Блок питания и внутренняя схема STK4050.

Усилитель 2 по 200 Ватт. Схема.

В этой статье представлена схема одного канала усилителя, способного на нагрузке 4 Ома развить мощность 200 Ватт. Усилитель, собранный по данной схеме, кроме высокой выходной мощности обладает достаточно низким уровнем шумов. Принципиальная схема изображена на рисунке ниже:

Входной каскад усилителя собран на транзисторах А1015. Перед тем как впаивать их на плату не поленитесь проверить их коэффициент передачи тока на соответствие параметрам, указанным в даташите на этот транзистор. Ссылка на даташит ниже:

На выходе усилителя параллельно резистору 10 Ом стоит катушка. Ее намотка осуществляется на оправку 9,5 мм в диаметре, мотается 10 витков провода ПЭВ-2 1,0 мм. Катушка бескаркасная.

Схема блока питания для этого усилителя изображена на следующем рисунке:

При питании усилителя от такого источника максимум, что вы сможете выжать, это примерно Ватт 150 на канал. Для получения мощности 200Ватт на канал необходимо использовать трансформатор с двумя симметричными обмотками по 40 вольт, и способных выдерживать ток нагрузки порядка 10 ампер. Но это еще не все. Необходимо так же будет заменить транзисторы пред-оконечного и оконечного каскада на более мощные, то есть: транзисторы D1047 заменить на 2SC5200, транзисторы B817E заменить на 2SA1943, транзисторы TIP41 меняются на MUE15032, а TIP42 на MUE15033. Применение указанных на принципиальной схеме номиналов элементов и использование менее мощного трансформатора производилось с целью удешевления конструкции в целом.

Печатная плата (на плате размещены оба канала усилителя, а так же выпрямительные диоды и емкости блока питания):

Вид на печатную плату со стороны элементов:

Схема внешних подключений к плате усилителя:

Эту схему (на пробу) мне принёс знакомый DJ. Он и сам не знает, откуда она у него взялась. Но после сборки схема очень порадовала своими характеристиками. Поэтому я не голословно рекомендую собрать её всем желающим.

Схема усилителя

Детали:
R1,R11 1K

R2 36K
R3 240
R4-R5 330
R6-R7 20K
R8-R9 3,3K 0,5W
R10 27, 2W
R12-R15 0,22 5W
R16 10K
C1 0,33mkF
C2 180p
C3-C4 10mkF 25V
C5-C7 0,1mkF
C8 0,22mkF
C9-C10 56p
VD1-VD2 КС515А
VT1 KT815Г
VT2 KT814Г
VT3 VT5 VT... 2SA1943
VT4 VT6 VT... 2SC5200

Вместо указанных на схеме деталей можно применить выходные транзисторы КТ8101А и КТ8102А. Их количество может быть любым.
Скачать схему и печатную плату усилителя 28 кБ (SLayout)

Блок питания

Схема биполярного источника питания

От автора: "Схема простая: трансформатор, диодный мост и пара конденсаторов. Трансформатор нужен по мощности чуть больше, чем общая мощность каналов, а конденсаторы - чем больше ёмкости, тем лучше. Только напряжение обмоток рассчитывайте так, чтобы на конденсаторах было не больше 50 вольт."

Усилитель построен на транзисторах серии ThermalTrak от известного производителя On Semiconductor. Эти транзисторы представляют собой новую версию топовых моделей MJL3281A и MJL1302A и имеют встроенные диоды для организации термокомпенсированных цепей смещения выходного каскада.

В результате этого исключается регулировка тока покоя выходного каскада и отпадает необходимость в классическом умножителе напряжения для термостабилизации тока покоя выходного каскада и решается ряд конструктивных вопросов по снижению термического сопротивления радиатор-транзистор.

Усилитель выполнен на двухсторонней печатной плате, хотя для такой относительно простой конструкции это казалось бы необязательно. Однако, двухсторонняя разводка проводников позволяет оптимизировать их расположение, с целью минимизации взаимных наводок и компенсации магнитных полей, создаваемых асимметричными токами выходного двухтактного каскада класса B (об этом мы писали в цикле статей « »).

Особенности и характеристики

Для начала небольшое замечание: авторы в описании своего усилителя часто упоминают то режим «АВ», то режим «В». На самом деле усилитель относится к классу «АВ», то есть на малых уровнях сигнала он работает в классе «А», а на высоких мощностях переходит в класс «В».

Если в первом случае (для малых сигналов, класс «А») борьба с магнитными полями и пульсациями в цепях питания не представляет больших трудностей из-за малых значений и симметричности токов, то при переходе усилителя в класс «В» токи становятся несимметричными и напряженность магнитных полей будет значительной. Эксплуатировать усилитель с максимальной мощностью 200 Вт на уровнях 3-5 Вт как-то нецелесообразно. Поэтому авторы уделили особое внимание получению максимальных характеристик (и соответственно устранению или компенсации всех негативных факторов) на мощностях близких к пиковой, то есть в режиме «В».

Схемотехнические и конструктивные решения, применённые в конструкции, позволили получить:

Очень низкие искажения
Отсутствие регулировки тока покоя
Двухстороннюю печатную плату с простой топологией проводников
Компенсацию наводок магнитных полей при работе в классе «В»

Основные технические характеристики усилителя:

Выходная мощность: 200 Вт при нагрузке 4 Ом; 135 Вт при нагрузке 8 Ом,
Частотная характеристика (при мощности 1 Вт): 4 Гц по уровню –3 dB, 50 кГц по уровню –1 dB
Входное напряжение: 1.26 В при выходной мощности 135 Вт и нагрузке 8 Ом
Входное сопротивление: ~12 кОм
Гармонические искажения: < 0.008% в полосе 20 Гц-20 кГц (нагрузка 8 Ом); типовое значение < 0.001%
Отношение сигнал/шум: менее 122 dB при мощности 135 Вт и нагрузке 8 Ом.
Коэффициент демпфирования: <170 при нагрузке 8 Ом на частоте 100 Гц; <50 на частоте 10 кГц

Описание схемы

На рисунке представлена принципиальная схема усилителя мощности:

Принципиальная схема усилителя (увеличение по клику)

Входной сигнал через конденсатор ёмкостью 47 мкФ и резистор сопротивлением 100 Ом поступает на базу транзистора Q1, дифференциального каскада, собранного на транзисторах Q1 и Q2. Здесь используются малошумящие транзисторы фирмы Toshiba 2SA970, так именно этот каскад вносит самый большой вклад в итоговый уровень шума всего усилителя.

Усилитель охвачен петлёй общей отрицательной обратной связи, номиналы элементов которой определяют коэффициент усиления. При указанных на схеме номиналах он составляет 24,5 раз.

Конденсатор в цепи отрицательной обратной связи обеспечивает 100% связь по постоянному току для поддержания нулевого потенциала на выходе усилителя без применения дополнительных интеграторов и т.п. При ёмкости в 220 мкФ он обеспечивает нижнюю граничную частоту 1,4 Гц по уровню -3 дБ.

Конденсаторы обратной связи

Ёмкости конденсаторов на входе и в цепи отрицательной обратной связи несколько больше, чем обычно устанавливают в этих цепях. Такие величины выбраны, чтобы минимизировать возможные искажения в полосе звуковых частот.

Для примера, выходное сопротивление CD-проигрывателя обычно составляет несколько сотен Ом. Если на входе установить конденсатор ёмкостью 2,2 мкФ (типовое значение для входных цепей), то на частоте 50 Гц входной каскад будет «видеть» сопротивление источника сигнала порядка полутора килоом. Конденсатор ёмкостью 47 мкФ на той же частоте будет иметь импеданс всего 67 Ом. (Напомним, что источник сигнала, по сути, является генератором напряжения, поэтому должен иметь низкое выходное сопротивление)

Здесь также не используются (обычно рекомендуемые) неполярные конденсаторы. Они имеют размеры в несколько раз больше, чем простые электролитические конденсаторы, из-за чего склонны больше ловить шумы и наводки. Так как поставлена цель сделать усилитель с минимальным уровнем шумов и искажений, то для этого приняты все меры: схемотехнические решения, выбор элементной базы, конструктивные решения.

Усилитель обладает широкой полосой пропускания, что тоже накладывает свои требования и ограничения на выбор элементов, к монтажу и т.д. с целью минимизации улавливаемых шумов и помех.

Диоды D1 и D2 защищают относительно низковольтный электролитический конденсатор в цепи отрицательной обратной связи в случае выхода усилителя из строя. Кстати, настоятельно рекомендуется снабдить усилитель какой-нибудь системой защиты акустических систем. У авторов она перекочевала из предыдущей конструкции, поэтому здесь её описание не приводится.

Использование двух диодов вместо одного гарантирует отсутствие нелинейных искажений из-за ограничения пиков сигнала в цепи обратной связи (около 1 В, а два диода дадут ограничение на уровне порядка 1,4 В).

Драйверный каскад

Основное усиление напряжения дает каскад на транзисторе Q9. Для уменьшения нелинейных искажений входной каскад развязан от драйверного через эмиттерный повторитель на транзисторе Q8.

Для получения максимальной линейности и максимального усиления драйверный каскад нагружен на активный источник тока (выполнен на транзисторе Q7). Базовое смещение и для него, и для источника тока входного каскада (Q5) создает транзистор Q6. Несколько сложные цепи смещения транзисторов Q5, Q6, Q7 обеспечивают максимальное подавления шумов и пульсаций по цепям питания, что важно для усилителя класса «В», где по шинам питания гуляют большие (до 9 А!) и, самое главное, несимметричные импульсные токи.

Если пульсации цепей питания попадут во входной каскад, то будут усилены всеми каскадами и попадут в нагрузку — акустическую систему. То, что мы услышим в результате, скорее всего, нам не понравится. Поэтому в усилителе приняты все меры для предотвращения проникновения шумов и пульсаций из цепей питания в усилительный тракт.

На осциллограмме в центре показан сигнал генератора частотой 1 кГц. Верхний (красный) график — модуляция пульсаций положительной шины источника питания входным сигналом, нижний график — модуляция отрицательной шины питания:

Конденсатор 100 пФ между коллектором Q9 и базой Q8 ограничивает полосу пропускания усилителя. Поскольку к нему прикладывается полная амплитуда выходного сигнала каскада, он должен быть рассчитан на напряжение 100 В или более.

Выходной каскад

Выходной сигнал драйверного каскада на транзисторе Q9 подаётся на транзисторы выходного каскада через резисторы номиналом 100Ом, которые защищают транзисторы Q7 и Q9 от короткого замыкания на выходе усилителя, хотя, конечно, первыми должны перегореть предохранители. Кроме того, эти резисторы предотвращают возможное возбуждение выходного каскада.

Выходной каскад построен на составных комплементарных транзисторах Дарлингтона. Во-первых, это дало возможность использовать высоколинейные транзисторы фирмы ThermalTrak со встроенными диодами, во-вторых, получить максимально полную мощность на нагрузке 4 Ома (минимизировать падение напряжения на выходном каскаде).

Термокомпесация смещения

При использовании четырёх транзисторов фирмы Thermaltrak в выходном каскаде мы имеем четыре встроенных диода для организации термокомпенсированной цепи смещения.

Как показано на схеме, четыре диода включены последовательно между коллекторами транзисторов Q7 и Q9. Такой метод организации смещения выходного каскада был широко распространён в 60-70-х годах. Позднее его сменил, ставший классическим решением, умножитель напряжения на транзисторе.

Обычно ток покоя выходного каскада задает каскад на транзисторе, который крепится на один радиатор с выходными транзисторами, тем самым обеспечивается термическая связь. Такой способ имеет недостатки: во-первых транзистор цепи смещения приходится подбирать, для обеспечения оптимальной термокомпенсации, во-вторых в любом случае присутствует тепловая инерция: выходной транзистор должен нагреть радиатор, радиатор нагреет транзистор цепи смещения и только тогда произойдёт термокомпенсация тока выходного каскада.

Размещение диодов для термостабиилизации в одном корпусе с транзистором решает эти проблемы: диоды имеют характеристики максимально согласованные с транзисторами, поэтому термостабилизация происходит максимально точно, во вторых они расположены на одной подложке с кристаллами транзистора, что делает их нагревание максимально быстрым, исключается посредник-радиатор.

С транзисторами Thermaltrak, благодаря встроенным диодам, ток покоя усилителя быстро стабилизируется после включения и поддерживается очень точно, не зависимо от изменения напряжения питания или уровня выходного сигнала. Фирма производитель также утверждает, что линейность каскада с таким смещением выше, чем при использовании обычного транзисторного умножителя.

На рисунке объясняется способ задания смещения выходного каскада:

Четыре интегрированных диода компенсируют четыре перехода база-эмиттер и определяют ток выходного каскада. С учётом того, что выходные транзисторы включены параллельно и в эмиттерных цепях установлены резисторы по 0,1 Ом, четыре последовательно включённых диода обеспечивают ток покоя выходного каскада на уровне 70-100 мА, что несколько выше, чем обычно задаётся транзисторным узлом смещения.

Выходной фильтр

Выходной фильтр представляет собой RLC-цепь, состоящую из индуктивности (без сердечника) 6,8 мГн, резистора сопротивлением 6,8 Ом и конденсатора ёмкостью 150 нФ. Этот фильтр использовался авторами во многих конструкциях усилителей и показал свою высокую эффективность в плане изоляции выходного каскада от любых обратных токов, вызванных реактивной нагрузкой, тем самым обеспечивая высокую стабильность усилителя. Фильтр также эффективно подавляет радиочастотные сигналы, улавливаемые длинными проводами от акустических систем, что предотвращает их проникновение во входные цепи усилителя.

Предохранители

Выходной каскад питается через предохранители на 5 А от шин ± 55 В. Они обеспечивают единственную защиту усилителя от коротких замыканий на выходе или других неисправностей, которые в результате приводят к повышенному потребляемому току.

Двусторонняя печатная плата

Для упрощения и оптимизации разводки цепей питания печатная плата усилителя выполнена двухсторонней. Во-первых, это позволило организовать разводку общего провода в виде «звезды», когда все проводники с нулевым потенциалом сходятся в одну точку, что исключает образование «земляных» петель и проникновение выходного сигнала во входные цепи. Об этом мы писали в цикле статей « »

Во-вторых, и что ещё более важно, разводка проводников и расположение деталей на плате выполнены так, чтобы компенсировать магнитные поля, создаваемые большими импульсными токами. Об этом мы также писали в цикле статей « », где предлагалось свивать бифилярно проводники с большими и противофазными токами. На печатной плате проводники так не совьёшь, но компенсировать поля, тем не менее, возможно.

Для примера, предохранитель положительной шины питания расположен рядом и параллельно с эмиттерными резисторами выходного каскада Q12 и Q13. Элементы соединены так, что ток через них течёт в разных направлениях, за счёт чего происходит взаимная компенсация магнитных полей. Аналогично детали размещены по минусовой шине.

Дорожки питания от разъёма CON2 до предохранителей идут рядом параллельно друг другу, а в середине платы расходятся в разные стороны. Под расходящимися проводниками расположены дорожки эмиттерных цепей выходного каскада, а под параллельными дорожками расположены земляная шина. За счёт такой разводки печатной платы магнитные поля, создаваемые этими дорожками, взаимно компенсируются.

Применённые методы подавления магнитных полей позволили существенно снизить искажения усилителя.

Результаты измерений параметров усилителя:

АЧХ усилителя при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 8 ОМ

Гармонические искажения усилителя на частоте 1 кГц при нагрузке 8 Ом. Видно, что клиппирование происходит на мощности 135 Вт.

Гармонические искажения усилителя на частоте 1 кГц при нагрузке 4 Ом. Видно, что клиппирование происходит на мощности 200 Вт.

Искажения усилителя при нагрузке 8 Ом (резистивная нагрузка)

Искажения усилителя при выходной мощности 100 Вт на резистивной нагрузке 4 Ом.

Продолжение следует...

Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»

Вольный перевод: Главный редактор « »

Можно собрать усилитель на транзисторах, но намного проще и быстрее построить усилитель на базе гибридной интегральной схемы серии STK40xx производства Sanyo. Усилитель получается с высоким качеством звука и с низким уровнем шума.

Максимальная выходная мощность усилителя, например на STK4050 — 200 Вт!

Звук имеет хорошее качество. Усилитель можно использовать в домашних кинотеатрах, в компьютерах и т.п. также можно использовать в качестве усилителя сабвуфера. Для стерео варианта нужно собрать два таких усилителя. Сопротивление нагрузки 8 Ом. Микросхема должна быть установлена на хороший радиатор через теплопроводящую пасту. Дорожки питания и выхода печатной платы должны иметь максимальную ширину.

Основные технические характеристики STK4050:

Предельно допустимое напряжение питания +/- 95 В
Номинальное напряжение питания +/- 65 В
Номинальная выходная мощность 200Вт
Рассеиваемая мощность (Р вых. = 200 Вт.) 130 Вт
Коэффициент гармоник (Р вих. = 200 Вт.) 0,3%
Номинальное сопротивление нагрузки 8 Ом
Входное сопротивление 55 кОм (Р вых. = 1 Вт., F = 1 кГц)
Частотный диапазон (+0, -3 дБ) 20 Гц — 50 кГц
Коэффициент усиления по напряжению 40 дБ
Чувствительность 350 мВ

Принципиальная схема усилителя на STK4050

Особенности STK4050:

Компактная и тонкий корпус
Серия STK имеет 18 контактов максимальную мощность на канал от 120 до 200 Вт
Простая конструкция теплоотвода
Текущий применение зеркальной схеме уменьшает искажения до 0,08%
Выключение нагрузки по тепловой защите и от короткого замыкания, а также подавления шума, при включение / выключении питания

Блок питания и внутренняя схема STK4050

Печатная плата усилителя

Доработка схемы на STK4050

Таблица характеристик ГИС STK40XX

П О П У Л Я Р Н О Е:

Как обеспечить громкоговорящей связью, скажем, два пункта, удаленных друг от друга на значительное расстояние? Подобная задача возникает в школе, пионерском лагере, в небольшом поселке или далеко удаленных комнатах дома. И во всех подобных случаях приходит на помощь переговорное устройство.

Светово́й меч (англ. Lightsaber) - это фантастическое оружие многим известно по фантастической саге «Звёздные войны». Его можно встретить в научно-фантастических фильмах и рассказах.

В статье описан мощный ламповый УМЗЧ, построенный на пальчиковых лампах 6H2П, 6Н1П, 6П45С, схему которого автор скомбинировал из нескольких ламповых усилителей с выходной мощностью 25…50 Вт, работавших на цокольных лампах.
Принципиальная электрическая схема усилителя показана на рис.1, схема соединений обмоток выходного трансформатора – на рис.2, принципиальная электрическая схема блока питания – на рис.3. Моточные данные силового трансформатора приведены в таблице.

Технические характеристики УМЗЧ
Выходная мощность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2*200 Вт
Потребляемая мощность:
холостой режим. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Вт
рабочий режим. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Вт
Диапазон частот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,01…40 кГц
Коэффициент нелинейных искажений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5%
Амплитуда входного сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 В
Глубина регулировки тембра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±15дБ
Сопротивление нагрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Ом

Конденсаторы электролитические лучше использовать импортные малогабаритные на напряжение не ниже указанного в схеме. Конденсаторы темброблока любые, а гальванической развязки и защиты сетевых помех 0,1 мкФ*630 В. Применены индикаторы от старых бобинных магнитофонов («Илеть”, «Юпитер”). Выходные лампы усилителя установлены горизонтально, но при этом выводы 3 и 8 лампы 6П45С должны находиться вертикально во избежание межэлектродных замыканий. Охлаждение силовой и выходной частей усилителя принудительное. Выходные лампы, трансформаторы и силовой трансформатор нужно экранировать от остальных узлов усилителя, как показано на фото.
В качестве выходного трансформатора использован силовой трансформатор TC180 от лампового телевизора на две катушки. Все его обмотки удаляют и наматывают по данным, приведенным на рис.2. Намотка выходного трансформатора сложная, очень важно соблюдение количества витков и межобмоточных соединений. Обмотки 2, 3, 5, 6 наматывают в три слоя и выводят на существующие выводы катушек. Обмотки 1, 4, 7 однослойные. Они выведены только на два вывода, так как включены параллельно. Обмотку 8 наматывают последней и выводят на два оставшихся вывода. После сборки трансформатора нужно соединить обмотки между собой (рис.2).

Изоляция между слоями обмоток 3, 5, 6 взята от больших неполярных конденсаторов. Она точно подходит по размерам, если предварительно удалить фольгу. Между обмотками высокого напряжения и обмотками нагрузки использована штатная изоляция TC180. Намотка обмоток плотная виток к витку. Изоляция между слоями укладывается также плотно, это необходимо во избежание вибрации витков со звуковой частотой и чтобы вошли все обмотки.

Силовой трансформатор типа СТ- 270 – от цветного лампового телевизора. Сетевая обмотка заводская, обмотку на 110 В также можно использовать заводскую, так как она намотана сразу после экрана. Все остальные обмотки удаляют и наматывают по данным таблицы.

Диоды и конденсаторы блока питания установлены на текстолитовой плате между усилителями. Резисторы и диоды Д1–Д4 распаяны на гребенках. Дроссель Др1 намотан на магнитопроводе Ш10*20 и содержит 600 витков провода ПЭЛ:1 диаметром 0,25 мм. Анодное напряжение выпрямляется тремя мостами на диодах Д7–Д18, включенных последовательно. Накальное питание ламп 6H2П – постоянное, выпрямленное диодами Д5, Д6, лампы 6Н1П – переменное с положительным потенциалом, взятым от анодного напряжения +355 В.
Накал выходных ламп 6П45С осуществляется переменным напряжением 6,3 В, отдельным для каждой пары.
Вентиляторы охлаждения – четырехдюймовые от компьютера на напряжение 220 В. Переключателем S2 вентиляторы Эд1 и Эд2 переключаются на напряжение 127 В для снижения оборотов при работе в холодных условиях. Конденсатор 0,047 мкФ*630 В исключает щелчок при отключении.

Настройка.

Резистором R1 устанавливают баланс выходных ламп, добиваясь нулевых показаний на вольтметре (на рис.1 показан пунктиром), включенном между конденсаторами C1, C2. Шкала вольтметра 3 В. Резистором R2 регулируют напряжение смещения на
выходных лампах. Перед настройкой необходимо установить R2 в крайнее верхнее положении. С помощью резистора R3 настраивают индикатор уровня выходного сигнала. При самовозбуждении усилителя выводы обмотки обратной связи нужно поменять местами.

Литература — РА 1‘2006\