Первая страница → Проекты → Проект «А» → Описание Усилителя (Часть 1)
Проект «А» (создание «усилителя мечты»).
Описание усилителя (Часть 1)
Ничего нет и не может быть более симметричным, чем балансный мостовой двухтактный выходной каскад:
Транзисторы одной проводимости - нет места сомнениям в «недостаточной» комплементарности, как это высказывается в отношении традиционных усилителей с двухтактным выходом на комплементарных биполярных, а особенно, полевых транзисторах.
Полная симметрия схемы не дает повода к недоверию, которое может возникнуть в отношении квази-комплементарных каскадов на мощных транзисторах одной проводимости.
Схема идеальна своей симметричностью, но за идеальность, как всегда, приходится платить. В данном случае, это наличие двух независимых источников питания (V1 и V2). Т.е., для питания каждого плеча схемы требуются отдельные обмотка, мост-выпрямитель, емкостной фильтр и, при желании, стабилизатор. Немало, да и не много, в общем-то. Правда, если для сравнения взять типовой семиканальный усилитель с одним общим мостом и фильтром, то при балансно-мостовой схемотехнике выхода потребуется уже четырнадцать мостов и фильтров, плюс еще один общий, как минимум, для питания усилителей напряжения (УН). Итого, пятнадцать. А вообще-то, шестнадцать, т.к. для получения потенциала близкого к нулю на выходных клеммах на нагрузку, необходимо применять двухполярный источник питания УН. Разместить такое количество обмоток на одном трансформаторе становится проблематично, следовательно…
В итоге получается набор моно усилителей в одном корпусе. Так не лучше ли их разделить тогда, если нет ничего общего, кроме питающей розетки? Приблизительно таким путем я пришел к идее моноблочного усилителя, просто выбрав тип выходного каскада.
Управляется выходной каскад источником напряжения V3. Фактически, это дифференциальный сигнал для выходной пары.
Простейшую законченную схему усилителя на шести транзисторах можно представить в следующем виде:
В качестве особенности схемы можно заметить то, что все сильноточные линии проходят мимо земляных шин, что упрощает разводку «земель». Кроме того, т.к. полезным является дифференциальный сигнал, то помеха по шинам питания становится не столь критичной и требования к их разводке также снижаются. На самом деле, я не собираюсь, тем не менее, применять какую-то упрощенную разводку питания и земли (Имеется в виду то, что внимания этому все равно будет уделено аналогично всей остальной части схемы).
Эта схемотехника известна очень давно, еще из ламповой эры. Имеется в виду не именно эта, а принципы, примененные в ней – дифференциальный и балансно-мостовой каскады. Как транзисторный усилитель, такое решение также применяется очень давно. Да и вообще, в разработанном усилителе нет ничего нового с этой точки зрения. Используются давно известные решения и выбор оставался лишь в «тюнинге» схемотехники для получения требуемых параметров (в законченном виде эта часть схемы состоит из 21 транзистора вместо 6), подборе элементной базы да конструкции.
А вот здесь-то, когда дело касается конструкции, и начинается самое интересное. Причем, не только участники форумов (например, здесь: http://www.vegalab.ru/forum/showthread.php?t=13106), но и создатели достаточно широко обсуждаемого в Интернете так называемого Ultimate усилителя (http://www.synaesthesia.ca) признают принципиальное влияние конструкции на конечный результат. И это неудивительно. Ведь, если установить, например, выдающуюся акустику в акустически необработанное помещение типового панельного дома, то результат вряд ли будет приемлемым с точки зрения качества воспроизведения. Аналогичная ситуация и с усилителями – все признают важность и влияние конструкции на качество, но очень редко можно увидеть действительно законченное решение. Можно иметь чудесную схемотехнику, но «убить» ее некорректной конструкцией – например, применяя длинные провода с неадекватным сечением при разводке внутри корпуса или «слабую» элементную базу. Но даже создатели Ultimate усилителя к умопомрачительно навороченной схемотехнике приводят как результат пример платы, прикрученной к профилю ( http://www.synaesthesia.ca/OP-stage.html , http://www.synaesthesia.ca/Power-supply.html ). Платы висят на проводках, а где же завершенная конструкция? Зачастую все, действительно, завершается платой с радиатором. Сколько их лежит после этого в чуланах и гаражах?
Мною же, сразу была поставлена себе задача создать ЗАКОНЧЕННЫЙ усилитель хорошего промышленного уровня исполнения. И описание его начну с конструкции, которая должна соответствовать схемотехнике, к детальному описанию которой перейду следом.
Итак, конструкция.
Как оптимизировать конструкцию и убрать слабые места? Практически все соединения внутри усилителя можно признать слабым местом. Это объясняется длиной проводников и, при разделении конструкции на блоки, наличием соединителей/разъемов. Даже в достаточно неплохой и плотной конструкции ресиверов АХ3/5 длина силовых проводников от трансформатора до выходных клемм составляет по моей оценке около 80см и на пути встречается два разъема. Выход только один – перестать делить конструкцию на блоки и начинать считать всю схему как некое единое целое, оптимизируя наиболее критичные связи. Т.е. я не делаю в данном случае разницы между блоком питания и самим усилителем мощности. Решение находится в разработке единой «моноконструкции», объединяющей подсистему питания, сам УМ и все сервисные схемы.
Благодаря такому подходу, удалось, например, довести расстояние от выходов стабилизаторов напряжения выходного каскада до самих выходных транзисторов до 2.5см, а вместо 80см, длина силовых трасс составляет около 30-35см.
Основу основ составляет подсистема питания. Здесь скупиться нельзя, поэтому для номинально 20-ваттного усилителя с рассеиваемой мощностью около 115W используются два трансформатора с суммарной мощностью на выходе 286VA. Один трансформатор (250VA) предназначен для питания выходных каскадов, а второй (36VA) питает схему УН и большинство сервисных схем (защита от постоянного напряжения на выходе, задержка включения акустики, схема режима Standby и автозапуска и т.п.). Трансформаторы применены фирмы Toroid, выбраны по каталогу Elfa, их номера АА-98040 и АА-98026. Силовой трансформатор на 250VA имеет вторичную обмотку, намотанную проводом диаметром 1.8мм, что для 20-ваттного усилителя будет с очень хорошим запасом.
После четырех мостовых выпрямителей на диодах Шоттки (STPS8H100G для питания выходных транзисторов и 12CWQ06FNPbF для УН) и фильтрации (используются группы емкостей Nichicon UPW1V332MHD 3300uF 35V и UPW1V472MHD 4700uF 35V c очень низким ESR – 0.015 и 0.014 Ohm соответственно) по идентичной схеме и совпадающей элементной базе собраны четыре стабилизатора напряжения – два силовых и два относительно слаботочных:
Сильноточные стабилизаторы имеют суммарную емкость на входе 17400uF, а слаботочные 3300uF. Выход сильноточных нагружен на емкость 3300uF (емкость С3 на схеме выше), а слаботочных – 1500uF.
Совершенно не заботясь о долговременной и температурной стабильности выходного напряжения, основной упор был сделан на частотную стабильность параметров. Эта наипростейшая схема не имеет цепей ОС, а отличные параметры (низкое выходное сопротивление и хорошие частотные характеристики) определяются выбором элементной базы – в качестве регулирующего транзистора используется HUF76639. Схема тем ближе будет к идеальному регулятору/стабилизатору напряжения с точки зрения минимизации выходного сопротивления, чем выше крутизна характеристики транзистора М1. HUF76639 позволяет получить 60mOhm, что ненамного больше параметров стабилизаторов на микросхемах с ОС, например типа ‘7820', где выходное сопротивление составляет величину порядка 40…50mOhm и только на частотах до 1…3KHz. Уровень в 60mOhm практически всегда превышается уже на 4…12KHz.
Тот же самый регулирующий транзистор применен и для слаботочных стабилизаторов питания УН, только в исполнении ‘S3S’ (TO-262AB) вместо 'P3' (TO-220AB).
Основу всей конструкции составляет плата размером 146х239 мм, на которой смонтирована ВСЯ схема, т.е. сам усилитель, блок питания и вспомогательные схемы. Именно это позволило сократить длины соединений/проводников, исключить лишние коммутацию, разъемы и т.п. Однако, такое решение повысило требования к исполнению самой платы – потребовалась высокая механическая прочность, способность проводить большие токи и… рассеивать тепло.
Для механической прочности общая толщина платы составляет 4мм:
Плата выдерживает общий вес устанавливаемых элементов более 4КГ без заметных деформаций и, более того, служит основой для крепления трансформаторов, которые прикручиваются именно к плате.
Фольгирование осуществляется толщиной 105мкм вместо обычных 35мкм. Силовые же внешние слои имеют увеличенную до 140мкм металлизацию. Плата – четырехслойная: два внешних силовых сигнальных слоя, один слой «земель» и критически важных соединений, один слой полностью отдан экрану. Слой с критически важными соединениями позволяет взять, например, сигнал ОС из конкретных точек и кратчайшим путем доставить к входному каскаду. Земли в этом слое также разводились с учетом особенностей схемы.
К сожалению, стоимость одной только такой печатной платы сравнима со стоимостью готового стерео усилителя начального уровня (типа ART SLA-2, например).
Ширина силовых проводников не сужается менее 7мм. На первый взгляд, это совсем немного, но не надо забывать, что при такой металлизации ширина в 7мм дает сечение проводника в 1мм2 и соответствует ширине дорожки в 28мм обычной (35мкм) платы.
Большую часть рассеивания тепла от активных и пассивных элементов, кроме как от выходных транзисторов и силового стабилизатора, плата берет на себя. Например, площадки вокруг силовых диодов STPS8H100G подобраны так, чтобы тепловое сопротивление переход-окружающая среда не превышало 40C/W. Соответствующий расчет и организация площадок для рассеивания тепла проведена для всех компонентов на плате.
Предпоследнее обновление страницы: 21:50 22.05.2008