Усилитель мощности с “плавающим” источником питания

Один из существенных недостатков простейших усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на основе операционных усилителей (ОУ) — малое выходное напряжение. Так, в простейшем усилительном устройстве (рис. 1)

оно ограничено максимальным выходным напряжением ОУ. Применив несколько иной способ питания ОУ (рис. 2),

удается повысить амплитуду выходною напряжения УМЗЧ почти вдвое. Однако и в этом случае оно не превышает суммы максимального выходного и максимального синфазного входного напряжений ОУ.

Предлагаемое схемное решение (рис. З)

позволяет в несколько раз увеличить выходное напряжение УМЗЧ. Достигается это использованием так называемого “плавающего” (непосредственно не соединенного с общим проводом) источника питания транзисторов оконечного каскада, позволяющего включить их по схеме ОЭ. Такой каскад, как известно, имеет большее усиление по мощности, чем обычно применяемый в УМЗЧ оконечный каскад на транзисторах, включенных по схеме ОК. К тому же ОУ работает здесь без значительных синфазных входных напряжений и его параметры не ограничивают максимальное выходное напряжение УМЗЧ, которое может достигать десятков, а при использовании высоковольтных транзисторов и сотен вольт.

Работает оконечный каскад следующим образом. При поступлении на его вход положительной полуволны синусоидального сигнала открывается транзистор VT1 и через него и источник питания GB3 течет ток нагрузки. При отрицательной полуволне транзистор VT1 закрывается, a VT2 открывается. Направление тока нагрузки меняется на противоположное, и течет он уже по цепи VT2 -- GB4. Снижение нелинейных искажений достигнуто введением ООС, напряжение которой снимается со средней точки источника питания оконечного каскада и подается на нсинвертирующий вход ОУ.

Основные технические характеристики усилителя

Номинальное входное напряжение, В ..... 0,25
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом, Вт ... 100
Номинальный диапазон воспроизводимых частот при неравномерности АЧХ не более ±1дБ, Гц .... 20...35 000
Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц, % .... 0,1
Уровень шумов и помех,дБ ... 78

Практическая схема УМЗЧ с использованием “плавающего” источника питания транзисторов оконечного каскада приведена на рис. 4.

Предварительный усилитель сигнала ЗЧ выполнен на ОУ DA1. Его выходной ток ограничивает резистор R5. К базам транзисторов VT3, VT4 оконечного каскада ОУ подключен через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Ток покоя транзисторов оконечного каскада устанавливают резистором R7 в цепи базы транзистора VT2, создающего необходимое напряжение смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и обеспечивающего температурную стабилизацию их режима работы. Дополнительная стабилизация режима транзисторов оконечного каскада обеспечивается резисторами R9, R10, создающими местные ООС по току.

Оконечный каскад усиливает сигнал по напряжению примерно в 20 раз. Транзисторы VT5, VT6 защищают ОУ при перегрузках (ограничение сигнала в оконечном каскаде, при котором производная напряжения ООС с выхода усилителя становится равной нулю) и, таким образом, снижают искажения при резких всплесках входного сигнала. Если выходное напряжение ОУ превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD1 или VD2 (в зависимости от полярности), откроется один из транзисторов (VT5 или VT6) и на инвертирующий вход ОУ поступит напряжение местной ООС. В результате коэффициент усиления ОУ снизится до двух.

Подключенные параллельно оксидным конденсаторам СЗ и С4 конденсаторы С1 и С2 снижают динамическое сопротивление источника питания на высоких частотах.

В усилителе использованы резисторы СП4-1 (R7), МОН-2 (R11), проволочные (R9, R10) и МЛТ (остальные). Конденсаторы С1, С2, С5 — К73-17, остальные — К50-6.

Транзисторы КТ825А и КТ827А можно заменить составными (К.Т819Г4-+КТ815А и КТ818Г+КТ814А), при этом эмиттерные переходы мощных транзисторов (КТ819Г и КТ818Г) необходимо зашунтировать резисторами сопротивлением 100 Ом. Вместо транзистора КТ503Б можно использовать КТ603 или КТ815 с любым буквенным индексом и статическим коэффициентом передачи тока Ьдо не менее 50, вместо КТ315Е — транзисторы этой серии с буквенными индексами А - Д.

ОУ К140УД6 можно заменить на К140УД7 или К140УД8. Хорошие результаты получаются и при использовании ОУ К140УД11, а также быстродействующих ОУ К544УД1, К544УД2, К574УД1 (последний требует установки внешнего корректирующего конденсатора).

Транзисторы VT3 и VT4 закреплены на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 600 см². Устанавливать их на общий теплоотвод через слюдяные прокладки не следует, так как при этом резко увеличивается тепловое сопротивление корпус транзистора — теплоотвод. Транзистор VT2 приклеен к одному из теплоотводов эпоксидной смолой (в непосредственной близости от самого транзистора оконечного каскада).

Трансформатор питания выполнен на магнитопроводе из пластин Ш40, толщина набора 50 мм. Его обмотка 1-2 содержит 600 витков провода ПЭВ-2 0,55, обмотка 3-4-5 — 2Х20 витков ПЭВ-2 1,2, обмотки 6-7-8 и 9-10-11 — по 2Х66 витков ПЭВ-2 0,9.

Налаживание усилителя сводится к подбору резистора R6, через который протекает ток базы транзистора VT1 (его сопротивление — в килоомах — рассчитывают по формуле: R6= =h21эvт1/2), и установке подстроечным резистором R7 тока покоя (в пределах 10...40 мА) транзисторов VT3, VT4 (по минимуму искажений типа “ступенька”) .

Описанное устройство можно использовать не только как УМЗЧ, но и как УМ постоянного тока в системах автоматики.

А. ПОНОМАРЕВ
г. Липецк

РАДИО N8 6, 1987 г., с. 39,40.