Меню

Двухтактный мостовой усилитель мощности



Мостовой двухтактный усилитель мощностью 25 Вт

Одной из главных проблем, с которой сталкивается разработчик ламповых усилителей, является изготовление выходных трансформаторов. В то время как силовой трансформатор должен лишь обеспечивать необходимые напряжения и токи и может быть намотан, в крайнем случае даже вручную, выходной трансформатор оказывает огромное влияние на характеристики усилителя. Способ намотки обмоток, размеры сердечника, даже толщина пластин сердечника и толщина прокладок между обмотками — все влияет на такие важные параметры усилителя, как выходная мощность, полоса пропускания частот и нелинейные искажения.

Желание сделать выходной трансформатор менее критичным к качеству его изготовления или вообще отказаться от его применения привело к появлению схем мостовых усилителей, в которых 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 простого автотрансформатора, имеющего всего одну обмотку.

Схема такого мостового усилителя мощности приведена на рис.1.

Схема мостового усилителя мощности

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 балансного. Такой фазоинвертор отличается большим усилением и симметричностью разделенного сигнала. 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, которые имеют максимальное анодное напряжение до 800 В и гораздо больший ток анода. Но для этого придется увеличить мощность силового трансформатора и изменить конструкцию усилителя.

Из-за параллельного включения ламп по переменному току оптимальное сопротивление нагрузки уменьшается в 4 раза и составляет для данной схемы около 900 Ом.

Выходной автотрансформатор намотан 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 одну сторону. Их расположение на катушке показано на рис.2.

Расположение обмоток выходного трансформатора

Плечи выходного каскада питаются от отдельных выпрямителей. При изготовлении двухканального усилителя потребуются четыре обмотки анодного питания, что необходимо учитывать при подборе трансформатора.

Схема блока питания двухканального усилителя приведена на рис.3.

Схема блока питания

Силовой трансформатор намотан на сердечнике сечением не менее 16 см2 и имеет восемь 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.

Читайте также:  Беспроводной режим мощность передатчика

Устройство задержки включения питания выполнено по схеме на рис.4. Для двухканального усилителя это устройство должно иметь два реле типа РЭС22. В зависимости от рабочего напряжения реле их обмотки включаются параллельно или последовательно.

Схема задержки подачи анодного напряжения

Выпрямители и устройство задержки включения питания собраны на общей плате, рисунок которой приведен на рис.5.

Печатная плата блока питания

Как известно, главным недостатком ламп по сравнению с транзисторами является довольно низкая стабильность параметров. Так, ресурс большинства ламп составляет 500-1000 часов непрерывной работы. За этот период значительно изменяются основные параметры лампы — уменьшается крутизна характеристики, падает выходная мощность, изменяется внутреннее сопротивление. Особенно неприятно этот эффект проявляется в двухтактных выходных каскадах, так как изменение параметров ламп приводит к разбалансировке плеч двухтактного каскада, появлению постоянного тока через выходной трансформатор и увеличению нелинейных искажений. Стабилизация анодного питания в данном случае не помогает, поскольку лампа по постоянному току представляет собой сопротивление и изменение внутреннего сопротивления лампы вызывает нестабильность тока покоя. Большинство усилителей либо регулируется только один раз при изготовлении, либо имеет подстроечные элементы для установки тока покоя в течение срока службы усилителя, что требует периодического проведения профилактических работ с применением специального оборудования и некоторой квалификации от пользователя ламповой аппаратуры.

Для описанного усилителя мною было разработано простое устройство, автоматически поддерживающее заданный ток покоя выходных ламп. Схема этого устройства приведена на рис.6.

Схема стабилизатора тока покоя

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. Данная схема источника опорного напряжения отличается малым потреблением тока (0,5-0,7 мА), что 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, который будет индицировать нормальный режим лампы. В этом случае нужно применить светодиод с рабочим током не более 1 мА. На составном транзисторе VT3VT4 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 увеличивая 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.

Это устройство включается в катодную цепь лампы вместо резистора автоматического смещения и питается за счет напряжения смещения. При испытании 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. Для каждой выходной лампы изготавливается такой стабилизатор тока на небольшой печатной плате и устанавливается вместо катодного резистора. Установив ток покоя выходного каскада равным 25-30 мА, можно использовать усилитель в классе А или АВ, устанавливая в выходном каскаде соответственно лампы 6П6С или 6П3С. Никаких регулировок при замене ламп при этом не нужно.

Читайте также:  Ивеко дейли потеря мощности

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 просверлены отверстия для прокладки проводов. Их размеры и положение также достаточно произвольны. Плата блока питания крепится в подвале корпуса под силовые трансформатором на винтах крепления кожуха трансформатора. Монтаж каскадов усилителя выполнен навесным способом на выводах ламповых панелей. На винтах крепления ламповых панелей закреплены дополнительные контактные пластины из текстолита, на которых резаком прорезаны контактные площадки.

Порядок монтажа и регулировки усилителя такой же, что и у триодного усилителя.

Источник

Мостовые усилители мощности

Известен класс усилителей, называемых мостовыми, в которых незаземленная нагрузка подключается к выходам усилителя с противофазными выходными сигналами. К достоинствам таких схем можно отнести учетверенную максимальную выходную мощность при том же напряжении питания, по сравнению с усилителями мощности с одиночным выходом и заземленной нагрузкой. Кроме того такие схемы создают симметричные токовые пульсации по цепям питания с удвоенной частотой сигнала, что упрощает построение источников питания (соответствующей мощности), исключая возможные условия появления перекосов выходных двуполярных напряжений. Это актуально для усилителей типа УПТ и не только. Кроме того мостовые усилители не вызывают появление сильноточных сигнальных токов по «общему» проводу, что намного улучшает совместимость узлов в многоканальной (например, стерео) аппаратуре.

Мостовые схемы усилителей встречаются и в некоторых рекомендациях по применению микросхем-усилителей мощности. Если разобрать, например, даташитовскую схему на TDA2030 по «косточкам», получим два усилителя мощности, включенных последовательно. Первый усилитель — неинвертирующий, второй — инвертирующий. Между их выходами включена нагрузка. Понятно, что на выходе второго усилителя будет увеличенный уровень гармоник, так как входной сигнал пройдет по цепочке из двух усилительных звеньев. Кроме того второй усилитель добавит временную задержку на время прохождения сигнала через него. Вытекающие недостатки — очевидны.

Известны схемы симметричных мостовых усилителей с перекрестными связями. Например, схема из книги П. Шкритека «Справочное руководство по звуковой схемотехнике» (Глава 13. Усилители мощности) хороша по многим параметрам, кроме одного — рабочая точка усилителей мощности ничем не задана. Мысленно установите на выходах такого усилителя напряжение, например, близкое к напряжению питания (одновременно) — и баланс схемы не нарушится, так как она подавляет синфазную помеху как по входу усилителя, так и по выходу 🙂 , в силу своей симметричной топологии. Для поддержания рабочей точки выходных каскадов необходима специальная серво-схема. В противном случае на выходных плечах усилителя будет разбаланс по рассеиваемой мощности и в конце-концов может произойти отказ такого устройства.

скачать соответствующий отрывок из главы 13 в djvu

В предложенной мной схеме ИНУН устранен этот недостаток путем добавления двух резисторов (R3, R4) между дифференциальными входами усилителей. Теперь синфазный уход выходных напряжений от нулевого значения будет вызывать разбаланс напряжений между диф. входами усилителей и возвращать их в исходное состояние. В остальном, по топологии, схемы идентичны. К достоинствам симметричных мостовых схем можно отнести и то, что без переделки их можно использовать в схемах, как с балансным, так и небалансным входом. К тому же симметричные мостовые схемы отличаются уменьшенным уровням четных гармоник. К недостаткам можно отнести необходимость точного подбора номиналов схемы. Коэффициент усиления данной схемы по напряжению будет равен Ku=-R5/(R1+R3/2), входное сопротивление Rвх=2*R1+R3/2.

Читайте также:  Мощность трехфазного автомата 40а

По аналогичному принципу построен ИТУН (Источник Тока, Управляемый Напряжением). В выходные цепи введены датчики тока (R7, R8), а сигналы обратной связи берутся с делителей напряжения. Таким образом, при подключении нагрузки, с появлением входного сигнала происходит разбаланс моста, образованным описанными элементами, который устраняется за счет отрицательной обратной связи. При этом независимо от величины нагрузки (теоретически) ток через нее изменяться не будет, поскольку баланс схемы сохраняется только при протекании заданного входным сигналом выходного тока через резисторы — датчики тока. Основным параметром ИТУНа является крутизна преобразования, её можно для этой схемы посчитать по формуле Si=-R1/(R7*R5). Для указанных номиналов Si=-4,68 A/V. Rвх=R1+R2, при пренебрежении значениями R3 и R4, ввиду их относительной малости.

Схемы ИНУН и ИТУН в формате MC7 можно скачать тут.

Используя те же датчики тока и заменив ООС на ПОС, при скорректированных номиналах резистивных делителей можно получить усилитель с отрицательным выходным сопротивлением. Желающие могут проанализировать его работу самостоятельно 🙂

Усилитель мощности с отрицательным выходным сопротивлением применяется в звукотехнике в случаях, когда необходимо увеличить величину электрического демпфирования, то есть избавиться от повышенной добротности в АС, например на частоте резонанса динамика. По определению отрицательного выходного сопротивления при увеличении сопротивления нагрузки напряжение на ней падает (уменьшается усиление), а при уменьшении — возрастает (увеличивается усиление). Это реализуется за счет положительной обратной связи по току в усилителе. В связи с этим существует опасность самовозбуждения такого усилителя, в случае если сопротивление нагрузки по модулю станет меньше величины отрицательного выходного сопротивления, так как усиление в этом случае станет бесконечным :-).

Не вдаваясь в подробности вывода формул, основанных на законах Кирхгофа, симметрии схемы (R1=R2, R5=R6, R7=R8, R9=R10) с учетом того, что R3,R4 — слабо влияют на результат, рассчитать параметры схемы можно по следующим формулам:

Rвх=R1+R2
Ku=-R5*R9/(R1*(R5-R9)) при отсутствии нагрузки.
Rвых=2*R7*R9/(R9-R5)

Для номиналов, указанных на схеме, соответственно получаем:
Rвх= 40 кОм;
Ku= -39.16 или 31.85 дБ
Rвых= -4.7 Ом.

P.S. Должен сказать, что тип микросхемы, приведенной в примере (TDA2050), не играет какой-то определяющей роли, можно использовать любой подходящий по параметрам микросхемный (или дискретный) УН, выполненный по схемотехнике мощного ОУ. Желательно выполнять соблюдение общих рекомендаций datasheet для включения того или иного типа микросхемы.

Например, на базе TDA7293 был собран мостовой ИТУН для сабвуфера с ЭМОС по следующей схеме:

Вид платы со стороны деталей (в PCAD2006) на следующем рисунке:

В собранном виде все это выглядит так —

Для систем с ЭМОС желателен ИТУН с частотнозависимой АЧХ, а точнее — с частотнозависимым импедансом. При увеличении частоты выходное сопротивление УМ должно падать. Пример реализации — мостовой УМЗЧ с перекрестными связями, реализующий данный принцип: за счет введения конденсатора С8 схема приобретает необходимые свойства. При использовании TDA2050 оптимальное сопротивление нагрузки равно 8 Ом.

Ниже приведена его печатная плата (добавлены защитные диоды по выходам TDA2050):

И фото собранного усилителя. Заметим, что компоновка элементов несколько отличается от приведенной выше печатной платы. Просто в процессе доводки схемы один из элементов (его уже нет на принципиальной схеме) пришлось совсем убрать.

Обсуждение этих схем проходило на форуме Vegalab’a.

Источник