Применение ОУ OPA552 с транзисторами в домашнем усилителе НЧ (55Вт)
В статье дан отчет применения ОУ OPА552 в домашнем УНЧ – одного из немногих ОУ, выходной сигнал которого можно сразу послать на выходные транзисторы.
Примечание: клик по рисункам из статьи откроет их в новом окне, в увеличенном виде.
Из даташита, OPA552 имеет выходное напряжение 15 Вольт с нормируемыми искажениями – 0,0005%. Этого выходного напряжения без дополнительного усиления достаточно для 55-и Ваттного домашнего УНЧ (при 4 Омных колонках, мощность номинальная).
Другие аудио ОУ с трудом вытягивают и 10 Вольт выходного неискаженного напряжения. Выходной максимальный ток в 200 мА так же достаточен для непосредственной подачи в базы биполярных выходных транзисторов.
Искажения близки к лучшим на сегодняшний день аудио ОУ.
Так что схема усилителя мощности получается довольно простой – рис. 1.
Принципиальная схема
Рис. 1. Усилитель мощности на операционном усилителе OPA552 и транзисторах (нумерация деталей как в полной схеме УНЧ, которая ниже).
Но дело даже не в простоте, а в том, что непосредственное управление выходными транзисторами с выхода ОУ несколько приближает режим работы усилителя к классу "Экономичный А".
Ведь с увеличением тока у транзистора растет и напряжение Эмиттер-База. А прирост этого напряжения может достигать 0,5 Вольта. В этот момент в обычных усилителях ведомый транзистор (эмиттерного повторителя на двух транзисторах) просто "отрывается" от выхода усилителя или ведущего транзистора.
Тут-то и появляются искажения. Ну, а, если в усилителе несколько каскадов эмиттерных повторителей (например три) то там уже ни о каком классе "АВ" говорить не приходится.
Это чистый класс "В". Соответственно уменьшая число каскадов эмиттерных повторителей, мы подтягиваемся к букве "А" в обозначении "АВ" класса усилителя и, соответственно, снижаем искажения. На рис.1 всего один эмиттерный повторитель. Это хорошо.
На транзисторах Т1, Т2 собран узел стабилизации тока покоя и ограничения чрезмерно большого сквозного тока. Этот узел позволил поднять ток покоя и уменьшить величину резисторов в эмиттерах выходных транзисторов R34 и R35.
Меньшая величина резисторов в эмиттерах выходных транзисторов так же способствует продвижению к букве "А" в классе "АВ" усилителя. Вероятно можно еще уменьшить сопротивление этих резисторов. Да и для самого звука эти резисторы не нужны.
Возможно, что при такой схеме сквозной ток между ведущим и ведомым транзисторами не теряется никогда. Но, чтобы это точно проверить нужны специальные приборы.
Раньше я всегда ставил в базы выходных транзисторов небольшие резисторы - как предохранители по току и как защиту от самовозбуждения. Но эти резисторы удаляют нас от заветной буквы "А".
Так что резисторы с баз выходных транзисторов убраны. Вот и получается, что применяя ОУ ОРА552 мы значительно продвинулись к усилителю класса "Экономичный А".
На рис.1 порядковые номера элементов сохранены те же, что и в основной схеме полного УНЧ, которая ниже. Купить удалось эту микросхему только в корпусе DIP-8, хотя большую мощность микросхема отдает в корпусе DPAK.
В соответствии с даташитом на ОУ OPA552, коэффициент усиления установлен минимально возможным - равным пяти. Он определяется резисторами R23, R29. Мне кажется, чем меньше усиление – тем меньше искажений.
Выходные транзисторы должны иметь относительно высокий коэффициент усиления – не менее 70 по даташиту, но чем больше – тем лучше. Наверное можно применить и полевые транзисторы, но в моей практике они работают хуже, а схема будет даже сложнее.
Транзисторы Т1, Т2 прикручены к радиаторам выходных транзисторов и образуют схему двойной термостабилизации, описанной в статье (1) из списка в конце данной статьи.
Ток покоя выходных транзисторов выбран 120…150 мА, но обладателям больших радиаторов, ток можно и несколько поднять. Этот ток поддерживается значительно точнее, чем у обычного типа термостабилизации УНЧ по температуре.
Рис. 2. Схема полного УНЧ на OPA552 и транзисторах с темброблоком и узлом защиты.
По моим наблюдениям, если ток покоя какого-либо УНЧ опускается ниже 40 мА, то в усилителе явно слышны искажения. Здесь до такого низкого значения ток покоя опуститься не может. Перегрева транзисторов не происходит.
Регулируется ток покоя резисторами R32 и R33 парой. Так же у такого, относительно большого тока покоя есть и второе достоинство – уменьшение склонности к самовозбуждению, ведь этот ток, имея только активную составляющую просто "размывает" (нейтрализует) реактивную составляющую нагрузки.
Хотя микросхема показала себя как абсолютно не склонную к самовозбуждению. При построении усилителя не было никаких признаков самовозбуждения.
Разводка земли в УНЧ
Земля усилителя разведена с учетом рекомендаций статьи (2). Земля здесь одна на все элементы усилителя, блока питания и сетевого фильтра.
Сосредоточена в одной точке. В этой точке - входные гнезда, нулевые провода на колонки, нулевые выводы всех конденсаторов питания, нулевые (земляные) выводы на корпуса, на низковольтные земли импульсного блока питания, на ноль самого питания, на оплетки экранированных проводов, на ноль сетевого фильтра.
Ну и вообще на любые цепи земля тянется из этой одной точки - рис. 3. Выходные транзисторы рядом со своими конденсаторами питания (каждому транзистору – свой конденсатор).
Правда, практически получилась площадь этой нулевой точки несколько великоватой. Лучше бы сделать нулевую точку поменьше.
Рис. 3. Нулевая "Точка" земли в разводке платы (тыльная и лицевая сторона).
Важно подчеркнуть, что нулевой выход на колонки берется не с нуля, как обычно в усилителях, а с цепи L2, R40. В этом случае пространственный радиопотенциал акустического кабеля снижает свое воздействие на ноль усилителя и меньше взаимодействует с радиопотенциалами остальных блоков музыкального комплекса.
Особенности монтажа и налаживание
Перед первым включением питания лучше убрать ОУ OPA552 из панельки и ее выходную дорожку платы (вывод 6) пустить на землю через резистор 100 Ом. Выходной каскад будут полностью работоспособен.
При этом отрегулировать ток покоя резисторами R32, R33 и, если все в порядке, то можно вставить в панельку недорогую микросхему ОУ КР1408УД1. Она здесь работоспособна. Разводка выводов совпадает с ОРА552 со смещением на 2 вывода. См. рис. 4.
Рис.4. Временная постановка ОУ КР1408УД1А вместо ОУ ОРА552 в самодельном УНЧ.
Ненужные выводы микросхемы отрезать или загнуть вверх. Добиться работы усилителя на малой громкости. При этом устранить все недочеты усилителя и затем вставить ОУ ОРА552 (как очень дорогую и дефицитную).
ОРА552 очень специфический ОУ. Использовать его как обычный ОУ не получится – он имеет очень низкий входной импеданс (низкое входное сопротивление по обоим входам) с большой емкостной составляющей.
Источником сигнала может быть только ОУ с повышенным выходным током. В даташитах таких микросхем обычно пишут, что работает на нагрузку 600 Ом.
Проходной конденсатор лучше не использовать – его емкость должна быть непомерно большой. На рис.2 показано, что вход усилителя подключен непосредственно к выходу ОУ источника сигнала.
Резистор R23 нужен как нейтрализатор емкостной составляющей при передаче сигнала. Постоянное напряжение на выходе полного усилителя не превышает ± 30 мВ, несмотря на отсутствие проходных конденсаторов.
Микросхема очень требовательна к качеству питания. Конденсаторы – фильтры питания ОРА552 должны быть запаяны поближе к выводам микросхемы и нулем. Это отмечено на схеме.
Провода на переменные резисторы взяты посеребренные. Но не потому, что я любитель именно серебра в звуке. Просто, предположительно, становится страшно за звук, когда представишь, что проволочки (жилы) в обычном проводе сделаны не из самой чистой меди.
Тогда поверхность проволочек за счет окислов представляет некоторую изоляцию (сопротивление) и не на 100% проводит ток от проволочки к проволочке напрямую, а ток идет по спирали (скрутке проволочек). Здесь образуется индуктивность.
Конечно, эта индуктивность незначительна, и работает на частотах значительно выше звуковых, но для звука все важно. А посеребренный провод идеально проводит ток по всем поверхностям проволочек напрямую, никаких индуктивностей не образуется.
Так же нет переменных контактов в точках соприкосновения проволочек. В общем посеребрение представляется полезным. Наверное можно применить и одну моножилу – например обмоточный провод, там индуктивности не будет.
Так же по этой причине становится страшно и за акустический кабель на колонки, ведь там проволочки делают очень много витков по длине кабеля и индуктивность, соответственно, побольше и повреднее, даже, если закрутка в разные стороны.
Микросхема ОРА552 сильно нагревается при работе. Без радиатора ее использовать нельзя. На рис.5 показано как в данной конструкции изготовлен радиатор. Таких медных пластинок хватает.
Рис.5. Пример радиатора под брюшко микросхемы ОРА552 (медная пластинка).
УНЧ питается от импульсного блока питания (БП) из статьи (3) имеющего вход на выключение питания и медленный рост напряжения при включении в сеть.
Защитное реле на выходе усилителя не применено, как портящее звук. Вся защита сведена к прекращению подачи питания от БП при аварийных режимах.
При включении в сеть щелчка как такового нет – примерно как легкий удар рукой по подушке. Элементы защиты колонок и самого усилителя – справа на рис.2.
Плохо то, что практически я не проверял срабатывание защит при непосредственной работе усилителя (как-то боязно, только отдельными узлами).
На оптронах А6 и А7 собрана защита от постоянного напряжения выходного сигнала. Если в течение 1 секунды выходное напряжение будет постоянным и более 5 Вольт - защита сработает.
На оптроне А8 собрана схема защиты при самовозбуждении. Высокочастотный сигнал самовозбуждения детектируется на диоде Д3 и транзистор оптрона открывается, выдавая сигнал на выключение питания.
На транзисторах Т5, Т6 реализована защита по току. Транзисторов два для облегчения срабатывания у того или другого полюса питания.
Транзисторы - термокомпенсаторы Т1 и Т2 взяты в полностью изолированных корпусах. Их легко крепить винтом к радиатору основных транзисторов. Пробовал разные замены транзисторам – все работают хорошо.
Регулятор тембра взят из статьи (4). Регулятор громкости из статьи (5). Работают хорошо.
Все требования к построению усилителя – обычные, во множестве описанные в литературе (интернете). Радиодетали желательны качеством повыше – об этом так же написано в интернете.
Единственно некоторым открытием для меня явилось применение переменных резисторов с Алиэкспресса – четырехканальных – рис.6.
Если у них попарно соединить секции, то при работе регулятором громкости нет совершенно никаких вредных проявлений: ни потрескиваний, ни шуршаний, ни разнорезисторности.
Работа ничуть не хуже дорогого резистора ALPS, даже более линейно изменяется громкость по углу поворота. Конечно, если покупать, то номинал резистора при спаривании должен быть в два раза больше, чем единичного резистора.
Рис. 6. Счетверенные резисторы на громкость (включение параллельно парами) с Алиэкспресса.
Еще, по непонятным мне причинам, потрескивал резистор баланса R22 (ток-то совсем маленький). Так же пришлось поставить счетверенный резистор с попарно соединенными контактами и на баланс.
Резисторы регулировки тембров (не спаренные) никогда не давали потрескиваний. Резисторы R20, R21 рис.2 одновременно являются и регуляторами максимального усиления (максимальной громкости) и глубины баланса, так что при подгонке номинала этих резисторов необходимо следить и за громкостью и за глубиной баланса.
Это неудобно, но по-другому не сделаешь.
В интернете есть способы восстановления переменных резисторов от тресков и шуршаний. Хочется добавить еще один – это обжать (развальцевать, расплющить) заклепки крепления выводов резистора – рис.7.
Рис. 7. Восстановление контактов выводов переменных резисторов обжатием.
На рис. 8 видно как разведена плата регуляторов громкости и тембра – совершенно не верно.
Рис 8. Неверная разводка платы регуляторов громкости и тембра, пример.
Очень длинные провода от резисторов. Необходимо делать разводку так, чтобы эти провода имели минимальную длину – именно это требование должно быть приорететным.
Впаивать резисторы в плату не стоит – они скоро начнут трещать.
Усилитель собран в корпусе от трансляционного усилителя Rokston-60. Отдали бесплатно, специально не подбирал именно этот корпус. Он очень неудачный тем, что пришлось разнести блок питания и сетевой фильтр по разные стороны самого усилителя. Это лишние помехи. Лучше бы весь БП с одной стороны.
Рис. 9. Вид на разнесенный блок питания в корпусе с УНЧ на ОУ и транзисторах.
О подключении УНЧ
Для того, чтобы в дальнейшем поточнее сравнивать межблочные кабели одну пару входных гнезд сделал непосредственно в нулевой точке. Это чтобы межблочный кабель сразу же подключался без переходного проводника от гнезда в плату к микросхеме. Соответственно не вносятся искажения в характеристику межблочного кабеля - рис.9.
При этом совершенно однозначно сделал вывод о том, что независимо от качества межблочного кабеля нулевой вывод (оплетку) при длине более 0,5 метра обязательно дублировать качественным (желательно посеребренным) проводником.
Даже двойная оплетка не справляется с передачей нуля и подпорчивает звук. Пробовал много различных межблочных кабелей. В результате самым лучшим оказался самодельный из советского радиочастотного кабеля полностью посеребренного.
Но даже для этого кабеля для звуковой карты ПК пришлось сделать два дополнительных отбора нуля – рис. 9 и вести к противоположным штекерам.
Оплетка же должна быть только экраном.
Рис 10. Самодельный межблочный кабель для подключения УНЧ и к источнику сигнала.
Здесь используются два дополнительных контакта земли (только земли) с соседних гнезд и сами провода земли тянутся до гнезд в усилитель. Такая мощная земля оказалась полезной для звука, так как ни один из покупных кабелей, которые у меня побывали, не смог дать такого высокого качества передачи звука.
В общем: как есть назначение оплетки быть экраном, так она и должна быть только экраном. А ноль должен идти по индивидуальному качественному проводу, который должен быть даже толще центрального проводника.
При этом в большинстве случаев качественный именно нулевой проводник заменяет соединение корпусов блоков (заземление, соединение нулей).
На рис.11 показан полностью посеребренный советский радиокабель, на мой взгляд лучший для звуковых межблочных кабелей. Но есть у него один недостаток – он очень жесткий.
Рис. 11. Полностью посеребренный радио кабель (производства СССР), хорошо подойдет и для аудио.
О звучании усилителя
Оно очень детальное. Каждый звук имеет свое пространственное положение по всему объему перед слушателем. Глядя на колонки невозможно сказать, что звук идет именно из них. Свободно выдает ≈ 80 Вт очень чистого звука (дальше жалко колонки).
К сожалению не имею возможности измерить коэффициент искажений. Думается, что не просто найти усилитель, способный сравниться с этим по качеству звука, разве что очень дорогой.
В очередной раз убедился, что современные микросхемы ОУ с лазерной подгонкой параметров превосходят усилители на отдельных транзисторах.
Рис. 12. Вид на тестируемые заводские усилители, для сравнения с самодельным.
На рис.12 показаны усилители уступающие по качеству звука предлагаемому (сравнивали). Все Ямахи, которые я слушал, давали колючий звук.
Звук Сони неплохой, к нему можно привыкнуть и даже получать удовольствие. Но завышенные по громкости сибилянты, шипящие и звенящие звуки иногда раздражают.
Давать эскиз печатной платы не имеет смысла. Она не вполне соответствует окончательному варианту и неверно разведены регуляторы тембра и громкости.
Вот, пожалуй, и все об УНЧ на ОРА552.
Буду рад прочитать критические отзывы, а так же об усовершенствованиях всех узлов усилителя. Уверен, что тот, кто повторит данный усилитель, будет очень доволен его работой, лишь бы достать микросхему.
Желаю удачи, Волков Игорь, г. Пермь, 2023 г.
Пишите:
- Volkus159@yandex.ru
- Volkus159@gmail.com
Успехов в творчестве и да прибудет с нами совершенство!
Список упомянутых статей: