Режимы Standby и Mute

В проекте «Китайский синдром» «Мастер Кит» противопоставит цифровые УНЧ, построенные на интегральных схемах, выпущенных на востоке от России, аналогичным модулям с запада. С восточной стороны мы постараемся собрать самые амбициозные и дерзкие проекты из юго-восточной Азии и Японии. Начнем с поделок молодых компаний из поднебесной, затем восходящие корейские драконы и закончим чипами от японских транснациональных корпораций. На западной стороне проекта выступят американские мэтры цифровой техники и их европейские коллеги-конкуренты, штампующие свои уникальные изделия на восточной стороне.

Предлагаемый усилитель MP3112 – модуль, представленный на ваш суд, построен на чипе TPA3112D1 от: Texas Instruments. Отличительная особенность модуля – это фирменная технология защиты громкоговорителей SpeakerGuard™ , защита от перегрева и короткого замыкания на выходах с автоматическим восстановлением. Отсутствие выходных фильтров. Дифференциальный вход. Отсутствие переходных помех (щелчков) при включении. Минимальные собственные шумы. Широкий диапазон воспроизводимых частот. Высокий КПД - более 94% - позволяет усилителю работать на полной мощности без радиатора охлаждения. Электронное включение/выключение. Четырехступенчатый, регулируемый коэффициент усиления. Миниатюрность. Унифицированный форм-фактор «Мастер КИТ», позволяющий легко проектировать устройства на базе наших модулей.

Технические характеристики

Микросхема LM1875 это высококачественный монофонический усилитель мощности низкой частоты, отдающий в нагрузку 25 Ватт. Выходной каскад работает в классе АВ. LM1875 отличается высокими звуковыми параметрами. Динамический диапазон - 90 дБ. нелинейные искажения - 0.015%, полоса воспроизводимых частот 20 - 20000 Гц. Микросхема предназначена для использования в бытовых аудиосистемах, для питания широкополосной акустики или маломощного сабвуфера.
Популярны две стандартные схемы включения LM1875. Типовая - она описана в даташите на микросхему и мостовая. Усилитель на двух LM1875 включенных по мостовой схеме способен развивать до 50 Ватт на выходе.
В этот раз мы предлагаем вам собрать усилитель по стандартной схеме. Маленькая печатная плата, минимальное количество деталей, высокое качество звука - настоящий Gainclone. Дополнительно на плате установлен диодный мост и два электролитических конденсатора большой емкости. Для питания вам нужно будет только подключить трансформатор с двумя обмотками, по 18В каждая.

Комплектация набора

Технические характеристики

Напряжение питания ±8В … ±25В

Выходная мощность 25Вт

Коэффициент нелинейных искажений при 20Вт* 0.015%

Отношение сигнал/шум 90Дб

*После 20Вт у LM1875 её довольно низкий коэффициент гармоник резко возрастает, поэтому 20Вт это значение максимальной выходной мощности для качественного усилителя.

Схема подключения

Подойдёт такой радиатор. (в комплект не входит)

Схему, проект в KiCad можно скачать в разделе техническая документация.

Это открытый проект! Лицензия, под которой он распространяется - Creative Commons - Attribution - Share Alike license. Проект выполнен в KiCad. Любые файлы доступны для скачивания.

Предлагаемый вниманию читателей усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) разработан на основе технических решений и объединяет их наиболее ценные качества. Кроме того, в нем нейтрализован характерный для УМЗЧ такого типа источник нелинейных искажений, каким является процесс перезарядки входных емкостей ОУ при больших синфазных сигналах.

Напомним, что входная емкость ОУ (примерно 3 пФ) складывается из нескольких линейных и нелинейных компонентов. Один из них - емкость закрытого p-n-перехода затвор - сток полевого транзистора входного дифференциального каскада – существенно нелинеен. При работе УМЗЧ эта емкость (около 0,3 пФ) интенсивно перезаряжается и, если сигнал синусоидальный, в цепи затвора протекает значительный ток перезарядки (удвоенной частоты), создавая на элементах входной цепи ОУ соответствующее падение напряжения. Складываясь с входным сигналом, оно искажает его. Приведенное к входу значение второй гармоники U2, порождаемой процессом перезарядки емкости входного дифференциального каскада ОУ, как было установлено экспериментально, может быть оценено соотношением:

U2= А · ΔR · f · (Uсф/Uсф max)2 , где

А = 0,5 х 10-12 Кл;

ΔR – величина разбаланса сопротивлений цепей входов ОУ;

f – частота синусоидального сигнала;

Uсф – амплитуда синфазного сигнала.

Если, например, f=10 кГц, Uсф= Uсф max, ΔR = 100 кОм, то U2=0,5 мВ, а это значит, что при входном сигнале 1 УЗ коэффициент гармоник УМЗЧ, даже если нет других продуктов нелинейностей, составит 0,05%. Ограничив разбаланс сопротивлений ΔR пределом 1 кОм, можно пренебречь вкладом процесса перезарядки входных емкостей ОУ в коэффициент гармоник УМЗЧ.

Рис. 1

Основные технические характеристики:

Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом: 25 Вт

Коэффициент гармоник в диапазоне частот 20 – 20000 Гц: не более 0,003 %

Скорость нарастания выходного напряжения: не менее 40 В/мкс

Номинальное входное напряжение: 0,7 В

Коэффициент гармоник измерялся анализатором спектра СК4-58, позволяющим регистрировать искажения, начиная с 0,03%. Для расширения его динамического диапазона использовались режекторные фильтры, что позволило довести нижний предел измерений до 0,001%. Точность измерений ограничивалась шумами испытательного генератора. Реальный коэффициент гармоник использованного генератора Г3-102 не превышал 0,003%.

УМЗЧ состоит из двухкаскадного усилителя напряжения (ОУ DA1, DA2) и собственно усилителя мощности (VT1 – VT4). Каскады на ОУ DA1, DA2 питаются от идентичных источников, образованных элементами VD1, VD2, R6, R7, С6, С7 и VD3, VD4, R14, R15, С13, С14. Средние точки этих источников питания соединены с низкоомным делителем напряжения R5R12R20, подключенным к выходу УМЗЧ, чем обеспечивается подача отслеживающих потенциалов в каскады усилителя напряжения. Цепи R16C8 и R19C10 фильтруют напряжения, питающие первые каскады, от порождаемых сигналом нелинейных пульсаций в цепях питания выходного каскада.

Каскад на ОУ DA1 охвачен местной ООС (R2, R4) и усиливает сигнал в 10 раз. Поскольку на выходе каскада имеется постоянное напряжение около 1 В, он отделен от входа ОУ DA2 конденсатором С5.

Второй каскад (DA2) совместно с выходным (VT1-VT4) усиливает напряжение сигнала только в 2 раза. Коэффициент усиления этого ОУ «расходуется», таким образом, только на линеаризацию выходного каскада. Последний представляет собой известный параллельный усилитель. Резисторы R17, R18, R25, R26 корректируют его АЧХ в области высших частот.

Активные сопротивления входных цепей ОУ DA1 согласованы с точностью около 1 кОм, т.е. ΔR=|R3-R2llR4|»0 (предполагается, что источник сигнала обладает низким выходным сопротивлением). Так же согласованы сопротивления входных цепей и второго каскада (ΔR=|R11 - R9||R13|»0 ). Элементы R3, С2 образуют входной фильтр нижних частот с частотой среза 110 кГц. Конденсатор СЗ улучшает переходную характеристику первого каскада. Элементы С4, R10 и С9, С11, С12 корректируют АЧХ усилителя напряжения.

Коэффициенты усиления каскадов и коэффициенты передачи делителя R5R12R20 выбраны таким образом, чтобы амплитуды синфазных входных и выходных напряжений каждого из ОУ (относительно соответствующих средних точек их «плавающих» источников питания) были равны примерно четверти амплитуды выходного напряжения. В описываемом УМЗЧ амплитудпые характеристики ОУ используются менее чем наполовину, в то время как уровень ограничения усилителя напряжения равен ±50 В. И это. вообще говоря, не предел: вполне реальным представляется четырехкаскадный усилитель напряжения с уровнем ограничения ±100 В.

Рис. 2

Как показали испытания, при питании напряжениями более ±35 В выходной каскад УМЗЧ становится неустойчивым, так как рабочие точки транзисторов приближаются к границе области безопасных режимов. Стабилизировать режим работы оконечных транзисторов можно, включив в эмиттерные цепи резисторы, как показано на рис. 2. Однако при этом резко уменьшается их ток покоя, что приводит к значительному увеличению коэффициента гармоник. Ослабить последствия введения резисторов удалось заменой транзисторов предоконечного каскада на транзисторы серии КТ814 и КТ815, у которых площадь переходов намного меньше, чем у КТ818. КТ819 (на таких переходах создаются большие падения напряжения, что и позволяет увеличить ток покоя транзисторов VT3, VT4). В каскаде по схеме на рис. 2 ток покоя транзисторов VT3, VT4 – примерно 0,2 А, а всего УМЗЧ – 0,4 А. Повышение питающих напряжений до ±40 В увеличило выходную мощность (на той же нагрузке) до 50 Вт при коэффициенте гармоник на частотах 2 и 10 кГц соответственно не более 0,007 и 0,015 %. Номинальное входное напряжение УМЗЧ с таким выходным каскадом - 1 В.

Конструкция и детали. В усилителе применены конденсаторы КМ (С2 – С4, С9, С11, С12), МБМ (C1, С5, С15, С16) и К50-6 (остальные); резисторы МЛТ (R21 – R24 составлены из трех резисторов МЛТ-1 сопротивлением 75 Ом). В выходном каскаде можно использовать транзисторы указанных на схеме серий с индексом Г (статический коэффициент передачи тока h21э транзнсторов VT3, VT4 должен быть не менее 30). В усилителе напряжения возможно применение ОУ К140УД8, К544УД1, однако коэффициент гармоник в этом случае возрастет примерно втрое. Стабилитроны KC515A можно заменить двумя соединенными последовательно стабилитронами Д814А.

Рис. 3

Детали УМЗЧ смонтированы па двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита (рис. 3): на одной из них (рис. 3, а) размещены детали усилителя напряжения, на другой (рис. 3, б) – резисторы R16, R19, R21-R26 и конденсаторы С17, С18 (это предотвращает нагрев элементов усилителя напряжения теплом, выделяемым названными резисторами). Дли повышения надежности УМЗЧ микросхемы DA1, DA2 следует снабдить легкими ребристыми теплоотводами с площадью охлаждения около 8 см 2 . Транзисторы выходного каскада устанавливают попарно (VT1 и VT4, VT2 и VT3), вплотную один к другому, на теплоотводах с эффективной площадью охлаждения около 300 см 2 . Для уменьшения наводок, создаваемых токами выходного каскада, каждый транзистор следует соединить с платой тремя сплетенными проводами. Такие же или скрученные провода необходимо использовать и для соединения УМЗЧ с внешними устройствами. Конденсаторы С19, С20 размещают как можно ближе, к плате. С источником питания ее соединяют на выводах этих конденсаторов.

Питать оба варианта УМЗЧ можно от нестабилизированного источника, напряжения которого (под нагрузкой) меньше указанных на схемах на 10%.

Правильно собранные УМЗЧ налаживания не требуют. Их параметры в основном зависят от рациональности конструкции и, следовательно, от опыта радиолюбителя.

Входной каскад на лампе Л1.1 построен по схеме с общим катодом и особенностей не имеет. Его назначение это обеспечить необходимый уровень чувствительности. При входном сигнале не менее 4 В входной каскад можно исключить. Фазоинвертор построен на лампе Л2 и представляет собой балансный смеситель. Фазоинвертор обладает большим усилением и симметричностью разделенного сигнала. Выходной каскад выполнен на 2-х лучевых тетродах Л3 Л4. В качестве выходных ламп можно использовать 6П6С или 6П3С. При использовании 6П6С выходная мощность усилителя будет составлять 12-13Вт, а при использовании лампы 6П3С до 25 Вт на канал. Но при использовании лампы 6П27С можно еще больше увеличить выходную мощность, но анодное напряжение необходимо увеличить до 800В, что повлечет за собой переделку силового трансформатора и конструкции усилителя.

Выходной трансформатор намотан на сердечнике от стандартного трансформатора ТП-208-6 с сечением 7,0 см². Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,33 мм, вторичная 84, третья 35 диаметром 1,0 мм, четвертая 531 виток провода диаметром 0,33 мм. Все обмотки должны быть намотаны в одну сторону. Их расположение показано на рисунке.

Плечи выходного каскада питаются от отдельных выпрямителей, при изготовлении стерео варианта усилителя потребуется четыре обмотки анодного питания, что необходимо учесть при изготовлении трансформатора.

Схема блока питания усилителя показана на рисунке.

Силовой трансформатор намотан на сердечнике сечением не мене 16 см² и имеет восемь обмоток. Первичная обмотка 650 витков провода диаметром 0,5 мм, вторая, третья, четвертая и пятая обмотки имеют по 700 витков провода диаметром 0,2 мм, накальные обмотки — шестая и седьмая имеют по 19 витков провода диаметром 1,0мм, восьмая обмотка имеет 36 витков провода диаметром 0,2мм и используется для питания задержки включения анодного питания.

Схема задержки включения анодного питания показана на рисунке.

Для двух канального усилителя в схеме задержки используют 2-а реле типа РЭС22.
Главным недостаток ламп по сравнению с транзисторами является довольно низкая стабильность параметров. Ресурс ламп составляет 500-1000 часов непрерывной работы, при этом значительно меняются параметры ламп, что может привести к разбалансировке плеч двухтактного каскада усилителя и повлечет за собой увеличение нелинейных искажений. Стабилизация анодного питания в данном случае не помогает, так как лампа представляет собой сопротивление и изменение внутреннего сопротивления лампы вызывает нестабильность тока покоя. Большинство усилителей регулируются только один раз при изготовлении, но усилитель требует периодической регулировки тока покоя в течении срока службы, чтобы обойти это факт можно применить схему автоматической поддержки заданного тока покоя выходных ламп. Схема показана на рисунке.

Уст-во представляет собой стабилизатор тока. На VT1 VT2 собран маломощный источник опорного напряжения. На составном транзисторе VT3 VT4 собрано уст-во сравнения и управления. При уменьшении тока покоя лампы уменьшается падение напряжения на резисторе Rдт. Поскольку напряжение на базе VT3 стабилизировано источником опорного напряжения, уменьшение напряжения на эмиттере VT3 вызывает открывание транзисторов VT3 VT4, которые шунтируют резистор Rк и уменьшают общее сопротивление в цепи катода лампы, там самым увеличивая ее анодный ток. При повышении анодного тока транзисторы VT3 VT4 закрываются и увеличивают сопротивление в цепи катода. Это уст-во включают в катодную цепь вместо резистора автоматического смещения и питается за счет напряжения смещения.

Все трансформаторы и лампы установлены непосредственно на корпусе усилителя, трансформаторы закрыты кожухами, которые крепятся к корпусу. Монтаж каскадов выполнен навесным монтажом.

Дополнение: описание уст-ва задержки включения анодного питания

При включении питания С1 разряжен, VT1 VT2 открыты и через обмотку реле К1 идет ток. При этом нормально замкнутые контакты реле разомкнуты. С1 постепенно разряжаясь, закрывает транзисторы, и реле замыкается через время определенное номиналами R1C1 и напряжением отсечки VT1. С2 необходим для устранения дребезга контактов реле.

Литература МРБ 1257 Климов Д.А. Ламповые усилители — Методика расчета и конструирования.

Мостовой двухтактный усилитель мощностью 25 Вт. Автор Дмитрий Климов.

Одной из главных проблем, с которой сталкивается разработчик ламповых усилителей, является изготовление выходных трансформаторов. Силовой трансформатор должен лишь обеспечивать необходимые напряжения и токи и может быть намотан, в крайнем случае даже вручную. Выходной трансформатор оказывает решающее влияние на характеристики усилителя. КАчество усилитеял полностью определяется характеристиками выходного трансформатора. Поэтому важно всё, способ намотки обмоток, размеры сердечника, даже толщина пластин сердечника и толщина прокладок между обмотками. Всё влияет на режимные параметры усилителя, на величину выходной мощности, ширину полосы пропускания и уровень искажений.

Желание снизить уровень требований к выходному трансформатору вполне естественно. Целесообразно сделать выходной трансформатор менее критичным к качеству его изготовления. Есть вариант вообще отказаться от его применения, например схема мостового усилителя. В мосту выходные лампы по постоянному току включены последовательно, а по переменному-параллельно. Поскольку выходные лампы в такой схеме работают в режиме катодного повторителя, а постоянная составляющая на нагрузке исключена, появляется возможность согласовать сопротивление нагрузки с помощью обыкновенного автотрансформатора, с одной обмоткой. Пример схемы усилителя мощности с блоком питания показан ниже.

Входной каскад на лампе Л1.1 типа 6Н8С построен по схеме с общим катодом и особенностей не имеет. Его назначение - обеспечить необходимый уровень чувствительности. Если источник сигнала имеет выходное напряжение не менее 4 В, то входной каскад можно исключить и подавать входной сигнал прямо на вход фазоинвертора. Фазоинвертор (лампа Л2 тина 6Н9С) построен на основе балансной схемы. Такой фазоинвертор отличается большим усилением, симметричностью разделенного сигнала и автобалансировкой. При желании иметь в усилителе балансный вход типа XLR, обладающий большей помехозащищенностью по сравнению с однотактным входом RCA, можно убрать конденсатор, заземляющий второй вход фазоинвертора, и подать на него сигнал.

Выходной каскад выполнен на двух лучевых тетродах Л3 и Л4. В качестве выходных ламп можно применять лампы 6П6С или 6П3С. С первыми выходная мощность составит около 12-13 Вт, со вторыми - до 25 Вт на канал. Еще более увеличить выходную мощность можно, применив лампы 6П27С или Г807 для которых характерно существенно большее анодное напряжение (700-800 В) и больший ток анода. Но при этом придется увеличить мощность силового трансформатора и изменить конструкцию усилителя. Вследствие параллельного включения выходных ламп по переменному току рекомендуемое приведенное сопротивление нагрузки уменьшается в 4 раза и составляет в рассмотренной схеме около 900 Ом.

Выходной автотрансформатор намотан виток к витку на сердечнике от стандартного трансформатора ТП-208-6 сечением 7,0 см2. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,33 мм, вторичная - 84, третья - 35 витков провода диаметром 1,0 мм, четвертая - 531 виток провода диаметром 0,33 мм. Все обмотки должны быть намотаны в одном направлении.

Силовой трансформатор имеет сердечник сечением не менее 16 см2 и восемь раздельных обмоток. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,5 мм; вторая, третья, четвертая и пятая обмотки имеют по 700 витков провода диаметром 0,2 мм; накальные обмотки – шестая и седьмая - имеют по 19 витков провода диаметром 1,0 мм; восьмая обмотка имеет 36 витков провода диаметром 0,2 мм и используется для питания устройства задержки включения анодного питания. Устройство задержки включения питания выполнено по схеме ниже. Для двухканального усилителя это устройство должно иметь два реле типа РЭС22. В зависимости от рабочего напряжения реле их обмотки включают параллельно или последовательно. Плечи выходного каскада питаются от отдельных выпрямителей. При изготовлении двухканального усилителя потребуются четыре обмотки анодного питания, что необходимо учитывать при подборе силового трансформатора или пары трансформаторов.

Схема задержки подачи анодного напряжения собрана с применением транзисторов. Применение полевого транзистора определяет качество работу устройства в целом, поскольку для повышения стабильности важны минимальные уткечки и повышенное сопротивление ключевого элемента. Начинка ламповыого усилителя изготовлена с применением печатного монтажа. Примерный вид печатных плат показан ниже. Выпрямители и устройство задержки включения питания собраны на общей плате, рисунок которой приведен справа.

Известно, что к недостаткам ламп в сравнении с транзисторами следует отнести невысокую стабильность режимных параметров во времени. Так, ресурс большинства ламп составляет 500-1000 часов непрерывной работы. За этот период значительно изменяются рабочие характеристики лампы. Существенно уменьшается крутизна характеристики усиления, падает выходная мощность, изменяется внутреннее сопротивление. К этому эффекту вчувствительны двухтактные выходныхекаскады, так как изменение параметров ламп может приводить к разбалансировке плеч двухтактного каскада, появлению постоянного тока через выходной трансформатор и увеличению уровня искажений. Стабилизация анодного питания в таком случае помогает не всегда. Ведь лампа по постоянному току представляет собой сопротивление, а изменение внутреннего сопротивления лампы вызывает нестабильность тока покоя. Большинство усилителей либо регулируют только один раз при изготовлении. При наличии подстроечных элементов для установки тока покоя в течение срока службы усилителя, возможно периодическое проведение профилактических работ. Лучше, когда эту работу выполняют с применением специального оборудования, требуется некторая квалификации пользователя.

Для преодоления проблемы периодического регулирования усилителя разработано сравнительно простое устройство, автоматически поддерживающее заданный ток покоя выходных ламп. Схема этого устройства приведена ниже.

Устройство представляет собой стабилизатор тока и состоит из нескольких функциональных узлов. Резистор Rдт представляет собой датчик тока, на котором создается напряжение падения, пропорциональное току покоя лампы. На транзисторах VT1 и VT2 собран маломощный источник опорного напряжения, с помощью которого задается ток покоя лампы. Представленная схема источника опорного напряжения отличается малым потреблением тока, на уровне 0,5-0,7 мА. Это немаловажно, так как ток источника опорного напряжения не проходит через датчик тока и, следовательно, приводит к небольшой погрешности установки тока покоя. При желании источник опорного напряжения можно заменить светодиодом, свечение которого будет означать нормальный режим лампы. В этом случае применяют светодиод с рабочим током не более 1 мА. На составном транзисторе VT3-VT4 собрано устройство сравнения и управления током. При уменьшении тока покоя лампы, уменьшается падение напряжения на резисторе датчика тока Rдт. Поскольку напряжение на базе транзистора VT3 стабилизировано источником опорного напряжения, уменьшение напряжения на эмиттере VT3 вызывает открывание транзисторов VT3 и VT4, которые шунтируют резистор Rк и уменьшают общее сопротивление в цепи катода лампы. Тем самым увеличивается ее анодный ток. При повышении анодного тока транзисторы VT3 и VT4 закрываются и увеличивают сопротивление в цепи катода. Для исключения влияния переменной составляющей катодного тока на постоянный ток покоя резистор R5 зашунтирован конденсатором большой емкости С1.

Рассмотренный узел включают в катодную цепь лампы вместо резистора автоматического смещения. При испытаниях разных варианов устройства с несколькими лампами типа 6П6С и 6П3С такой стабилизатор тока обеспечивал постоянство тока покоя с точностью до 2%. По переменному току это устройство зашунтировано конденсатором большой емкости и не оказывает никакого влияния на усиление звуковых частот. При наличии здравого смысла для каждой выходной лампы изготавливают такой стабилизатор тока на небольшой печатной плате и устанавливают вместо катодного резистора. Выставив ток покоя выходного каскада равным 25-30 мА, можно использовать усилитель в классе А или АВ, заменяя в выходном каскаде соответственно лампы 6П6С или 6П3С. Никаких регулировок при замене ламп при этом выполнять не нужно.

Все трансформаторы и лампы установлены непосредственно на корпусе усилителя. Трансформаторы закрыты кожухами, которые также крепятся к корпусу. Установочные размеры силового трансформатора зависят от конструкции самого трансформатора и поэтому не указаны на чертеже корпуса усилителя. Около всех трансформаторов должны быть предусмотрены отверстия для прокладки проводов. Их размеры и положение определяют конструктивно. Плату блока питания закрепляют в подвале корпуса под силовым трансформатором на винтах крепления кожуха трансформатора. Монтаж каскадов усилителя выполняют навесным способом на выводах ламповых панелей или печатным способом. При навесном монтаже на винтах крепления ламповых панелей закрепляют дополнительные контактные пластины из текстолита, на которых резаком готовят контактные площадки. Допустим применение карболитовых клеммников. Порядок монтажа и регулировки усилителя такой же, что и у триодного усилителя того же автора. По материалам публикации Д.Климова статью подготовил

Евгений Бортник, Красноярск, Россия, июнь 2016