Усилители мощности

Усилитель ЗЧ «Олимп»

Этот усилитель ЗЧ можно собрать из наборов деталей и материалов, выпускавшихся под общим названием «Олимп». Каждый из трех наборов содержит все необходимое, включая и печатную плату, для изготовления трех блоков универсального усилителя 34: «Олимп-1» — усилителя мощности, «Олимп-2» — пред усилителя-корректора, «Олимп-3»—двуполярного источника питания. Полный комплект из трех наборов позволяет собрать монофонический, а два неполных комплекта — стереофонический усилитель с достаточно высокими техническими характеристиками.

Монофонический усилитель состоит из предварительного усилителя с блоком коррекции (ПУ) и усилителя мощности (УМ). Для его питания используется «Олимп-3» — нестабилизированный дву-полярный источник постоянного тока напряжением 2x20 В со средней «заземленной» нулевой точкой. Усилитель рассчитан на работу от пьезокерамического звукоснимателя, радиовещательного приемника, микрофона, магнитофона.

Усилитель «Олимп» относится к радиоаппаратуре повышенной сложности, поэтому рекомендовать его можно в основном лишь кружкам 3-го года занятий. Если в распоряжении кружка не окажется наборов «Олимп», смонтировать усилитель можно из дискретных элементов.

Предварительный усилитель с блоком коррекции является входной частью усилителя (рис. 96). Сигнал с линейного выхода радиоприемника подают на вход предусилителя через гнезда 1 и 2 разъема XI, с микрофона —тоже через гнезда 1 и 2, но при замкнутых контактах кнопочного переключателя S1, а от пьезокерамического звукоснимателя или с линейного выхода магнитофона — через гнезда 2 и 3.

Основные характеристики: чувствительность соответственно 20...40, 1...2 или 200...250 мВ; диапазон рабочих частот 20...30 000 кГц; напряжение сигнала ЗЧ на выходе —не менее 250 мВ; глубина регулировки тембра на частотах 100 Гц и 10 кГц не менее ± 15 дБ.

Напряжение двуполярного источника подается на предварительный усилитель через двуплечий стабилизатор напряжения, образуемый резисторами R19, R20 и стабилитронами V3, V4. Общий потребляемый ток не превышает 50 мА. Для усиления сигнала используются операционный усилитель К553УД1А (Л1) и кремниевые транзисторы КТ315Г (VI) и КТ361Д (V2), включенные составным транзистором. Регуляторами тембра служат переменные резисторы R21 и R22.

Сигнал с линейного выхода радиоприемника или микрофона подается на неинвертирующий вход операционного усилителя (вывод 5) через конденсатор С1. Сигнал от звукоснимателя, ослабленный делителем, образованным резисторами R1—R3, поступает на тот же вход операционного усилителя. Неинвертирующий канал операционного усилителя обладает большим входным сопротивлением, что позволяет подключать его к источникам сигналов звуковой частоты с большим внутренним сопротивлением, например пьезокерамическому звукоснимателю. Цепочка R6C5 и конденсатор С6 служат для предотвращения самовозбуждения усилителя на высших звуковых частотах.

Усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью. Коэффициент усиления зависит от отношения сопротивлений резисторов R7, R6 и R5 в цепи отрицательной обратной связи. При работе с выхода радиоприемника или от звукоснимателя коэффициент усиления равен примерно 10. При работе от микрофона контакты кнопочного переключателя S1 замыкают. При этом параллельно резистору R5 подключается резистор R4 значительно меньшего сопротивления, отчего глубина отрицательной обратной связи резко уменьшается, а коэффициент усиления операционного усилителя увеличивается примерно в 20 раз.

С выхода операционного усилителя (вывод 10) сигнал через конденсатор С8 подается на регуляторы тембра, представляющие собой частотозависимые делители напряжения звуковой частоты, от них — через конденсатор СП на вход усилителя на составном транзисторе V1V2. Переменным резистором R21 регулируют тембр по высшим, а резистором R22 — по низшим звуковым частотам. Номиналы конденсаторов делителей подобраны так, что при среднем положении движков переменных резисторов равномерно усиливается вся полоса рабочих частот. Когда же движки переменных резисторов находятся в крайнем правом (по схеме) положении, то происходит наибольший подъем низших и высших частот, а в крайнем левом, наоборот, наибольшее ослабление этих участков звукового диапазона. Таким образом, резисторами R21 и R22, одновременно или раздельно, можно в широких пределах регулировать тембровую «окраску» звуковоспроизведения.

Рис. 97. Внешний вид и печатная плата предусилителя-корректора

Каскад на составном транзисторе V1V2 охвачен глубокой отрица тельной обратной связью (через резистор R14), снижающей его выходное сопротивление, что обеспечивает хорошее согласование темброблока с относительно небольшим входным сопротивлением усилителя мощности. Резисторы R17, R18r R8, R9 и конденсаторы С14, С15, С2, СЗ образуют развязывающие фильтры, предотвращающие возбуждение блока из-за возможных паразитных связей между его усилителями через общий источник питания.

Внешний вид этого блока усилителя, смонтированного из деталей радиоконструктора «Олимп-2», показан на рис. 97. Его основой служит печатная плата размерами 100x80 мм, выполненная из фольгированного материала. Переменные резисторы R21, R22 и входной разъем XI вынесены за пределы платы. Переключатель S1 смонтирован непосредственно на плате, но он, как и переменные резисторы, может быть вне платы. Через контакты 10, 12 и 13 печатной платы предусилитель соединяют с двуполярным источником питания, а через контакт 11 — со входом усилителя мощности.

Входной разъем XI типа СГ-3 или СГ-5. Переключатель S1 — П2К (с независимой фиксацией). Переменные резисторы R21 и R22 — типа СПЗ-4аМ (желательно группы В). Электролитические конденсаторы типа К50-6, остальные — К10, КД, К73, К70.

Операционный усилитель К553УД1А можно заменить на К153УД1А, К153УД1Б или К153УД2, включая их в соответствии с цоколевкой.

После монтажа особо тщательной проверке подлежат полярность включения электролитических конденсаторов, транзисторов, стабилитронов и, конечно, соединение блока с двуполярным источником питания. Ошибка в цепях питания может стать причиной выхода из строя операционного усилителя, транзисторов, пробоя электролитических конденсаторов. Напряжения в точках соединения резисторов R17 и R19t а также резисторов R18 и R20 относительно нулевого «заземленного» проводника должны быть в пределах напряжения стабилизации элементов V3 и V4 (13,5... 16,5 В), на операционном усилителе А1 (между выводами 6 и 11) не более 16,5 В. Относительное входное сопротивление вольтметра постоянного тока, используемого для измерения напряжений, должно быть не менее 10 кОм/В.

Предварительно работу предусилителя-корректора можно проверить на высокоомные головные телефоны, подключенные к его выходу (между контактами 11 и 12 платы), или подав сигнал с его выхода на вход какого-либо усилителя 3Ч чувствительностью 200...250 мВ. Если ошибок в монтаже нет, то налаживать блок не придется. Потребуется, возможно, лишь уточнить правильность подключения переменных резисторов R21 и R22. Они должны быть подключены так, чтобы наибольший подъем низших и высших частот был при крайнем правом положении их движков.

Усилитель мощности имеет следующие основные технические характеристики:

• номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом и при коэффициенте гармоник не более 1% — 10 Вт (на нагрузке сопротивлением 8 Ом — около 6 Вт);
• диапазон эффективно воспроизводимых частот (при неравномерности частотной характеристики не более 1 дБ) — 20...40000 Гц;
• чувствительность при номинальной выходной мощности — 300 мВ;
• средний потребляемый ток не более 1 А;
• входное сопротивление около 10 кОм.

Питается он от того же источника двуполярного напряжения, что и предусилитель.

Рис. 98. Принципиальная схема усилителя мощности

Усилитель выполнен по схеме (рис. 98), ставшей традиционной для большинства усилителей 3Ч: с двуполярным питанием и дифференциальным каскадом на входе. Это упрощает источник питания усилителя, так как в фильтре его выпрямителя применяются сравнительно низковольтные электролитические конденсаторы, а нагрузка подключена непосредственно к выходу усилителя мощности без разделительного конденсатора.

Дифференциальный каскад образуют транзисторы V5 и V6. База транзистора V5 соединена с общим («нулевым») проводником двуполярного источника питания через резистор R24, а база транзистора V6 — с выходом усилителя через резистор R30. Как только на выходе усилителя появится отличное от нуля постоянное напряжение, усиленный дифференциальным каскадом сигнал рассогласования поступит на последующие каскады и изменит их режим так, чтобы постоянное напряжение на выходе усилителя стало равно нулю. Если параметры транзисторов V5 и V6 идентичны, а сами транзисторы работают при одинаковой температуре, то напряжение на выходе усилителя по отношению к общему «заземленному» проводу будет равно нулю. В этом случае через нагрузку не протекает постоянный ток и, следовательно, разделительного конденсатора в цепи нагрузки может не быть.

Переменный резистор R23 на входе усилителя выполняет функцию регулятора громкости. Сигнал 3Ч, усиленный транзистором V5 дифференциального каскада, снимается с его нагрузочного резистора R25 и подается на базу транзистора V7 второго каскада, а с его нагрузочного резистора R32 — на вход двухтактного усилителя мощности на транзисторах V12—V17. Динамическая головка В1 громкоговорителя преобразует усиленный сигнал в колебания звуковой частоты.

Диоды V8—V11 в коллекторной цепи транзистора V7 и подключенный параллельно им резистор R34 образуют цепь, которая создает на базах транзисторов выходных каскадов начальное смещение, устраняющее искажения типа «ступенька». Одновременно диоды термостабилизируют режимы работы транзисторов. Конденсаторы С18, С21 и цепочка R39C23 предотвращают возбуждение усилителя на высших частотах звукового диапазона.

Все детали усилителя мощности, кроме выходных транзисторов V16, V17, монтируют на печатной плате из фольгированного материала (рис. 99) таких же размеров, как и плата предусилителя-корректора. Транзисторы КТ315Г, устанавливаемые в дифференциальном каскаде (V5, V6)t подбирают с наиболее близкими параметрами Н21Э и Iкбо.

Мощные выходные транзисторы V16 и V17 крепят на теплоотводя-щих радиаторах и соединяют с платой монтажными многожильными проводниками. На эмиттерные и базовые выводы надевают отрезки изоляционной трубки, позволяющие предотвратить случайное соединение с радиаторами, которые имеют непосредственный контакт с коллекторами этих транзисторов.

Переменный резистор R23, вынесенный за пределы монтажной платы, типа СПЗ-4аМ; электролитические конденсаторы — К50-6, остальные конденсаторы — МБМ, КС. Емкость конденсатора С18 — 150...270 пФ; увеличение ее влечет за собой сужение полосы пропускания усилителя в области высших звуковых частот. Емкость конденсатора С21 может быть 560...680 пФ, при уменьшении ее возможно появление самовозбуждения усилителя на высоких частотах, при увеличении более 1000 пФ начинает искажаться форма сигнала.

Диоды Д220 (V8—V11) можно заменить на Д219А, Д223, КД521Д. Вместо транзисторов КТ315Г (V5, V6, VI2) можно использовать транзисторы этой же серии с буквами В, Д, Е; вместо КТ361Д (V7, V13) — транзисторы той же серии, но с буквами А, В, Г, Е, а также КТ601А или ГТ321 с любым буквенным индексом. Транзисторы КТ602А (V14, VI5) можно заменить на КТ602Б, КТ801 с буквенными индексами А или Б, а также на КТ815В, П701, П702; транзисторы КТ808А (V16, V17) — на КТ802А, КТ809А, -КТ805А, КТ805Б, КТ819 с буквенными индексами ВМ, ГМ. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов V5 и V6, отобранных для работы в дифференциальном каскаде, не должны отличаться друг от друга более чем на 20%.

Прежде чем подать на усилитель питание, надо проверить его монтаж по принципиальной схеме, и особо тщательно — включение электролитических конденсаторов в соответствии с их полярностью, выводов транзисторов, диодов. Теплоотводящие радиаторы выходных транзисторов не должны касаться друг друга и токонесущих проводников монтажной платы.

Рис. 99. Внешний вид (а) и печатная плата усилителя мощности (б)

Первое испытание усилителя производят при подключенном к eгo выходу эквиваленте нагрузки — резистора сопротивлением 4...7 Ом, рассчитанного на мощность рассеяния 20...25 Вт. Постоянное напряжение на нем не должно превышать 100 мВ. Большие значения напряжения на эквиваленте нагрузки будут свидетельствовать об ошибках в монтаже или неисправности какого-нибудь транзистора (или транзисторов). Указанные на схеме режимы работы транзисторов измеряют вольтметром постоянного тока с относительным входным сопротивлением 10 кОм/В.

Качество работы усилителя мощности проверяют при подаче на его вход сигнала звуковой частоты напряжением 250...300 мВ от генератора сигналов 3Ч, с выхода предусилнтеля-корректора или от другого источника сигнала. Громкость звука должна нарастать при вращении ручки переменного резистора R23 в направлении движения часовой стрелки.

Чувствительность усилителя мощности можно повысить примерно до 200 мВ путем уменьшения сопротивления резистора R29 до 220 Ом. Нагрузкой усилителя может быть громкоговоритель 6АС-2, 6МАС-4, 8АС-2, 10МАС-1М, а также самодельный, с сопротивлением 4...8 Ом.

Двуполярный источник питания (рис. 100), представляющий собой самостоятельный блок, может быть использован для питания любого другого аналогичного усилителя 34, требующего двуполярного напряжения 2x20 В. Ток нагрузки каждого его плеча — не менее 1 А при коэффициенте пульсаций выпрямленного напряжения не более 10%.

Переменное напряжение на каждой из обмоток II и III сетевого трансформатора 27 составляет примерно 18 В, на обмотке IV — 5,5 В. Суммарное напряжение обмоток II и III подается на выпрямительный блок КЦ410Б (V18), четыре диода которого соединены между собой по мостовой схеме. В зависимости от тока нагрузки на выходном выводе 4 блока относительно общего вывода 5 должно быть плюс 18...23 В, на выводе 6 — минус 18...23 В. Экранирующая обмотка 3 между первичной и вторичными обмотками снижает уровень фона переменного тока и электрических помех.

Рис. 100. Схема и конструкция блока питания

Основой блока питания служит металлическое шасси. К нему винтами и гайками прикрепляют трансформатор и уголки, удерживающие печатную плату выпрямителя. Дополнительно конденсаторы фильтра С24 и С25 крепят на шасси металлической скобой. Выводы вторичных обмоток трансформатора соединяют с соответствующими выводами печатной платы и лампой накаливания Н1, являющейся индикатором включения питания, отрезками многожильного изолированного провода. Сверху трансформатор закрывают защитным корпусом.

Данные трансформатора, используемого в блоке питания: магнитопровод Ш20 х 30 (или ШЛ16 х32); обмотка I — 1350 витков провода ПЭВ-2 0,31, экранирующая — один слой такого же провода; обмотки II и III — по 116 витков провода ПЭВ-2 0,62; обмотка IV — 33 витка провода ПЭВ-2 0,31. Можно использовать трансформатор мощностью не менее 40 Вт с двумя вторичными обмотками, обеспечивающими переменное напряжение 16... 18 В при токе 1,5 А. При отсутствии в нем экранирующей обмотки несколько повысится фон переменного тока в громкоговорителе. Выпрямительный блок КЦ410Б можно заменить четырьмя диодами КД202, включив их по мостовой схеме.

Испытание блока питания заключается в проверке равенства напряжений на выходах каждого из его плеч при токе нагрузки около 1 А. Для этого между контактными выводами 4—5 и 5—6 включают проволочные резисторы сопротивлением по 20...25 Ом, рассчитанные на мощность рассеяния не менее 10 Вт, и, подключив блок к сети, измеряют напряжения на этих эквивалентах нагрузки. Они должны быть в пределах 18...23 В.

Если предполагается использовать блок для питания не только описываемого здесь усилителя ЗЧ, а и другой аналогичной аппаратуры, смонтировать его можно в корпусе произвольной конструкции. Выключатель питания (тумблер ТВ2-1), индикаторную лампу, сетевой плавкий предохранитель и зажимы или гнезда для подключения нагрузки целесообразно разместить на лицевой панели. Для защиты блока питания от перегрузок в цепи «+20 В» и «—20 В» желательно включить плавкие предохранители на ток 2 А. Их держатели можно установить на лицевой панели возле соответствующих выходных зажимов.

Конструкция стереофонического усилителя «Олимп», о котором рассказано ниже, может стать примером и для монофонического варианта усилителя ЗЧ.

Структурная схема стереофонического усилителя показана на рис. 101. Гнездовые части входного разъема XI, выходного разъема Х2, верхние (по схеме) предусилитель-корректор ПУ, усилитель мощности УМ и громкоговоритель В2 образуют левый канал, а нижние такие же усилители и громкоговоритель В2 — правый канал стереофонического усилителя. Стереофонический звукосниматель В1 и блок питания — общие для обоих каналов усилителя. Через разъем XI сигнал звукоснимателя поступает на входы 3 предусилителей-корректоров соответствующих каналов. С выходов 11 раздельные сигналы каналов через переменные резисторы R23 и R23, выполняющие функции регуляторов громкости, подаются на выходы / усилителей мощности, а с выходов 10 и 11 этих блоков — к соответствующим им громкоговорителям В2 и В2. Регулировка тембра звука в каждом канале осуществляется переменными резисторами R21 и R22, а стерео-баланс — регуляторами громкости.

Рис. 101. Структурная схема стереофонического усилителя «Олимп»

Предполагается, что описываемый усилитель, предназначенный главным образом для воспроизведения стереофонических грамзаписей, будет работать совместно с пьезокерамическим звукоснимателем электропроигрывающего устройства. Поэтому в предусилителях-коррек-торах кнопочные переключатели, предназначаемые для коммутации входных цепей в зависимости от источника входного сигнала, исключены. Один из них в описываемой конструкции использован в качестве сетевого выключателя S1.

Внешний вид и конструкция ящика-футляра усилителя показаны на рис. 102, а его монтаж на рис. 103. Ящик-футляр представляет собой четырехстенную коробку, в которую вставляют панель 4 — на ней смонтированы детали усилителя. Эту панель скрепляют с передней стенкой 1. Боковые стенки 6 выпилены из древесностружечной плиты толщиной 15 мм, а приклеиваемые к ним нижняя 7 и верхняя 5 стенки — из листового оргалита толщиной 3 мм. Снизу приклеивают бруски 8, выполняющие роль ножек. Коробка покрыта декоративной («под дерево») самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой. Из такого же оргалита выпилены несущая панель 4 и передняя стенка 2, которая должна полностью заходить в коробку. Эти два элемента скрепляют между собой в единую конструкцию с помощью уголка 3. Лицевая панель 1, выполняющая роль экрана, сделана из листового дюралюминия. Она крепится к передней стенке гайками, навинченными на втулки осей переменных резисторов. Отверстия для переменных резисторов, кнопки выключателя сети и «глазка» индикатора включения питания сверлят, предварительно скрепив все элементы конструкции.
 

Рис. 102. Внешний вид и конструкция ящика-футляра усилителя

Рис. 103. Монтаж усилителя

Платы усилителей устанавливают на несущую панель двумя рядами с помощью шпилек с гайками на концах и втулок, надетых на шпильки. В два же ряда размещены и переменные резисторы на передней стенке. Верхние ряды плат и резисторов соответствуют левому, нижние — правому каналам усилителя. Радиаторы с мощными выходными транзисторами размещены вдоль задней кромки несущей панели. Для лучшего обдува радиаторов на крепящие их винты надеты втулки длиной по 10 мм. Чтобы предотвратить случайное соединение радиаторов, между ними вставлены с клеем БФ-2 пластинки из ге-тинакса (или другого изоляционного материала). В принципе, выходные транзисторы можно разместить на одном общем радиаторе. Но в этом случае транзисторы должны быть изолированы от радиатора слюдяными прокладками, а на винты крепления надеты изоляционные втулки. Качество крепления проверяют омметром по отсутствию электрического контакта между корпусами транзисторов и радиатором.

Детали блока питания смонтированы непосредственно на несущей панели (без шасси), держатель предохранителя F1 — на Г-образных стойках из листового металла, которые затем привинчены к несущей панели по обе стороны от радиаторов.

Соединения между платами и плат с блоком питания, с мощными выходными транзисторами выполняют разноцветными отрезками многожильного провода. Это помогает избежать ошибок в монтаже и упростит его проверку. Особого внимания требует монтаж цепей питания, так как неправильное соединение может привести к выходу из строя сразу нескольких транзисторов и резисторов. Не менее опасны и случайные соединения радиаторов между собой и токонесущими проводниками цепей двухполярного источника питания.

Следует сказать кружковцам, что только после тщательной проверки каждого блока и монтажа в целом можно подключать усилитель к сети.

О тембре звука и уровне громкости каждого канала можно судить по положению меток на ручках переменных резисторов относительно их шкал иа лицевой панели. При вращении ручек в направлении движения часовой стрелки громкость должна плавно нарастать и ощущаться подъем низших и высших частот звукового диапазона. Добиваются такого звукового эффекта правильным подключением соединительных проводников к регулирующим переменным резисторам. После этого можно вставить несущую панель с передней стенкой в ящик и скрепить их шурупами или винтами.

Конструкция монофонического (одноканального) усилителя может быть такой же, как и стереофонического. Его, кроме того, можно дополнить микрофонным входом, чтобы использовать для радиофикации зала школы, Дома пионеров, станции или клуба юных техников. Для удобства эксплуатации такого усилителя раздельные розетки входных разъемов звукоснимателя и микрофона, а также переключателя S1 (по схеме на рис. 96), повышающего чувствительность ПУ при включении микрофона, целесообразно разместить на лицевой панели корпуса на месте регулировочных резисторов правого канала стереофонического варианта усилителя. Если переключатель типа П2К, свободные его контакты следует использовать и для подключения микрофонной цепи к входу ПУ.
 

В.Г. Борисов. Кружок радиотехнического конструирования