Galios stiprintuvas su maitinimo bloku

Parengė Andrius Vaičeliūnas (red. pastaba: kalba netaisyta).
Вильчинский В. Усилитель мощности с блоком питания. – Радио, 1990, № 5, с. 52–55.

Ruošiant garso dažnių stiprintuvus su didesne kaip 100 W maksimalia išėjimo galia, rimčiausią reikšmę įgauna būtinybė gauti galimai didesnį stiprintuvo naudingo veikimo koeficientą, esant pakankamai mažiems nelinijiniams iškraipymams. Klausimas apie leistiną garso dažnių stiprintuvo nelinijinių iškraipymų koeficientą ne kartą buvo svarstomas žurnalo „Радио“ puslapiuose [1, 2], o aukšto stiprintuvo naudingo veikimo koeficiento gavimui dažniausiai nebuvo skiriama reikiamo dėmesio.

Žinoma, kad gerą naudingo veikimo koeficientą turi galios stiprintuvo, dirbančio B režime, išėjimo kaskada. Tačiau jam būdingi dideli nelinijiniai iškraipymai. Žurnale „Радио“ buvo pasakota apie tokių iškraipymų korekciją su tiesioginio ryšio pagalba [3]. Nagrinėtas ir iškraipymų sumažinimo būdas, paremtas stiprinimo kaskadų, dirbančių skirtinguose režimuose naudojimu [4].

Autorius siūlo dar du stiprintuvo išėjimo kaskadų variantus, dirbančius skirtinguose režimuose ir leidžiančius sumažinti galingo garso dažnių galios stiprintuvo harmonikų koeficientą. Jų supaprastintos elektrinės schemos parodytos 1, a pav. ir 1, b pav. Kiekvienas stiprintuvas sudarytas iš dviejų išėjimo kaskadų – pagrindinės ir pagalbinės, sujungtų lygiagrečiai. Be to, pagrindinė kaskada dirba B režime, o pagalbinė – AB režime.

1 pav. (padidinti)

Pagrindinė stiprintuvo kaskada, pavaizduota 1, a pav., įgyvendinta tranzistoriuose VT1, VT2, pajungtuose pagal komplementaraus emiterinio kartotojo, dirbančio B režime, schemą. Tranzistoriai VT3, VT4 ir rezistoriai R6–R9 sudaro pagalbinę kaskadą, dirbančią AB režime. Rezistoriai R1–R5 ir diodai VD1, VD2 užtikrina būtiną priešįtampį tranzistorių bazėse ir užduoda abiejų kaskadų darbo režimus. Kaip matyti iš schemos, priešįtampis pagalbinės kaskados tranzistorių bazėse visada didesnis nei pagrindinės kaskados bazėse įtampos kritimo dioduose VD1, VD2 dydžiu. Rezultate, jeigu su rezistoriaus R4 varžos keitimo pagalba užduoti priešįtampį tranzistorių VT3, VT4, atitinkančių AB režimą, bazėse, tai priešįtampis tranzistorių VT1, VT2 bazėse bus mažesnis ir kaskada dirbs B režime. Rezistoriai R8, R9 sudaro būtiną pagalbinės kaskados termostabilizaciją, o rezistoriai R6, R7 apriboja tranzistorių VT3, VT4 bazės srovę.

Esant mažiems įėjimo signalo lygiams pagrindinės kaskados tranzistoriai VT1, VT2 uždaryti ir dirba tik pagalbinė kaskada. Dėl to kintama srovė, patenkanti į apkrovą, maža, mažas ir įtampos kritimas rezistoriuose R8, R9. Augant įėjimo įtampai pradeda atsidaryti tranzistoriai VT1, VT2 ir padidėja srovė, patenkanti į apkrovą nuo lygiagrečiai sujungtų išėjimo kaskadų. Srovės, pratekančios per rezistorius R8, R9, padidėjimas priveda prie didesnio įtampos kritimo juose ir tranzistorių VT3 bei VT4 srovės apribojimo. Esant maksimaliai išėjimo srovei, pavyzdžiui, kai įėjimo įtampos pusbangė teigiama, tranzistorius VT1 pilnai atidarytas, o per tranzistorių VT3 dėl to į apkrovą prateka žymiai mažesnė srovė, pagrinde apribota rezistoriumi R8 ir dalinai R6. Tokiu būdu, kuo didesnė bus rezistorių R8, R9 varža, tuo mažesniu lygiu bus apribota pagalbinės kaskados tranzistorių maksimali srovė, reiškia, ir maksimali galia AB režime, atiduodama apkrovai. Kaip parodė maketavimas, R8, R9 rezistorių 2...10 Om eilės varža apriboja pagalbinės kaskados tranzistorių maksimalią srovę 200...40 mA lygiu.

Sudėtingesnė išėjimo kaskada, pavaizduota 1, b pav. Ji užtikrina stiprinimą kaip pagal srovę, taip ir pagal įtampą. Pagrindinėje kaskadoje (VT3, VT4) nusimato galingų sudėtinių tranzistorių КТ825, КТ827 panaudojimas. Pagalbinė kaskada VT5–VT8 taip pat turi būti surinkta iš sudėtinių tranzistorių. Rezistoriai R1–R11, stabilitronai VD1, VD2, diodai VD3, VD4 ir tranzistoriai VT1, VT2 nustato išėjimo kaskadų darbo režimą, kuris nesikeičia reikšmingai pasikeitus maitinimo įtampai. Tai paaiškinama tuo, kad priešįtampis tranzistorių VT1, VT2 bazėse palaikoma pastovi stabilitronais VD1, VD2.

Išėjimo kaskados tranzistorių darbas srovės ir įtampos stiprinimo režime užtikrina maksimalų išėjimo kaskados naudingo veikimo koeficientą, kadangi šiuo atveju tranzistorių soties įtampa minimali ir maksimali išėjimo signalo amplitudės reikšmė priartėja prie maitinimo įtampos.

Kaip ir iškraipymų korekcijos naudojant tiesioginį ryšį atveju, galios stiprintuvas, pastatytas pagal pasiūlytas schemas, turi turėti pakankamai gilų atgalinį neigiamą ryšį, užtikrinantį mažus nelinijinius iškraipymus plačiame dinaminiame išėjimo signalų diapazone.

Panaudojus greito veikimo operacinį stiprintuvą parengtinėje garso dažnių galios stiprintuvo kaskadoje ir pastačius jo išėjimo kaskadą pagal schemą, parodytą 1, b pav., autoriui pavyko sukonstruoti stiprintuvą su sekančiais parametrais:

Principinė garso dažnių galios stiprintuvo schema pateikta 2 pav. Parengtinio stiprinimo kaskada įgyvendinta greito veikimo operaciniame stiprintuve DA1 (К544УД2Б), kuris kartu su būtinu stiprinimu pagal įtampą užtikrina stabilų stiprintuvo darbą su giliu atgaliniu neigiamu ryšiu. Atgalinio ryšio rezistorius R5 ir rezistorius R1 nustato stiprintuvo stiprinimo koeficientą. Išėjimo kaskada įgyvendinta tranzistoriuose VT1–VT8. Jos darbas buvo apžvelgtas anksčiau. Kondensatoriai C6–C9 koreguoja kaskados fazinę ir dažninę charakteristikas. Stabilitronai VD1, VD2 stabilizuoja operacinio stiprintuvo maitinimo įtampą, kuri be to naudojama būtino išėjimo kaskados priešįtampio sukūrimui.

2 pav. (padidinti)

Operacinio stiprintuvo išėjimo įtampos daliklis R6, R7, diodai VD3–VD6 ir rezistorius R4 sudaro nelinijinio atgalinio neigiamo ryšio grandinę, kuri sumažina operacinio stiprintuvo stiprinimo koeficientą, kada galios stiprintuvo išėjimo įtampa pasiekia savo maksimalią reikšmę. Rezultate sumažėja tranzistorių VT1, VT2 soties gylis ir sumažėja tiesioginės srovės atsiradimo galimybė išėjimo kaskadoje. Kondensatoriai C4, C5 – koreguojantys. Padidinus kondensatoriaus C5 talpą išauga stiprintuvo patikimumas, bet kartu padidėja nelinijiniai iškraipymai, ypatingai aukštuose garso dažniuose.

Stiprintuvas išlaiko darbingumą mažėjant maitinimo įtampai iki ±25 V. Galimas ir tolimesnis įtampos mažėjimas iki ±15 ir netgi iki ± 12 V sumažinus rezistorių R2, R3 varžą arba tiesiogiai pajungus operacinio stiprintuvo maitinimo išvadus prie bendro maitinimo šaltinio ir pašalinus stabilitronus VD1, VD2.

Maitinimo įtampos sumažėjimas priveda prie maksimalios stiprintuvo išėjimo galios sumažėjimo tiesiogiai proporcingai maitinimo įtampos sumažėjimo kvadratui, t. y. sumažėjus maitinimo įtampai du kartus maksimali stiprintuvo išėjimo galia sumažėja keturis kartus.

Stiprintuvas neturi apsaugos nuo trumpojo jungimo ir perkrovų. Šias funkcijas įgyvendina maitinimo blokas.

Žurnale „Радио“ buvo išsakyta nuomonė apie būtinybę maitinti garso dažnių galios stiprintuvą nuo stabilizuoto maitinimo šaltinio, kad užtikrinti natūralesnį skambesį. Iš tikrųjų, esant maksimaliai stiprintuvo išėjimo galiai nestabilizuoto šaltinio įtampos pulsacijos gali siekti kelis voltus. Dėl to maitinimo įtampa gali iš esmės sumažėti filtro kondensatorių išsikrovimo sąskaita. To nematyti esant pikinėms išėjimo įtampos reikšmėms aukštuose garso dažniuose dėka pakankamos filtruojančių kondensatorių talpos, bet atsiliepia stiprinant didelio lygio žemadažnes sudaromąsias, kadangi muzikiniame signale jos turi didelį ilgį. Rezultate filtruojantys kondensatoriai suspėja išsikrauti, sumažėja maitinimo įtampa, reiškia, ir maksimali stiprintuvo išėjimo galia. Jeigu maitinimo įtampos sumažėjimas priveda prie stiprintuvo išėjimo kaskados rimties srovės sumažėjimo, tada šitai gali privesti ir prie papildomų nelinijinių iškraipymų atsiradimo.

Iš kitos pusės, stabilizuoto maitinimo šaltinio, pastatyto pagal įprastą parametrinio stabilizatoriaus schemą, naudojimas padidina jo iš tinklo naudojamą galią ir reikia naudoti didelės masės ir gabaritų tinklo transformatorių. Išskyrus tai, atsiranda šilumos, išsklaidomos stabilizatoriaus išėjimo tranzistorių, nuvedimo būtinybė. Be to, dažnai galia, išsklaidoma garso dažnių galios stiprintuvo išėjimo tranzistorių, lygi galiai, išsklaidomai stabilizatoriaus išėjimo tranzistorių, t. y. pusė galios eikvojasi tuščiai. Impulsiniai įtampos stabilizatoriai turi aukštą naudingo veikimo koeficientą, bet pakankamai sudėtingi pagaminti, turi didelį aukštadažnių triukšmų lygį ir ne visada patikimi.

Jeigu maitinimo blokui nepateikti griežti reikalavimai įtampos stabilumui ir pulsacijų lygiui, ką charakterizuoja aukščiau aprašytas galios stiprintuvas, tai vietoj maitinimo šaltinio galima naudoti įprastą dvipoliarinį maitinimo bloką, kurio principinė schema pateikta 3 pav.

3 pav. (padidinti)

Galingi sudėtiniai tranzistoriai VT7 ir VT8, pajungti pagal emiterinių kartotojų schemą, užtikrina pakankamai gerą maitinimo įtampos pulsacijų su tinklo dažniu filtraciją ir išėjimo įtampos stabilizaciją dėka į tranzistorių bazių grandinę sustatytų stabilitronų VD5–VD10. Elementai L1, L2, R17, R18, C11, C12 pašalina aukštadažnės generacijos atsiradimo galimybę, polinkis į kurią aiškinamas dideliu sudėtinių tranzistorių stiprinimo pagal srovę koeficientu.

Kintamos įtampos, patenkančios nuo tinklo transformatoriaus, dydis parinktas toks, kad esant maksimaliai garso dažnių galios stiprintuvo galiai (kas atitinka 4 A srovę apkrovoje) įtampa ant filtro kondensatorių C1–C8 sumažėtų apytikriai iki 46...45 V. Šiuo atveju įtampos kritimas tranzistoriuose VT7, VT8 neviršys 4V, o tranzistorių išsklaidoma galia sudarys 16 W. Sumažėjus galiai, naudojamai iš maitinimo šaltinio, padidėja įtampos kritimas tranzistoriuose VT7, VT8, bet jų išsklaidoma galia lieka pastovi dėl sumažėjusios naudojamos srovės. Maitinimo blokas dirba kaip įtampos stabilizatorius esant mažoms ir vidutinėms srovėms, o esant maksimaliai srovei – kaip tranzistorinis filtras. Tokiame režime jo išėjimo įtampa gali sumažėti iki 42...41 V, pulsacijų lygis išėjime siekia 200 mV reikšmę, naudingo veikimo koeficientas lygus 90 %.

Kaip parodė maketavimas, lydieji saugikliai negali apsaugoti stiprintuvo ir maitinimo bloko nuo srovės perkrovų dėl savo inertiškumo. Dėl šios priežasties buvo panaudotas greitai veikiančios apsaugos įtaisas nuo trumpojo jungimo ir leistinos apkrovos srovės viršijimo, surinktas tranzistoriuose VT1–VT6. Dėl to apsaugos funkciją esant teigiamo poliarumo perkrovoms įgyvendina tranzistoriai VT1, VT2, VT5, rezistoriai R1, R3, R5, R7–R9, R13 ir kondensatorius C9, o neigiamo – tranzistoriai VT3, VT4, VT6, rezistoriai R2, R4, R6, R10–R12, R14 ir kondensatorius C10.

Apžvelkime įtaiso darbą esant teigiamo poliarumo perkrovai. Turimoje padėtyje esant nominaliai apkrovai visi įtaiso tranzistoriai uždaryti. Padidėjus apkrovos srovei pradeda augti įtampos kritimas rezistoriuje R7, ir jeigu jis viršija leistiną reikšmę, pradeda atsidaryti tranzistorius VT1, o iš paskos jam ir tranzistoriai VT2 ir VT5. Pastarieji sumažina įtampą reguliuojančio tranzistoriaus VT7 bazėje, reiškia, ir įtampą maitinimo bloko išėjime. Dėl to teigiamo atgalinio ryšio, užtikrinamo rezistoriumi R13, sąskaita įtampos sumažėjimas maitinimo bloko išėjime priveda prie tolimesnio tranzistorių VT1, VT2, VT5 atidarymo pagreitinimo ir greito tranzistoriaus VT7 uždarymo. Jeigu teigiamo atgalinio ryšio rezistoriaus R13 varža maža, tai po apsaugos įtaiso sudirbimo įtampa maitinimo bloko išėjime neatsistato netgi po apkrovos atjungimo. Šiame režime būtina numatyti paleidimo mygtuką, atjungiančią, pavyzdžiui, trumpam laikui rezistorių R13 po apsaugos sudirbimo ir maitinimo bloko įjungimo momentu. Tačiau, jei rezistoriaus R13 varžą parinkti tokia, kad esant apkrovos trumpam jungimui srovė nebūtų lygi nuliui, tai įtampa maitinimo bloko išėjime atsistatys po apsaugos įtaiso sudirbimo sumažėjus apkrovos srovei iki saugaus dydžio. Praktiškai rezistoriaus R13 varža parenkama tokio dydžio, kad būtų užtikrinamas patikimas maitinimo bloko įjungimas, kai trumpojo jungimo srovė apribota 0,1...0,5 A dydžiu Apsaugos įtaiso sudirbimo srovę nustato rezistorius R7.

Analogiškai dirba maitinimo bloko apsaugos įtaisas esant neigiamo poliarumo perkrovoms.

Konstrukcija ir detalės

Visos garso dažnių galios stiprintuvo ir maitinimo bloko detalės išdėstytos vienoje plokštėje, išskyrus garso dažnių galios stiprintuvo tranzistorius VT3, VT4, VT6, VT8, sustatytus ant bendro radiatoriaus su 1200 cm2 ploto paviršiumi ir maitinimo bloko tranzistorius VT7, VT8, išdėstytus ant 300 cm2 ploto paviršiaus radiatorių kiekvienas. Maitinimo bloko (3 pav.) ritės L1, L2 ir galios stiprintuvo ritė L1 turi 30 – 40 vijų ПЭВ-1 1,0 laido, suvynioto ant rezistoriaus С5-5 arba МЛТ-2 korpuso. Maitinimo bloko rezistoriai R7, R12 yra 0,33 mm diametro ir 150 mm ilgio ПЭЛ, ПЭВ-1 arba ПЭЛШО varinio laido atraižos, suvyniotos ant rezistoriaus МЛТ-1 korpuso. Maitinimo transformatorius įgyvendintas ant toroidinio magnetolaidžio iš Э320 elektrotechninio plieno, 0,35 mm storio, juostos plotis 40 mm, vidinis magnetolaidžio diametras 80 mm, išorinis – 130 mm. Tinklo apviją sudaro 700 vijų laido ПЭЛШО 0,47, antrinę – 2×130 vijų laido ПЭЛШО 1,2.

Vitoj operacinio stiprintuvo К544УД2Б galima naudoti К544УД2А, К140УД11 arba К574УД1. Kiekvieną iš tranzistorių КТ825Г galima pakeisti sudėtiniais КТ814Г, КТ818Г, o КТ827А – sudėtiniais tranzistoriais КТ815Г, КТ819Г. Garso dažnių galios stiprintuvo diodus VD3–VD6 galima pakeisti bet kokiais aukštadažniais silicio diodais, VD7, VD8 – bet kokiais silicio su ne mažesne kaip 100 mA maksimalia tiesiogine srove. Vietoj stabilitronų КС515А galima naudoti nuosekliai sujungtus stabilitronus Д814А (Б, В, Г, Д) ir КС512А.

Stiprintuvo derinimas susiveda (paderinamu rezistoriumi R12) į išėjimo tranzistorių VT6, VT8 rimties srovės nustatymo 10...15 mA ribose.

Stiprintuvas įjungiamas po maitinimo bloko patikrinimo. Dėl to rezistoriai R7, R12 pakeičiami didesnės varžos (apytikriai 0,2...0,3 Om), patikrinamas maitinimo bloko apsaugos įtaiso darbingumas. Jis turi sudirbti esant 1...2 A apkrovos srovei. Įsitikinus normaliu maitinimo bloko ir garso dažnių galios stiprintuvo darbu, sustatomi rezistoriai R7, R12 su nominalia varža, nurodyta principinėje schemoje ir patikrinamas stiprintuvo darbas esant maksimaliai galiai, kontroliuojant, kad nesudirbtų apsaugos įtaisas.