Структурные схемы УМЗЧ ИТ

   Г. КОВАЛЕНКО, г. Таганрог 

   Поскольку все источники сигнала для УМЗЧ работают как генераторы напряжения, то УМЗЧ ИТ должен представлять собой преобразователь напряжение - ток. В технической литературе наиболее известны следующие три схемы преобразования: с заземленной и незаземленной нагрузкой. Две из них имеют незаземленную нагрузку в прямом и инверсном включении преобразователя , третья - с заземленной нагрузкой.

     Особенности работы УМЗЧ в режиме генератора тока

   Инверсная схема включения с незаземленной нагрузкой имеет следующие недостатки: инверсия сигнала, а также собственные шумы, обычно вдвое превышающие аналогичные чем в схеме с неинвертирующим включением. При входном напряжении, равном напряжению на резисторе токового датчика Рд, собственные шумы усилителя вдвое больше (при условии Rooc1=Rooc2) из-за дополнительного (вдвое) деления напряжения шумов в цепи ООС и соответственно, вдвое меньшей компенсации на выходе усилителя. Сопротивление резистора датчика выбирают из условия достижения незначительных энергетических потерь, чтобы сигнал по напряжению был равен входному сигналу, дабы иметь достаточный отрыв от наводимых помех. В зависимости от сопротивления нагрузки сопротивление датчика выбирают в интервале 0,07...0,15 Ом, а сопротивление резисторов Rooc не менее 10 кОм.

   Вариант третьей схемы имеет такие же недостатки, а положительная ОС для преобразования импеданса еще добавляет дополнительные шумы. Кроме того, введение ПОС требует дополнительных цепей коррекции для борьбы с возбуждением.

    Обеспечение устойчивости работы УМЗЧ ИТ при комплексной нагрузке

 Итак, наиболее предпочтительным является вариант: незаземлённая нагрузка в прямом включении преобразователя. Теперь следует рассмотреть подробнее работу УМЗЧ в режиме преобразователя напряжение - ток, чтобы обеспечить его устойчивую работу в рабочем диапазоне частот и стабилизацию нуля до подключения нагрузки при включении и выключении усилителя. Прежде всего, следует вспомнить, что импеданс громкоговорителя за пределами звукового диапазона частот из-за индуктивного его характера стремится к бесконечности, а, значит, генератор тока на ультразвуке будет наращивать свое выходное напряжение до ограничения амплитуды по питанию и потере устойчивости. К этому могут привести даже его собственные шумы.
   Для исключения этого необходимо параллельно нагрузке подключить последовательную RC-цепь, которая и замкнет через себя ультразвуковые составляющие. При включении и выключении усилителя нужно обеспечить стабилизацию нуля на выходе УМЗЧ при отключенной нагрузке. Для этого формируется цепь Рф1Сф1, интегрирующая весь звуковой диапазон частот и пропускающая постоянную составляющую с выхода усилителя.
   Но при подключенной нагрузке в рабочем режиме нам необходимо к инверсному входу подключить напряжение с датчика тока нагрузки. Для этого необходимо добавить цепь Рф2Сф2, Кф2 не позволяет емкости Сф1 блокировать сигнал ООС, а емкость Сф2 не позволяет замкнуть через датчик постоянную составляющую. Благодаря этому постоянная составляющая на инверсный вход и напряжение звукового диапазона частот с датчика поступают на инверсный вход без деления, чем достигается 100%-ная ООС как по постоянному, так и переменному напряжению. При этом обеспечивается устойчивая работа усилителя в любом режиме нагрузки.

    Энергетические соотношения в УМЗЧ ИТ и УМЗЧ ИН

   При чисто активной нагрузке оба этих усилителя по распределению энергии между выходным каскадом и нагрузкой отличаться не будут. Но так как нагрузка (громкоговоритель) имеет в основном индуктивный характер, рассеиваемая мощность на транзисторах будет резко отличаться при различном сдвиге фазы между током и напряжением на нагрузке (реально до 60 град.).
   Проведенный расчет на программируемом калькуляторе "Электроника МК-61" показал для одного плеча выходного каскада УМЗЧ, работающего в классе В при Uпит = 40 В и Rn = 4 Ом и L= 1 мГн, что для УМЗЧ-ИН площадь, эквивалентная рассеиваемой мощности, намного больше, чем при чисто активной нагрузке, за счет "перерождения" синусоидальной формы кривой рассеиваемой мощности на коллекторе в кривую 2 при индуктивном характере нагрузки. Для УМЗЧ-ИТ площадь под кривой 3 оказывается для той же индуктивной нагрузке существенно меньше! Из этого становится понятно, почему в УМЗЧ-ИН в выходных каскадах требуют большого запаса по рассеиваемой мощности на выходных транзисторах, а для УМЗЧ-ИТ достаточно расчета на активную нагрузку. Отсюда КПД УМЗЧ-ИТ на реальной нагрузке выше, чем на УМЗЧ-ИН, что подтверждают слегка теплые радиаторы (горячие в УМЗЧ-ИН).
   Для обеспечения надежности работы выходных транзисторов УМЗЧ-ИТ в случае КЗ рассеиваемая мощность на транзисторах должна не превышать допустимой Рк = Uпитх Iн макс, где этот ток ограничен токовым датчиком и равен Uвх/Рд=Iн макс. Это в общем случае, а для режима класса АВ и В мощность рассеяния практически уменьшается вдвое.
  Хочу внести ясность для уважаемого читателя: понятие о нулевом значении внутреннего сопротивления в генераторе напряжения и бесконечного сопротивления в генераторе тока есть теоретическое допущение, принятое в ТОЭ для удобства расчета эквивалентных электрических цепей.    В реальности же любой генератор имеет вполне реальное внутреннее сопротивление, на котором и происходят реальные энергетические потери, из-за чего и греются радиаторы. Потому как выделяемая на сопротивлении тепловая энергия Q=IIR, отсюда следует, что если бы сопротивление было близко к нулю (ИН), они должны быть при работе практически холодными, а усилители в режиме генератора тока должны "расплавиться". Что в действительности не имеет места, а как видно из выше изложенного — даже наоборот.

      Особенности блока питания УМЗЧ ИТ

   Рассмотренные особенности работы УМЗЧ-ИТ приводят к выводу, что энергетический запас в БП традиционных УМЗЧ-ИН для него оказывается ненужным. Максимальное значение тока зарядки конденсаторов фильтров питания должно быть не менее учетверенного максимального тока нагрузки, а емкость фильтра связана с низшей частотой усиливаемого сигнала соотношением Cф>1/6ПfнRн мин (для стереоусилителя емкость увеличивается вдвое). Обмотки трансформатора рассчитываются исходя из указанного соотношения тока зарядки и рекомендаций по допустимой плотности тока через единицу сечения провода обмоток трансформатора.

     Принципиальная схема УМЗЧ ИТ - особенности и компоненты

  Рассмотрим возможность простейшей переделки разработанного А. М. Лихницким популярного усилителя мощности "Бриг-001 стерео", выполненного на транзисторах. В этом варианте не требуется замена плат УМ и в значительной степени сохраняется монтаж усилителя, а дополнительные элементы монтируют навесным способом. Позднее будет предложен более совершенный вариант доработки усилителя — с заменой плат, что позволит модернизировать и другие модификации этого усилителя.

Исходная принципиальная схема усилителя "Бриг-001 стерео" приведена на рис. 6. Его УМЗЧ (платы УМ1 и УМ2) выполнены с общей ООС по напряжению. Нашей задачей является переделка усилителя из УМЗЧ-ИН в УМЗЧ-ИТ, для чего необходимо на платах и в конструкции в целом произвести следующие изменения.
   Начнем с плат УМ. Сначала удаляем элементы, работающие как ограничители выходного тока, так как в них нет больше необходимости. Они приводят лишь к дополнительным искажениям и энергетическим потерям. Необходимо удалить с каждой платы транзисторы V12, V15, диоды V16—V18, конденсаторы С8, а элементы R2, R11, R21, R26 можно не удалять, их выводы можно просто замкнуть перемычками. Резисторы R30, R34—R37 замкнуть перемычками. С1, С2, С6 следует зашунтировать пленочными конденсаторами типа К73-9, 11,17 желательно большей емкости, но не менее 0,1 мкФ (подобное шунтирование оксидных конденсаторов рекомендуется провести и в других платах усилителя). Резистор R13 заменить двухваттным резистором сопротивлением 10 Ом. Резистор R3 заменить номиналом 47 кОм, а изъятый из платы резистор 24 кОм (позиция R3) включить в разрез дорожки к базе транзистора V3.
   В блоке защиты РБ замкнуть резисторы R6, R9 перемычками. В блоке ВМ предохранители F1—F4 заменить на 5 А.
   Для повышения напряжения питания УМ с целью увеличения выходной мощности до 100 Вт на канал провод от контакта 1 платы ВМ перепаять с вывода 12 Т1 на вывод 11, а провод от контакта 2 — с вывода 15 Т1 на вывод 16.
На выходах к телефонам разъем Х9 резисторы R62, R63 отпаять.
Контакты 2 разъемов Х10—Х13 отключают от общего провода и соединяют с резисторами датчиков тока R'R'R R'R', как показано на рис. 7. От резисторов RR, установленных на разъемах для головных телефонов, а также от резисторов (24 кОм RR) цепи ООС по напряжению, произвести показанные на схеме рис. 7 соединения.
В качестве датчиков тока следует использовать одноваттные резисторы С5-16 сопротивлением 0,15 Ом с допуском +-1 %, соединенные попарно (в параллель) для получения сопротивления 0,075 Ом. Таким образом, оказывается возможным подключение к разъемам Х10, Х11 громкоговорителей с номинальным сопротивлением 4 Ом, а к разъемам Х12, Х13 — громкоговорителей с номинальным сопротивлением 8 Ом без дополнительного переключателя сопротивления токовых датчиков.
   Налаживание усилителя после переделки заключается в установке тока покоя оконечного каскада. Из-за некоторого потребления тока предварительным каскадом УМ установку производят после уменьшения тока покоя до минимума (когда выходные транзисторы в режиме класса В), а затем плавно увеличить ток покоя на 20...25 мА. Этого вполне достаточно для исключения заметности переключения транзисторов выходного каскада.
    Параметры УМЗЧ
Параметры модифицированного УМЗЧ-ИТ на базе платы УМ-1 следующие: после повышения питания выходная мощность усилителя в одном канале повышается до 100 Вт на нагрузке 4 Ом, а при полной мощности в двух каналах она несколько ниже - 70-80 Вт. Измерение нелинейных искажений прибором С6-11 при подаче синусоидального сигнала от генератора ГЗ-118 на номинальной мощности показало значение не более 0,03 % на частоте 20 кГц. На средних частотах искажения УМЗЧ существенно ниже (менее 0,01 %). Измерения проводились по напряжению, снимаемому с резисторов — датчиков тока нагрузки.
   Субъективно оценка качества звуковоспроизведения показывает существенные изменения в звучании акустических музыкальных инструментов при явном улучшении естественности их звучания. Изменения касаются и в передаче пространственности звуковой картины, исключения привязки звучания к АС.

     О модификациях усилителя.

  Как известно, усилитель "Бриг—001 стерео" в годы производства его имел несколько модификаций. Описанная здесь переделка УМЗЧ без замены платы представляется уместной лишь для этой модификации. Другие варианты УМ (с ОУ в качестве входного каскада) менее подходят для подобной доработки и рекомендуется их замена на вариант УМ, выполненного также на дискретных транзисторах без применения микросхем.