Мощный УМЗЧ на полевых транзисторах, класс А с питанием 12В (32Вт на 8Ом)

Мощный УМЗЧ с работой всех каскадов в режиме класса А, обеспечивающий на 8-омной нагрузке 32 Вт при потрясающе высоком реальном КПД 45%.

Особенность решения

Ричард Барфут обращает внимание, что в обычном резистивном усилительном каскаде с ОЭ и разделительным конденсатором (рисунок 1) теоретически максимальный КПД в режиме класса А составляет всего 8,33%, а коэффициент использования напряжения питания Ки (отношение размаха выходного напряжения к напряжению питания) едва дотягивает до 67%.

 

Рис. 1. Варианты включения транзистора.

Простейшая и давно применяемая в радиочастотных усилителях модификация — применение индуктивности вместо резистора сразу же повышает КПД до 50%, а Ки — до 200%.

Принципиальная схема

Ричард решил использовать это преимущество и разработал мощный УНЧ (рисунок 2), который при напряжении питания 12 В и работе всех каскадов в режиме класса А обеспечивает на 8-омной нагрузке 32 Вт при потрясающе высоком реальном КПД 45%!

Входной дифкаскад на Тг2, Тг6 имеет индуктивную нагрузку L1. Она здесь (кроме не имеющих решающей роли во входном каскаде КПД и Ки) хороша тем, что падение постоянного напряжения на ней близко к нулю и, следовательно, исчезают проблемы с балансировкой «нуля». Даже при резком разбалансе плеч Тг2/Тг6 постоянное напряжение между базами эмиттерных повторителей второго каскада Tr1, Тг7 равно нулю.

Кроме того, индуктивная нагрузка дает гораздо больше свободы в выборе и управлении выходным постоянным напряжением этого каскада (коллектор Тг5). Это дало возможность организовать на Тг8, Тг9 и Тг5 схему стабилизации тока покоя выходной ступени.

Рис. 2. Схема мощного УМЗЧ с работой всех каскадов в режиме класса А.

Примечание. Принцип ее работы основан на том, что на сопротивлении обмоток реальной индуктивности L2 падает напряжение, пропорциональное току покоя Tr10, Tr11. Это падение сравнивается дифкаскадом Тг8, Тг9 с опорным на делителе R13/R14 и через Тг5 возвращается на базы Tr1, Тг7, управляющих смещением Тг10,Тг11 и таким образом замыкающих петлю автостабилизации.

С эмиттеров Тг1 и Тг7 противофазные напряжения поступают на двухтактный выходной каскад на полевых Тг10 и Tr11, смещение на затворах обеспечивает постоянный ток стока каждого транзистора 3 А.

Индуктивность L2 на звуковых частотах представляет собой генератор тока (3 А), а на постоянном токе — короткое замыкание. Поэтому потенциал обеих клемм акустической системы LS и стоков Тг10, Tr11 в режиме покоя равен потенциалу «земли» — плюсовому зажиму аккумуляторной батареи В2.

При наличии сигнала такой же полярности, что на затвор Тг10 приходит, скажем, положительная полуволна. Ток его стока повышается (допустим, на 1 А), но L2, являясь генератором тока, не допускает изменения мгновенного тока через себя. Поэтому этот дополнительный 1 А начинает вытекать из LS.

Tr11 управляется противофазно с Тг10, поэтому ток его стока в этот момент уменьшается на 1 А, и правая половина L2, также поддерживающая через себя неизменный ток 3 А, согласно закону Кирхгофа заставляет избытку в 1 А втекать в LS. То есть мгновенные токи стока Іс Тг10 = 4 А, Іс Tr11 = 2 А, ток через акустическую систему ILS = 1 А, а ток через левую и правую половинки L2 неизменен и равен, как и в режиме молчания, 3 А.

Границы линейной работы такой системы простираются от Іс Тг10 = 6 А, Іс Tr11 = О А до Іс Тг10 = О A, Ic Tr11 = 6 А, при этом амплитуда тока в нагрузке LS равна Ін макс = 3 А.

Максимальная мощность теоретически Рн = RH*Ін.макс^2 / 2 = 36 Вт при теоретических КПД = 50% и Ки = 400%. В реальной схеме из-за неидеальной индуктивности L2 достигнуты Рн = 32 Вт, КПД = 45% и Ки = 377%.

Примечание. Интересно отметить, что благодаря индуктивности L2 и двухтактной схеме размах мгновенного напряжения на нагрузке достигает 48 В при 12-вольтовом питании без применения повышающих преобразователей напряжения.

Детали

В качестве L2 необходимо использовать катушку, способную пропускать ток 3 А, индуктивностью не меньше L2 > Rн/(2пи*FH), где FH — нижняя граничная частота, Rн — сопротивление нагрузки. Типовым Fн = 40 Гц и Rн = 8 Ом соответствует L2 > 32 мГн.

Автор Ричард Барфут применил в качестве L2 вторичную обмотку (2x15 В) 50-ваттного сетевого трансформатора, первичную оставив «в воздухе». В качестве L1 применена первичная обмотка выходного трансформатора Farnell 189-840 от маломощного двухтактного транзисторного УНЧ.

Входное сопротивление усилителя — 15 кОм, чувствительность — 750 мВ, потребляемый ток — 6 А. Измерение коэффициента гармоник не проводилось, однако звучание усилителя соответствует лучшим ламповым. Это объясняется:

• наличием на его выходе индуктивности L2, эквивалентной по своей сути выходному трансформатору;
• близостью характеристик полевых транзисторов и ламп.

Во всяком случае, свойственное ему «мягкое» ограничение при перегрузке точь-в-точь такое же, как и у ламповых УНЧ.

Источник: Сухов Н. Е. - Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками.

Журнал Радиохобби - http://radiohobby.ldc.net

3 9689 Транзисторные УНЧ

УНЧ УМЗЧ усилитель транзисторный УМЗЧ УНЧ на полевых транзисторах MOSFET