6 вольта. Макет играл минут 10 на максимальной громкости (сколько держали уши) и радиаторы выходных транзисторов даже не нагрелись до 50 градусов, увеличился только ток покоя от начальных 40 мА до 100. Блок питания:
Для дальнейших эксперимантов был собран макет в стерео варианте. Первые тесты были сделаны без сетвого фильтра. Добавление этого элемента вернуло ясность звучания, присущую ламповым усилителям. В общем, конечно, это не 2А3, но учитывая просто подкупающую простоту конструкции, звучание очень и очень достойное. По общему впечатлению – типично триодное, то есть чистое, детальное, точное, но поэтому и несколько малоэмоциональное и простоватое. Трудно сказать, является причиной этому ламповая или транзисторная часть схемы, или схема сама по себе – это покажут дальнейшие опыты – они безусловно будут продолжены.
И в заключение – пара картинок как это выглядит:
Дополнено 21 февраля 2013 года. Видимо, можно питание выходного каскада сделать на LM7812 и LM7912, установленных на радиатор.
Схема усилителя проста, деталюшек минимум, пригодится для повторения новичками, ниже текст так же для них. Усилительные элементы схемы – германиевые транзисторы - активно применялись еще тридцать лет назад. Схемотехника напоминает многие распространенные схемы тех лет, например усилитель Электрон 20. Некоторые различия есть, в основном технологического характера.
Источник питания однополюсный, нестабилизированный, несколько необычно там смотрится дроссель. Выходной каскад работает в режиме класса АВ.
Выходная мощность 10Вт, общий КНИ до 3%, нагрузка - 8ми Омные громкоговорители.
Работа усилителя на примере одного канала:
Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1, сюда же приходит постоянное напряжение с делителя R5,R9 – это задает потенциал смещения транзистора и одновременно напряжение симметрии выхода. Усиленный VT1 сигнал, подается на базу VT3 и далее на выходной каскад VT5,VT6,VT9,VT10. В эмиттер VT1 приходит напряжение с выхода усилителя (точка + С9) – образуя цепь Общей Отрицательной Обратной Связи, причем по постоянному и переменному току одновременно. Если допустим напряжение на эмиттере VT1, пришедшее с выхода, больше чем на его базе – тогда запирается VT1, VT3, VT6, VT9, потенциал выхода уменьшается за счет одновременно открывшихся VT5, VT10. Аналогично происходит, если на эмиттер VT1 приходит напряжение с выхода, меньшее чем на его базе (только отпирание/запирание транзисторов происходит с точность до наоборот). Т.е. усилитель автоматически поддерживает напряжение на выходе заданное делителем R5,R9 в базе VT1. Аналогично действует схема, усиливая полезный сигнал переменного тока. Только теперь схема отрабатывает звуковой сигнал поступающий в базу VT1 через С2. Глубина действия ОООС, неодинакова для постоянного и переменного тока, из-за наличия конденсатора С4. По переменному току с помощью делителя R11 R12 задается Ку всего усилителя, по постоянному току действует 100% ОООС (через R11 в эмиттер VT1) что хорошо поддерживает симметрию выхода по постоянному току. Основным усилителем напряжения по амплитуде, необходимой для «раскачки» выходного каскада, является транзистор VT3. Для улучшения свойств этого каскада, нагрузкой его является цепь Положительной Обратной Связи, которая берется через R23 с выхода усилителя и образует т.н. «динамическую нагрузку». Действие этой цепи приводит к почти неизменному току через VT3, при любой амплитуде сигнала – транзистор работает в более линейном режиме и развивает максимальный Ку, что важно и с точки зрения уменьшения общего КНИ усилителя и максимальной амплитуде сигнала на выходе. Конечно, цепь ПОС, не совсем совершенна в качестве «динамической нагрузки», применена в общем, для упрощения схемы. Выходной каскад вполне обычный, его задача значительно усилить по току напряжение, поступающее с каскада на VT3 и подача в нагрузку. Составной транзистор VT6,VT9 отпирается при положительном потенциале, каскад VT5,VT10 - при отрицательном, таким образом, происходит усиление сигнала переменного тока в точке симметрии +С9. В нагрузку звуковой сигнал поступает через конденсатор С9, который не пропускает постоянное напряжение с точки симметрии усилителя. Для минимизации искажений, выходные транзисторы приоткрыты некоторым начальным током (ток покоя).
Этот ток задается падением напряжения от протекающего коллекторного тока VT3 на резисторах R17,R18, и приложен между базами предвыходных транзисторов. Цепочка R19,С6 устраняет самовозбуждение усилителя, которое может возникнуть на частотах более 50кГц. При монтаже усилителя следует обратить внимание на подключение проводов GND, сечение проводов соединения выходных транзисторов следует взять 0.75-1мм2, (кроме провода базы).
Настройка и первое включение усилителя:
Настройку следует производить, включив вместо предохранителя мощный резистор сопротивлением 15-20Ом, а вместо акустики мощные резисторы 8-15Ом. Если все транзисторы исправны и в схеме нет ошибок, в точках симметрии (+С9, +С10) должно сразу установится напряжение равное половине питания - это следует проверить первым делом. Дополнительно его корректируют подстроечником R4. Разбаланс симметрии в пределах +/-2 вольта вполне допустим. Затем контролируют начальный ток выходных транзисторов (ток покоя) измеряя его по падению напряжения на резисторах R32 и R34, оно должно быть в пределах 40-70мВ. Если в схеме есть ошибки, или неисправные элементы, тогда возможно сильно нагреется резистор, включенный вместо предохранителя, одновременно спасая транзисторы схемы (выходные и предвыходные) от пробоя – следует внимательно проверить схему и устранить ошибку или неисправный элемент. Следующий этап проверки – на отсутствие ВЧ самовозбуждения – нужно подключить на выход осциллограф. Наличие самовозбуждения устраняют корректировкой цепи R19,С6. Если все нормально, устанавливаем предохранитель на место, подключаем на вход генератор ЗЧ и проверяем усилитель испытательными сигналами. Прежде всего, нужно проверить симметрию ограничения максимальной амплитуды сигнала – ограничение должно наступать примерно при амплитуде 10В частота 1000Гц., если это не так, нужно подобрать сопротивление R23 или заменить VT3. Усилитель можно исследовать сигналами разных частот и амплитуд, форм. Подробную методику пока не будем приводить – усилитель ведь для начинающего. На частотах более 10кГц нежелательно подавать номинальный сигнал на вход – выходные транзисторы могут перегреться, на музыкальном сигнале этого не происходит по причине малой амплитуды этих сигналов. Следует так же еще раз проконтролировать ток покоя выходных транзисторов, должен быть в пределах 50-70мА, корректируется подбором сопротивления R17. Если ток больше – сопротивление уменьшить, и наоборот. Контроль тока нужно произвести еще примерно через час работы усилителя – он не должен увеличиваться.
Теперь можно подключить АС и источник сигнала – усилитель готов для эксплуатации.
В качестве источника, например, выход CD плеера, с уровнем 0.775-1В.
На фото, собранный на макете усилитель для отслушивания, в корпус я его так и не оформил (это было в 2005году).
Звучание вполне ничего, но тренированное ухо отмечает некоторую зализанность самых верхних верхов, слегка рыхловатый низ, а вот голосовой диапазон или около того, звучит довольно приятно, тепло. Во время отслушки, использовалась АС ОЯ 160 литров, с парой динамиков 4А28
и 6ГД2
в каждой. Довольно, неплохо усилитель работает и на 10МАС1М, первых выпусков, с еще «недубевшей» резиной НЧ динамиков.
В усилитель, его базовую схему, можно внести некоторые изменения, которые позволят улучшить его ТТХ, одновременно желательно произвести отбор транзисторов. Работоспособность усилителя сохраняется до снижения напряжения питания 12-15В, можно ниже, но следует произвести подстройку симметрии и тока покоя. ТТХ усилителя при снижении питания будут, конечно же, хуже, упадет и выходная мощность. Транзисторы можно заменить на подобные серии МП, ГТ404В
,Г, 402Ж,И. П214
лучше всего с буквой А, но можно и другие, возможно так же применение и П215
,16,17, но звучание будет несколько хуже, особенно на ВЧ. Можно применить и транзисторы серий П213, и даже П201, 202, тогда напряжение питания следует снизить до 27-30В. Примененный транзистор МП37Б
работает на пределе по Uк-э макс, но отказов или пробоя у меня не было.
Пресытившись конструкциями на лампах и современных компонентах в последнее время в ностальгическом порыве маюсь конструкциями на германиевых транзисторах.
Начитавшись на форумах, что, дескать, из-за несовершенства технологии производства их параметры со временем сильно деградируют, для проверки своих запасов даже приобрёл промышленный измеритель параметров транзисторов и маломощных диодов Л2-54.
Протестировал более сотни разных экземпляров транзисторов и могу с удовлетворением отметить, что ни один не забраковал – все как минимум с полуторакратным (а чаще всего с 2-3 кратным) запасом соответствуют справочным данным. Так что совсем не грех их трудоустроить, тем паче, что в мою юность многие из них были столь же желанны, как и недоступны.
И начинаем традиционно – с постройки УНЧ .
Целый ряд популярных и по сей день радиолюбительских приемников, например , выполнены на германиевых транзисторах и рассчитаны на работу на дефицитные ныне высокоомные наушники. Рекомендуемые там же для повышения выходной мощности простые эмиттерные повторители способны обеспечить более-менее пристойное звучание лишь на связные низкоомные наушники (100- 600 Ом) или низкоомную нагрузку (4-16 Ом современные наушники или динамик), подключаемую через трансформатор с Ктр не менее 1/5 (1/25 по сопротивлению) и всё равно при малых уровнях сильно сказывается искажения типа ступенька. Можно, конечно, попробовать притулить туда современные УНЧ на ИМС, но они требуют плюсовое питание. Можно пойти еще дальше и перевести конструкции на современные транзисторы, но… теряется «изюминка», вкус времени — «ностальжи», так что это не наш путь.
Существенно улучшить качество звучания на низкоомную нагрузку и обеспечить громкоговорящий прием поможет усилитель мощности с глубокой ООС (рис.1 обведён синей рамкой), подключаемый вместо высокоомных наушников.
Как видим, его схема почти классика 60-70гг. Отличительной чертой является глубокая (более 32 дБ) ООС по постоянному и переменному току (через резистор R7), что и обеспечивает высокую линейность усиления (при средних уровнях Кг менее 0,5%, при малой (менее 5 мВт) и максимальной мощности (0,5 Вт) Кг достигает 2%). Несколько непривычное включение регулятора громкости обеспечивает повышение глубины ООС при уменьшении громкости, благодаря этому оказалось возможным сделать УНЧ более экономичным (ток покоя всего УНЧ ППП не более 7 мА) практически при полном отсутствии искажений типа «ступенька». Конденсатор С6 ограничивает полосу пропускания на уровне примерно 3,5 кГц (без него она превышает 40 кГц!), что также снижает уровень собственных шумов – УНЧ очень тихий. Уровень собственных шумов на выходе примерно 1,2 мВ! (при заземлённом левом выводе С1). Общий Кус со входа (с левого вывода С1) примерно 8 тыс. Т.о. уровень собственных шумов приведенных ко входу — примерно 0,15 мкВ. При подключении к реальному источнику сигнала (ФНЧ) за счет токовой составляющей уровень собственных шумов, приведенных ко входу, возрастает до 0,3-0,4 мкВ.
В выходном каскаде применены недорогие и надежные ГТ403. УНЧ способен выдать «на гора» и большую мощность (до 2,5 Вт на нагрузке 4 Ома), но тогда потребуется установить транзисторы на радиаторы и/или применить более мощный (П213, П214 и т.п.), но, на мой взгляд, 0,5 Вт и современном чувствительном динамике «за глаза» хватает даже при прослушивании музыки. Для усилителя НЧ пригодны практически любые германиевые низкочастотные транзисторы соответствующей структуры и Н21э транзисторов не менее 40 (Т2, T3, Т4 –МП13-16, МП39-42, а Т5- МП9-11, МП35-38). Если планируется применение этого УНЧ в ППП, то нужно, чтобы Т1 был малошумящим (П27А, П28, МП39Б). Для выходного каскада пары Т4,Т5 и Т6,Т7 желательно подобрать с близкими (не хуже +-10%) значениями Н21е.
За счет глубокой ООС по постоянному току режимы УНЧ устанавливаются автоматически. При первом включении проверяют ток покоя (5-7 мА) и при необходимости добиваются требуемого подбором более удачного экземпляра диода. Упростить эту процедуру можно, если воспользоваться китайским мультиметром. Он в режиме прозвонки диодов пропускает через диод ток примерно 1 мА. Нам нужен экземпляр с падением напряжения порядка 310-320 мВ.
Для испытаний мощного УНЧ была выбрана схема простого двухдиапазонного ППП RA3AAE. Давно хотел её попробовать, да всё как-то руки не доходили, а тут такая оказия (hi!).
Сразу сделал небольшие корректировки схемы (см. рис.3), которые здесь и опишу. Всё остальное, в т.ч. и процесс настройки смотрите в книжке .
В качестве двухзвенного ФНЧ уже традиционно применил магнитофонную универсальную головку, что обеспечило повышенную селективность по соседнему каналу. Катушка ФНЧ имеет довольно большую собственную емкость, поэтому она существенно нагружает ГПД, особенно если намотана не ПЭЛШО, а простым проводом типа ПЭВ, ПЭЛ (в т.ч. и магнитофонные ГУ). В этом случае собственная емкость катушки настолько велика, что весьма проблематично запустить ГПД с нормальной амплитудой на диодах — с этим сталкивались многие коллеги. Вот поэтому сигнал ГПД лучше снимать не с отвода катушки, а катушки связи, что исключает все эти проблемы и заодно полностью исключает попадание напряжение ГПД на вход УНЧ. Дабы не заморачиваться намоткой нашел подходящие готовые катушки и вперёд, к испытаниям ППП и неожиданно натолкнулся на серьезные «грабли» — при переключении на 40м диапазон амплитуда сигнала ГПД на катушке связи уменьшается в 2 раза! Ладно, подумал я, может у меня гранаты, то бишь катушки, не той системы (hi!). Нашел каркасы и перемотал строго по автору (см. фото)
и здесь надо отдать должное Владимиру Тимофеевичу — без дополнительных телодвижений сразу попал в указанные частотные диапазоны — как входных контуров, так и ГПД.
Но… проблема осталась, а это значит, что нельзя оптимально настроить смеситель на обоих диапазонах – если выставить оптимальную амплитуду на одном, то на другом диоды будут или закрыты или практически постоянно открыты. Возможен только некий средний, компромиссный, вариант установки амплитуды ГПД, когда смеситель будет более-менее работать на обоих диапазонах, но с повышенными потерями (до 6-10 дБ). Решение проблемы оказалось поверхности – использовать свободную группу переключения в тумблере для коммутации эмиттерного резистора, которым и будем устанавливать оптимальную амплитуду ГПД на каждом диапазоне. Для контроля и регулировки оптимальной амплитуды ГПД применим такую же методу, как в .
Для этого левый (см. рис.3) вывод диода D1 переключаем на вспомогательный конденсатор 0С1. В результате получается классический выпрямитель напряжения ГПД с удвоением. Этот своеобразный «встроенный ВЧ вольтметр» и дает нам возможность провести фактически прямое измерение режимов работы конкретных диодов от конкретного ГПД непосредственно в работающей схеме. Подключив для контроля к 0С1 мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, подбором эмиттерных резисторов (с начала R3 на 40м диапазоне, затем R5 на 80м) добиваемся напряжения +0,8…+1 В – это и будет оптимальное напряжения для диодов 1N4148, КД522,521 и т.п. Вот вся настройка. Подпаиваем вывод диода обратно на место, а вспомогательную цепочку убираем. Теперь при оптимальном работающем смесителе можно оптимизировать (увеличить) его подключение к входному контуру (отвод делается не от 5 , а от 10 витка L2), тем самым повысить чутьё на 6-10дБ на обоих диапазонах.
По цепи питания мощного двухтактного УНЧ возможны большие пульсации напряжения, особенно при питания от батарей. Поэтому для питания ГПД применен экономичный параметрический стабилизатор напряжения на Т4, где в качестве стабилитрона использован обратносмещённый эмиттерный переход КТ315 (что было под рукой). Выходное напряжение стабилизатора выбрано порядка -6..-6,5в, что обеспечивает стабильную частоту настройки при разряде батареи вплоть до 7в. Из-за пониженного напряжения питания ГПД число витков катушки связи L3 увеличено до 8 витков. Но у КТ315 разброс по напряжению пробоя эмиттерного перехода довольно большой – первый попавшийся дал 7,5в – многовато, второй дал 7в (см. графики из )
– уже хорошо, применив в качестве Т4 кремниевый КТ209в получил требуемые -6,3в. Если не хочется заморачиваться с подбором, можно в качестве Т5 поставить КТ316, тогда Т4 должен быть германиевым (МП39-42). Тогда имеет смысл для унификации и в ГПД поставить КТ316 (см. рис.4), что положительно скажется на стабильности частоты ГПД. Именно такой вариант у меня сейчас работает.
