MOSFET УСИЛИТЕЛЬ

   Мало кто знает, что такое Мосфет, но почти все слышали, что это есть очень хорошо. Давайте сначала разберёмся с этим словом. MOSFET — английское сокращение от metal-oxide-semiconductor field effect transistor. Структура его состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем диоксида кремния (SiO2). В общем случае структуру называют МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

   Транзисторы на основе таких структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа. Высокая температурная стабильность, малая мощность управления, слабая подверженность к пробою, самоограничение тока стока, высокое быстродействие в режиме коммутации, малый уровень шума — это основные преимущества полевых MOSFET транзисторов перед радиолампами и биполярными транзисторами.

   Большинство любителей высококачественного звуковоспроизведения оценивают усилитель на полевых MOSFET транзисторах на очень высоком уровне, практически как и ламповых, ведь по сравнению с усилителями на обычных биполярных транзисторах они выдают более мягкое звучание, создают меньше искажений и устойчивы к перегрузке. MOSFET превосходят классические ламповые усилители, как по коэффициенту демпфирования, так и по передаче низких и высоких частот. Частота среза таких усилителей значительно выше, чем у усилителя на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на звуке.

   Мощные полевые MOSFET транзисторы имеют меньший разброс основных параметров, чем биполярные транзисторы, что как бы облегчает их параллельное включение и уменьшает общее выходное сопротивление усилителя мощности.

Схема простого MOSFET усилителя

Параметры усилителя

• Выходная мощность (RMS): 140 Вт при нагрузке 8 Ом, 200 Вт на 4 Ом.
• Частотный диапазон: 20 Гц — 80 кГц -1dB.
• Входная чувствительность: 800 mV при мощности 200 Вт на 4 Ом.
• Искажения: <0.1% (20 Гц — 20 кГц).
• Соотношение сигнал/шум: > 102dB невзвешенных, 105 дБ (A-взвешенное с учетом 200 Вт на 4 Ом).

   На рисунке показана схема одного из самых простых УМЗЧ с применением полевых транзисторов этого типа в выходном каскаде. А мощность его составляет целых 200 ватт! Этот усилитель мощности MOSFET подходит для многих целей, таких как мощный концертный гитарник или домашний кинотеатр. Усилитель имеет хороший диапазон частот — от 1 дБ 20 Гц до 80 кГц. Коефициент искажений менее 0,1% при полной мощности, а соотношение сигнал/шум лучше, чем -100 dB. Дальнейшее упрощение возможно за счёт применения ОУ в предусилительном каскаде.

 

   Вся конструкция УНЧ размещена в небольшом алюминиевом корпусе. Питается схема от простого двухполярного выпрямителя с тороидальным трансформаторомна 250 ватт. Обратите внимание, что на фото показан моноблок — то есть одноканальный усилитель, так как он собран для электрогитары.

   Радиатор применён из черного анодированного алюминиевого профиля. Корпус имеет длинну 300 мм и снабжен сзади 80 мм вентилятором охлаждения. Вентилятор работает постоянно, поэтому радиатор всегда прохладный, даже при максимальной мощности (или, по крайней мере, несколько выше температуры окружающей среды).

Усилитель с полевыми транзисторами на выходе

Появилась промышленная печатная плата, см. в конце.

Описание этого усилителя длинное. На самом деле это правильно. Если хотите краткости, то вот вам: это отличный усилитель. Все! Всякие там словесные выкрутасы про мощный упругий бас, чувственную середину и прозрачные верха оставим рекламщикам. Но вот если вы хотите понимать, что вы делаете… Знать как усилитель работает, что можно от него получить, как подстроить его для своих нужд и как добиться от него максимум звука, то нужен подробный рассказ. И разобравшись с усилителем, вы увидите, что мои слова о высоком качестве звучания не рекламное вранье (как иногда бывает), а результат хорошо обдуманной конструкции, грамотного изготовления и правильного питания. И сможете сами добиться такого же отличного звука в вашем усилителе, сделанном под ваши требования.

В некоторых кругах меня считают апологетом микросхемы TDA7294. Действительно, на ней можно сделать простой и весьма неплохой усилитель. А что делать, если нужна выходная мощность побольше? Или качество повыше? В таком случае можно сделать вот этот усилитель.

Описываемый усилитель имеет высокие параметры качества и отличное звучание. Он может быть рекомендован для построения высококачественных звуковоспроизводящих систем. В усилителе можно регулировать выходное сопротивление в пределах от нуля до нескольких десятков ом. Это позволяет улучшить качество звучания акустических систем и делает его идеальным для использования с сабвуферами конструкции «закрытый ящик»: повышенное выходное сопротивление позволяет повысить уровень нижних частот и снизить нижнюю граничную частоту сабвуфера. Иногда повышенное выходное сопротивление воспринимается как «мягкий ламповый звук».

Этот усилитель уже работает у меня совместно с сабвуфером. На момент написания этой статьи усилитель проработал 8 месяцев.

Основные параметры усилителя. Встречается мнение, что параметры не нужны, но это глупости. Я планирую написать статью на эту тему, а пока привожу основные параметры усилителя и кратенько их охарактеризую.

Параметр	Значение
Коэффициент усиления	30
Диапазон рабочих частот по уровню -3 дБ	7 Гц … 80 кГц
Завал АЧХ на частотах 20 Гц и 20 кГц не более, дБ	0,5
Максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт	150
Максимальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом, Вт	120
Коэффициент нелинейных искажений при выходной мощности 60 Вт на частоте 1 кГц, %	не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений измеренных по методу SMPTE на частотах 60 Гц и 7 кГц при соотношении амплитуд 4:1 (при выходной мощности 60 Вт)	не более 0,005
Коэффициент интермодуляционных искажений измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1 (при выходной мощности 60 Вт)	не более 0,005
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс	не менее 15
Выходное сопротивление, Ом	0…20

Коэффициент усиления. Ку задается глубиной ООС. Если он слишком мал, усилитель будет «тихим». При очень большом Ку глубина ООС мала и растут искажения. Ку = 30 – самый подходящий вариант. У этого усилителя не следует делать Ку меньше 20, т.к. усилитель может потерять устойчивость.

Завал АЧХ на крайних частотах звукового диапазона меньше, чем разрешающая способность слуха на этих частотах. Т.е. спада уровня сигнала не услышит никто.

Максимальная выходная мощность зависит от блока питания, поэтому в реальности она может быть меньше. Числа, указанные в таблице – это максимум, что можно выжать из усилителя. Для помещения не более 60 м2 такой мощности вполне хватит.

Коэффициенты искажений показывают величину искажений. По определению, искажения – это отличия того, что получаем на выходе от того, что подаем на вход. Разница практически нулевая (раз в 10 меньше разрешающей способности слуха), так что мы услышим только тот звук, который подали на вход, и никакой отсебятины. Разные тесты позволяют оценить работу усилителя с разных сторон. Про искажения в усилителях я тоже планирую написать специальную статью.

Что касается диапазона частот и скорости нарастания выходного напряжения. Очень часто эти цифры используются в рекламных целях – чем больше, тем лучше. До потери здравого смысла. Например, вы покупаете автомобиль. И вам предлагают два варианта. У одного автомобиля максимальная скорость 220 км/ч, у другого – 520 км/ч. Разумеется, вы выберете второй – ведь он быстрее, не так ли? Или все же задумаетесь, а нужна ли такая максимальная скорость? То же самое и со скоростными параметрами усилителя. Ограничение усиления на низких частотах исключает перегрузку громкоговорителя инфразвуком (если он образуется, например, при проигрывании коробленых грампластинок). Да и для людей инфразвук вреден. Ограничение АЧХ на ВЧ во-первых снизит проникновение возможных помех. Во вторых, есть связь между верхней граничной частотой и скоростью нарастания выходного напряжения. Если верхняя граница частотного диапазона ограничена, то при разумной скорости нарастания динамические искажения (которые могут появиться вследствие применения ООС) вообще не возникнут! Те самые, которыми пугают потребителей – в этом усилителе их вообще не будет! Благодаря ограничению частотного диапазона.

И еще один важный момент. Существует по крайней мере два способа измерения скорости нарастания выходного напряжения усилителя:

1. На вход подаем прямоугольный сигнал огромной амплитуды, так, что все транзисторы работают на пределе своих возможностей. Естественно, что все транзисторы выходят из режимов работы и никакие обратные связи при этом не действуют. Этот метод измерения дает очень красивые рекламные цифры, поэтому его часто используют.

2. На вход усилителя подают сигнал с разумными параметрами и режимы работы транзисторов в усилителе сохраняются. Такой способ измерения дает значения в несколько раз меньше, чем первый, но он соответствует реальной работе усилителя в реальных условиях с реальным сигналом. То есть усилитель работает и сигнал воспроизводится. Это примерно как техническая и реальная скорострельность у пулемета. Я в этом усилителе скорость нарастания измерял именно этим, вторым способом.

Принципиальная схема усилителя показана на рисунке 1. Схема построена по топологии Лина. Входной дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 для получения максимального усиления, симметрии и скорости нарастания выходного напряжения нагружен на токовое зеркало VT1 и VT2. Резисторы R5 и R6 в эмиттерах увеличивают линейность каскада и его перегрузочную способность, а также снижают влияние разброса параметров транзисторов. Источник тока VT5, VT6 (по сравнению с резистором, который иногда применяют в этом месте) снижает уровень интермодуляционных искажений. Эмиттерный повторитель VT7 повышает усиление. Транзистор VT9 служит для автоматического уменьшения тока покоя выходных транзисторов VT11, VT12 при повышении их температуры. Резистор R16 регулирует ток покоя выходного каскада.

Рис. 1. Схема усилителя с полевыми транзисторами.

Повышенное выходное сопротивление создается комбинированной отрицательной обратной связью (ООС) – и по напряжению и по току. ООС по напряжению снимается с выхода усилителя и через резистор R20 подается на его инвертирующий вход. ООС по току снимается с резистора – датчика тока R27 и подается на инвертирующий вход через резистор R21. Несколько необычное включение цепи R9C4 используется, чтобы обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке при использовании ООС по току.

Тут надо сказать одну важную вещь. Для получения повышенного выходного сопротивления в усилителе совместно с ООС по напряжению всегда используют ООС по току. То есть одновременно действуют две разные цепи отрицательной обратной связи. Это ЕДИНСТВЕННЫЙ способ получить повышенное выходное сопротивление. А названий у этого способа много: каждый называет по-своему. Я такую обратную связь называю комбинированной, кто-то называет гибридной, а кто-то “бешеной” (Mad Feedback – очень круто звучащее рекламное название). Но разницы между всеми этими системами нет никакой. Всякая разница в звуке будет зависеть в основном от конструкции усилителя. И от той величины выходного сопротивления, которую вы установите. Так что этот усилитель = ТОСник = Mad Feedback ~ ИТУН. Если честно, то разница между усилителями все-таки есть. Для этого моего усилителя (и усилителя с регулируемым выходным сопротивлением на микросхеме TDA7294 / TDA7293) выходное сопротивление можно точно рассчитать. Вообще все параметры моих усилителей, зависящие от цепей ООС, да и сами цепи ООС не приблизительно, а точно рассчитываются по программе, написанной специально для этого.

Цепь R1С2 является фильтром, подавляющим возможные высокочастотные помехи. Не будьте идеалистами, ВЧ помехи в усилитель обязательно пролезут, и этот фильтр – последний бастион на их пути. Значение емкости конденсатора С2 указано для случая, если на входе усилителя установлен регулятор громкости. Если же этот усилитель подключен к предусилителю (и регулятор громкости установлен в предусилителе), то емкость С2 надо увеличить в 2 раза.

Конденсатор С7 выполняет сразу несколько функций, каждая из которых очень полезна:

1. Он “ускоряет” работу ООС.

2. Он ограничивает верхнюю рабочую частоту усилителя. То есть усилитель усиливает до 80 кГц не потому, что его схема или детали плохие и медленные. Без конденсатора С7 верхняя граничная частота усилителя составляет примерно 1200 кГц. То есть, усилитель сам по себе является быстрым, но он включен по схеме фильтра, так, что на высоких частотах глубина ООС увеличивается, и усиление уменьшается. Это снижает искажения на высоких частотах и избавляет усилитель от динамических искажений.

Но в таком применении конденсатора есть ряд опасностей, поэтому я не могу рекомендовать его для абсолютно всех усилителей. Зато абсолютно точно известно, что в моем усилителе это конденсатор полезен.

Внешний вид экспериментального образца усилителя показан на рис.2.

Рис. 2.

На фотографии видно, что резистор R15 имеет другое значение, а резистор R26 немного подгорел. Это я экспериментировал и измерял параметры. При подаче сигнала частотой 10…20 кГц и мощностью 60 Вт в нагрузке, R26 подгорает. Но в реальном сигнале такого большого напряжения на высоких частотах не бывает.

Для измерения искажений использовалась звуковая карта EMU0404 и программа SpectraPLUS. Поэтому измеренные уровни искажений на самом деле соответствуют системе звуковая карта + усилитель. На рис. 3 показана амплитудно-частотная характеристика суммарного коэффициента гармоник усилителя. По горизонтали на ней откладывается значение частоты тестового тона, на которой измерялся уровень искажений. При измерениях использовался режим с разрядностью ЦАП/АЦП 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц. Т.е. возникающие при измерениях гармоники учитывались в диапазоне вплоть до 90 кГц (что очень важно для правильного определения величины Кг на высоких частотах).

Рис. 3.

Очень часто для того, чтобы получить красивые рекламные цифры, измеряют только те гармоники, частота которых попадает в диапазон от 20 Гц до 20 кГц. При этом пишут «честно»: Кг в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Но имеют в виду не то, что тестовый сигнал лежит в этом диапазоне, а что учитываются только те гармоники, которые попали в этот диапазон. Поэтому при измерении Кг на частоте 10 кГц (когда подают тестовый сигнал частотой 10 кГц, и смотрят гармоники, имеющие частоты 20, 30, 40, 50 кГц и т.д.), то учитывают только вторую гармонику, равную 20 кГц, и все. Она маленькая, и рекламные цифры получаются хорошие. В моих измерениях при частоте тестового сигнала 10 кГц в результаты попали первые 9 гармоник (в реальности их столько и не было – усилитель очень линеен даже на высоких частотах). При частоте тестового сигнала 16 кГц в результаты попали первые 5 гармоник (а вот их практически столько и было). А при измерении на частоте 20 кГц – первые 4 гармоники. Это вполне честно, т.к. гармоника, имеющая наибольшую амплитуду третья, и она была измерена точно на всех частотах.

Рост искажений на высоких частотах обусловлен в основном снижением глубины ООС с ростом частоты. Вторая из основных причин – рост искажений входного каскада из-за повышения его выходного напряжения, которое в свою очередь вызвано снижением усиления каскада усиления напряжения на транзисторе VT8. Как видно, коэффициент гармоник даже на высоких частотах имеет небольшую величину.

На рис. 4 показан спектр искажений на частоте 1 кГц. Как видно, в нем присутствуют только первые три гармоники, остальные ниже порога измерений (измерения проводились при разрядности 24 бита, так что все значения выше -120 дБ верные). Такой узкий спектр искажений хорошо сказывается на качестве звучания, в результате в усилителе полностью отсутствует неприятный «транзисторный звук».

Рис. 4.

На рис. 5 показан спектр интермодуляционных искажений, измеренных на частотах 18 и 19 кГц при соотношении амплитуд 1:1. Это один из наиболее жестких тестов, позволяющих оценить линейность усилителя на высоких частотах, где глубина ООС существенно снижается. Тест позволяет выявить нелинейность и/или плохие высокочастотные свойства исходного усилителя. Как видно из рис. 5, разностная частота 1 кГц имеет исчезающе малую величину, что говорит о высокой линейности усилителя. Количество «боковых частот», отличающихся от тестовых на величину 1 кГц также невелико и их амплитуды маленькие. Это говорит о том, что спектр искажений остается узким («мягким») даже на высоких частотах.

Рис. 5.

Все измерения искажений проводились при выходной мощности 60 Вт на нагрузке 6 Ом при питании усилителя от штатного блока питания. Здесь тоже бывают манипуляции для получения красивых рекламных цифр. Иногда на выход вообще не подключают нагрузку (пишут: при выходном напряжении, соответствующем такой-то выходной мощности). Иногда питают усилитель от специального стабилизированного источника. Мои измерения соответствуют работе усилителя в реальных условиях.

Результаты измерений показывают, что по уровню искажений данный усилитель не только не уступает многим дорогим и именитым промышленным моделям, но и превосходит их. Для более наглядного сравнения описываемого усилителя с этими дорогими, на рис. 6 показана зависимость коэффициента гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 ома от выходной мощности для 80-ти ваттного варианта блока питания. Это важный момент: не надо забывать, что максимальная выходная мощность усилителя (да и вся его работа) определяется источником питания. Про него рассказ впереди.

Рис. 6.

Хочу обратить ваше внимание вот на что. Во многих дорогих усилителях при уменьшении выходной мощности искажения растут. Это следствие работы выходного каскада в экономичных режимах. Или следствия экономии в конструкции. Или из-за использования «цифровых» усилителей. В любом случае, рост искажений при снижении выходной мощности – это не хорошо. В данном усилителе такой рост искажений отсутствует: искажения остаются низкими при любой выходной мощности, не превышающей максимальную, и растут только при перегрузке.

Величину выходного сопротивления усилителя при данных значениях номиналов элементов цепей ООС можно регулировать одним только резистором R21. Регулировочная зависимость Rвых от R21 показана на рис. 7. Для получения больших значений выходного сопротивления следует воспользоваться программой расчета комбинированной ООС. Но обычно выходное сопротивление не требуется больше чем 8 Ом, для улучшения работы колонок и сабвуфера хватает сопротивления 2…6 Ом. Если повышение выходного сопротивления не требуется, то резистор R21 из схемы исключается, а резистор R27 заменяется проволочной перемычкой. Тогда усилитель работает как “обычный” с низким выходным сопротивлением (доли ома) и высоким коэффициентом демпфирования.

Рис. 7.

Конструкция и детали. Усилитель собран на печатной плате. Зелеными линиями на рис.8 показаны отрезки медного провода сечением 1,5 мм2, припаянные на печатный проводник для уменьшения его сопротивления. На самом деле я проверил вариант и без них – все отлично работает, и параметры усилителя не ухудшились (потому что разводка правильная). Но все же для большего душевного спокойствия можно их припаять. Толщина провода не так уж и важна. Главное – его симметричное расположение вверх-вниз на рисунке относительно отверстия в плате для подключения «земли».

Рис. 8.

Конденсатор С7 напаян на выводы резистора R20. Все резисторы, кроме указанных на схеме, имеют мощность 0,125 или 0,25 Вт. Если усилитель используется в стерео или многоканальном варианте, то желательно использовать резисторы, входящие в цепь ООС (R9, R20, R21), высокой точности, не хуже 1%. Либо подобрать их с одинаковым сопротивлением для всех каналов. Иначе усиление каналов может немного различаться. Резисторы R24, R25, R27 проволочные.

Конденсаторы С2, С3, С7 керамические с ТКЕ группы NP0 (такие конденсаторы линейные и не вносят искажений). При использовании усилителя совместно с сабвуфером номиналы некоторых конденсаторов лучше изменить как указано на схеме. С1, С10 – пленочные на напряжение не менее 63 вольт. Конденсаторы С8 и С11 могут быть как пленочные, так и керамические на напряжение 63 вольта. Учитывайте, что с пленочными конденсаторами не ошибешься – на меньшее напряжение их не выпускают, а керамические могут оказаться низковольтными и их пробьет. Если доступны малогабаритные конденсаторы, например фирмы EPCOS, то емкость С8 и С11 желательно увеличить до 1 мкФ. Конденсаторы С4, С5, С6, С9, С12 любые качественные. В качестве С4 можно использовать полярный электролитический конденсатор. При этом желательно измерить полярность постоянной составляющей на выходе усилителя после сборки и перепаять конденсатор С4 в соответствии с этой полярностью. В процессе работы конденсаторы не нагреваются, так что выгоднее использовать конденсаторы с допустимой температурой 85 градусов – их свойства немного лучше.

Максимальное допустимое напряжение конденсаторов С5, С6, С8, С9, С11, С12 должно быть по крайней мере на 10% больше напряжения источника питания на холостом ходу.

Если очень хочется, то в качестве С5 и С6 можно использовать конденсаторы 470 мкФ, а в качестве С9 и С12 конденсаторы 2200 мкФ. Но это практически ничего не улучшит (кроме чувства удовлетворения). А вот конденсаторы типа Low ERS или Low Impedance в качестве С9 и С12 очень бы подошли (в усилителе, параметры которого приведены здесь, использовались “обычные” конденсаторы Jamicon).

Конденсатор С1 задает частоту среза на низких частотах. С величиной емкости, указанной на схеме, нижняя частота среза равна 7 Гц. Если ваши громкоговорители плохо воспроизводят очень низкие частоты, то есть шанс перегрузить громкоговорители низкими частотами. В этом случае целесообразно повысить нижнюю граничную частоту усилителя, согласовав ее с возможностями колонок. Чтобы избежать перегрузки громкоговорителей низкими частотами, и не потерять бас, нижняя частота среза усилителя должна быть примерно в 2…3 раза ниже нижней рабочей частоты колонок. Конденсатор С1 емкостью 0,47 мкФ обеспечит частоту среза, равную 10 Гц; С1 = 0,33 мкФ – частоту среза 14 Гц; С1 = 0,22 мкФ – частоту среза 22 Гц.

Транзисторы 2N5551/2N5401 можно заменить на 2CS2240/2SA970. Транзисторы 2SA1930/2SC5171 на 2SA1358/2SC3421, либо (что несколько хуже) на 2SB649/2SD669. Транзистор VT9 – любой с проводимостью типа n-p-n в изолированном корпусе ТО-126. В качестве выходных можно использовать транзисторы IRFP240/IRFP9240. А вот популярные транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi лучше не использовать – их параметры хуже. Если же решите их использовать, обратите внимание, что у них другая цоколевка.

Выходные транзисторы размещаются на радиаторах с эффективной площадью не менее 700 см2 на каждый транзистор. Транзисторы изолируются от радиатора при помощи слюды или специальных теплопроводящих пленок. Для улучшения теплоотвода необходимо использовать термопасту (которой смазывается и промежуток транзистор-прокладка, и промежуток прокладка-радиатор).

Усилитель является сравнительно высокочастотным устройством, поэтому для снижения возможных помех рекомендуется использовать на всех кабелях (входных, акустических и питания) ферритовые шайбы. На выводы выходных транзисторов я попробовал устанавливать ферритовые кольца – это не дало никакого результата. А вот ферриты на кабелях – это хорошее решение. Ферритовая шайба – одно из немногих устройств, которое ничего не ухудшит. А вот улучшить может, т.к. высокочастотные помехи от радиоустройств пытаются проникнуть в усилитель абсолютно через все кабели, даже через акустические.

Напряжение питания усилителя ограничивается допустимыми напряжениями его элементов и не должно превышать ±55 вольт. При замене конденсаторов в цепи питания (С5, С6, С8, С9, С11, С12) на конденсаторы с допустимым напряжением 80 вольт, напряжение питания можно увеличить до ±65 вольт. При этом должны быть использованы транзисторы тех типов, что указаны на схеме. И увеличена площадь радиаторов. Однако подобное повышение напряжения питания не рекомендуется, особенно при работе на низкоомную нагрузку (6 ом и меньше).

Налаживание правильно собранного усилителя заключается в установке резистором R16 тока покоя выходных транзисторов в пределах 230…250 мА. После прогрева на холостом ходу ток покоя необходимо подкорректировать. Ток покоя определяется по величине напряжения между истоками выходных транзисторов. Такая величина тока покоя может показаться слишком большой, но установлено, что повышение тока покоя до такой величины по сравнению с “обычными стандартными” значениями снижает искажения выходных транзисторов в несколько раз и заметно сокращает спектр этих искажений.

Важную роль в работе усилителя играет его источник питания. Он же определяет такие параметры усилителя, как максимальная выходная мощность, перегрузочная способность, уровень фона и даже величина искажений.

Схем блоков питания много, и я периодически об этом пишу. В этом усилителе я применил схему, показанную на на рис. 9. Конденсатор С1 подавляет импульсные помехи, поступающие из сети. Лучше в этом месте использовать специальный помехоподавляющий конденсатор емкостью 0,1…0,15 мкФ на напряжение 275…310 вольт переменного тока, но такие конденсаторы более дефицитны (но доступны в интернет-магазинах). Резисторы R1 и R2 служат для разряда конденсаторов фильтра при выключении питания. Для выпрямления используется либо готовый диодный мост, либо отдельные диоды. Хорошие результаты дает применение в выпрямителе диодов Шоттки. Максимальное допустимое обратное напряжение на диодах должно быть не менее 150…200 вольт, максимальный прямой ток зависит от выходной мощности усилителя и числа его каналов.

Рис. 9.

Для сабвуфера и стереоусилителя с выходной мощностью не более 80 Вт максимальный прямой ток диодов не должен быть меньше 10 ампер (например, мосты типа RS1003-RS1007 или КВРС1002-КВРС1010). При большей выходной мощности и/или большем числе каналов усиления выпрямительные диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 20 ампер. Например, мосты КВРС4002-КВРС4010, КВРС5002-КВРС5010 или диоды Шоттки 20CPQ150, 30CPQ150 с параллельным включением обоих диодов в корпусе. В этом случае рекомендуется увеличить суммарную емкость конденсаторов фильтра до 30000 мкФ на плечо. Гнаться за какими-нибудь экзотическими конденсаторами не нужно, подойдут и обычные. Также не имеет смысла ставить массив конденсаторов. Если попадутся конденсаторы Low ESR, то они будут работать чуть лучше, чем обычные. Но будет гораздо полезнее установить такие конденсаторы на плату усилителя, где нет влияния длинных соединительных проводов.

Для дальнейшего уменьшения импульсных помех, приходящих из сети, можно каждый из диодов зашунтировать конденсатором 0,01 мкФ на напряжение не менее 100 В.

Для выбора необходимой габаритной мощности трансформатора и напряжения на его вторичных обмотках в зависимости от требуемой максимальной выходной мощности усилителя можно воспользоваться программой расчета источника питания. А можно графиками на рис. 10. Черными линиями показаны графики минимальной мощности трансформатора. Сплошная линия соответствует стерео усилителю, пунктирная – сабвуферу. Цветные линии – напряжение на каждой из вторичных обмоток. Для стерео варианта усилителя в график на рис. 10 нужно подставлять требуемую максимальную выходную мощность одного канала. Данный график предназначен для определения мощности силового трансформатора усилителя, предназначенного для воспроизведения записанной музыки (с магнитофона, компакт-диска, виниловой грампластинки и т. п.). Для питания усилителя, предназначенного для исполнения музыки, например, в составе рок-группы, рисунком пользоваться нельзя.

Рис. 10.

Может показаться странным тот факт, что мощность трансформатора стереоусилителя меньше его удвоенной выходной мощности. Здесь имеется ввиду минимальная мощность трансформатора, достаточная для нормальной работы усилителя. Дело с том, что пикфактор звуковых сигналов составляет 12…16 дБ, поэтому максимальная выходная мощность усилителя достигается сравнительно редко и на короткое время. Значит средняя выходная мощность, а следовательно, и потребляемый от блока питания ток, получаются в несколько раз меньше максимальной. Поэтому и средняя мощность, потребляемая от трансформатора в несколько раз меньше максимальной. Трансформатор рассчитан на эту среднюю выходную мощность плюс кратковременные пики максимальной мощности, причем с некоторым запасом. Можно использовать трансформатор с габаритной мощностью больше, чем показано на рис. 10, но превышать эту мощность более чем в два раза смысла уже нет.

Подключение платы усилителя к остальной части усилителя (блоку питания, предусилителю, регулятору громкости и проч.) надо делать по правилам, тогда получите максимум качества звучания.

Усилитель не содержит схемы защиты акустических систем, поэтому для защиты АС от постоянного напряжения можно использовать одну из распространенных схем. Свой вариант схемы я выложу позже – тот, который я использовал, заточен под этот усилитель, а я хочу сделать его достаточно универсальным, чтобы подходил для всех.

Промышленно изготовленные платы для этого усилителя можно купить.

Для скачивания:

Схема усилителя и расположение деталей на плате

Печатная плата в формате Sprint Layout

15.04.2017

Простой усилитель на MOSFET | soundbass

Простой усилитель мощности, который использует комплементарную пару IRFP240 и IRFP9240 MOSFET транзисторов, можно собрать всего за один вечер, так как каждый канал содержит лишь два полевых транзистора и одну микросхему — ОУ. Цель данного проекта именно и было создание предельно простого, но высококачественного усилителя звука. Цель была достигнута за счет интеграции элементов предусилителя в одной небольшой микросхеме и добавление транзисторов высокой мощности в выходном каскаде. Как видно на схеме, усилитель имеет очень простую структуру. На входе есть качественная малошумящая микросхема серии OPA552. Далее сигнал идёт на комплементарную пару MOSFET транзисторов IRFP240 и IRFP9240. Усиление всей схемы примерно в 40 раз. А TL431 позволяет установить рабочую точку выходных транзисторов. Ток в режиме ожидания установлен на 0,1А.

Схема усилителя:

Про операционный усилитель нужно рассказать подробнее — это высоковольтный ОУ, который может питаться от двухполярного напряжения до 60 вольт.

Технические характеристики OPA552:

Корпус 8-SOIC
Тип монтажа Поверхностный
Рабочая температура -40°C ~ 125°C
Напряжение-выходное, Single/Dual (±) 8 V ~ 60 V, ±4 V ~ 30 V
Ток выходной / канал 200mA
Ток выходной 7mA
Напряжение входного смещения 1000µV
Ток — входного смещения 20pA
Полоса пропускания 12MHz
Скорость нарастания выходного напряжения 24 V/µs

Выходной конденсатор на подключение динамика фактически ненужен. Он только ухудшит звук.

Микросхема OPA552 рассчитана на питание от отдельного стабилизатора с помощью LM317 и LM337, как показано на схеме ниже.

Схема блок питания усилителя:

Результаты измерений:

Фото собранного усилителя:

Конструкция MOSFET УНЧ несложная. Стандартный стальной корпус с алюминиевой передней панелью. Всё покрашено в традиционный чёрный цвет.

На передней панели УМЗЧ ничего лишнего — только кнопка включения питания, хотя можно было обойтись и без неё, подключив устройство к общему для всей мультимедийной аппаратуры фильтру. Колонки — в bi-amping конфигурации.

Усилитель на MOSFET

Простой усилитель мощности, который использует комплементарную пару IRFP240 и IRFP9240 MOSFET транзисторов, можно собрать всего за один вечер, так как каждый канал содержит лишь два полевых транзистора и одну микросхему — ОУ. Цель данного проекта именно и было создание предельно простого, но высококачественного усилителя звука. Цель была достигнута за счет интеграции элементов предусилителя в одной небольшой микросхеме и добавление транзисторов высокой мощности в выходном каскаде. Как видно на схеме, усилитель имеет очень простую структуру. На входе есть качественная малошумящая микросхема серии OPA552. Далее сигнал идёт на комплементарную пару MOSFET транзисторов IRFP240 и IRFP9240. Усиление всей схемы примерно в 40 раз. А TL431 позволяет установить рабочую точку выходных транзисторов. Ток в режиме ожидания установлен на 0,1А.

Схема усилителя на MOSFET транзисторах

Показана уменьшенная схема

   Про операционный усилитель нужно рассказать подробнее — это высоковольтный ОУ, который может питаться от двухполярного напряжения до 60 вольт! Подробнее читайте в даташите.

Технические характеристики OPA552

Корпус 8-SOIC
Тип монтажа Поверхностный
Рабочая температура -40°C ~ 125°C
Напряжение-выходное, Single/Dual (±) 8 V ~ 60 V, ±4 V ~ 30 V
Ток выходной / канал 200mA
Ток выходной 7mA
Напряжение входного смещения 1000µV
Ток — входного смещения 20pA
Полоса пропускания 12MHz
Скорость нарастания выходного напряжения 24 V/µs

   Выходной конденсатор на подключение динамика фактически ненужен. Он только ухудшит звук. 

   Микросхема OPA552 рассчитана на питание от отдельного стабилизатора с помощью LM317 и LM337, как показано на схеме ниже.

Схема блока питания предусилителя

Результаты измерений сигнала

Корпус усилителя MOSFET

   Конструкция MOSFET УНЧ несложная. Стандартный стальной корпус с алюминиевой передней панелью. Всё покрашено в традиционный чёрный цвет.

   На передней панели УМЗЧ ничего лишнего — только кнопка включения питания, хотя можно было обойтись и без неё, подключив устройство к общему для всей мультимедийной аппаратуры фильтру. Колонки — в bi-amping конфигурации.

Понравилась схема — лайкни!

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

       УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ  

   

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ   

    

Три схемы MOSFET усилителей звуковой частоты | Микросхема

Сегодня предлагаю вниманию радиолюбителей три схемы усилителей звуковой частоты на MOSFET транзисторах. Схемы усилителей идентичны по компоновке, радиодеталям и качеству звучания. Применение различных MOSFET транзисторов дает различную выходную мощность. Также различаются напряжения питания. Выходные мощности усилителей звуковой частоты 100, 200 и 400 ватт соответственно. Схемы представлены ниже.

Эта схема усилителя обеспечивает выходную мощность 100 ватт на нагрузку 8 Ом или 160 ватт на 4 Ом. Коэффициент гармоник 0,1%. Ниже приведен список используемых в схеме радиодеталей. На выходе стоят два мощных полевика IRFP240 и IRFP9240. Их можно заменить (см. список радиодеталей).

Эта схема усилителя имеет выходную мощность порядка 140 ватт на 8 Ом или 200 ватт на 4 Ом. Коэффициент нелинейных искажений лежит также в пределах до 0,1%. Выходные транзисторы BUZ905P и BUZ900P являются мощными типа MOSFET.

Наконец, данная схема отличается выходной мощностью в 400 ватт на нагрузку 4 Ом. Здесь применены MOSFET полевые транзисторы типа BUZ902DP и BUZ907DP.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Усилитель Mosfet (2SK1058 + 2SJ162)
NMOS или усилитель на N-Channel Mosfet

Усилитель мощности МОСФИТ 400 — высококачественный 400 Вт

Усилитель мощности МОСФИТ 400

Усилитель мощности МОСФИТ 400 — на первый взгляд данное устройство кажется очень простым и без каких либо особенностей. Данный аппарат во время тестирования показал отличные параметрические характеристики, чистый приятный звук, идеальная АЧХ и довольно высокий КПД. Имея такие параметры данный аппарат без сомнения можно поставить в один ряд с аппаратурой HI-FI класса.

На фото ниже показана схема усилителя с мощностью на выходе 400 Вт, значение напряжений на схеме обозначены относительно действующего питании ±50v. Линейка усилителей мощности выполненных на транзисторах mosfet состоит из четырех моделей с выходными мощностями 100, 200, 300 и 400 Вт. Все схемы особенного отличия между собой не имеют, разница у них только в выходной мощности. Технологически это представляется так — в оконечном каскаде УМ 100 установлена всего одна пара мощных полевых транзистора, а УМ 400 уже работает на четырех парах mosfet.

Во входной цепи аппарата установлен операционный усилитель, его предназначение — предварительное усиление входного сигнала по напряжению. Устройство реализовано по двух-полупериодной схеме, каждое плечо имеет свою собственную Обратную Отрицательную Связь и работает в режиме усиления. Такое схемное решение дало возможность получать солидную мощность при небольшом напряжении на операционном усилителе. В связи с этим существенно увеличился КПД усилителя. УМ МОСФИТ работает чисто и практически без искажений, благодаря незначительному току покоя, который находится в пределах 30-40 мА, а ООС подавляет возможность появления искажения так называемой «ступенька».

При сборке этих моделей стоит обратить внимание на предварительный каскад усиления, где значение тока составляет 18-22 мА, а это значит что задействованные там биполярные транзисторы в обеих плечах нужно установить на маленькие по площади радиаторы, так как они могут немного греться. Теплоотводы можно сделать из полоски дюралюминия толщиной в районе 1 мм и размером примерно 22х42 мм.

Принципиальная схема усилителя МОСФИТ 400

Собранная плата усилителя МОСФИТ 400

Параметры усилителя помещены в таблицу

Таблица

Параметр	Значение
Максимальная выходная мощность при использовании в качестве широкополосного усилителя:
УМ МОСФИТ 100 УМ МОСФИТ 200 УМ МОСФИТ 300 УМ МОСФИТ 400	100 Вт 200 Вт 300 Вт 400 Вт
Максимальная выходная мощность при использовании в качестве сабвуферного усилителя:
УМ МОСФИТ 100 УМ МОСФИТ 200 УМ МОСФИТ 300 УМ МОСФИТ 400	120 Вт 240 Вт 360 Вт 480 Вт
Напряжение питания	±35…±80 В
THD для нагрузки 4 Ома и 90 % от максимальной выходной мощности не более	0,02%
THD для нагрузки 8 Ом и 90 % от максимальной выходной мощности не более	0,01%
Рекомендуемый ток покоя	35…45 мА
Коф усиления	33 дБ

Мощные полевые транзисторы в оконечном каскаде следует устанавливать на радиатор охлаждения через изоляционные прокладки имеющие свойство проводить тепло. Не забыть при этом предварительно на подложку транзистора нанести теплопроводную пасту типа КПТ-8, а сам радиатор должен быть связан с общей точкой.

На снимке ниже показана компоновка деталей на печатной плате. Скачать печатку: mosfit.zip

Места установки элементов на печатной плате

Наиболее полное описание схемы усилителя, а также советы и рекомендации как эффективно и точно настроить МОСФИТ 400, можно ознакомиться на этой странице

Собери свою радиосхему!

.

Выходная мощность данного усилителя составляет 100 ватт RMS под 8 ом или 160 ватт RMS под 4 ома с искажением — 0.001 %. Входная чувствительность — 1.2 вольт. Выходные транзисторы MOSFET работают в классе AB. До включения усилителя P1 должно быть установлено на минимальное сопротивление. Предохранители F1 и F2 защищают от перегрузки и короткого замыкания. Блок питания должен иметь быть на 45-55 вольт со средней точкой.

Схема усилителя:

Перед соединением динамиков, на выход усилителя соедините мультиметр и рассматривайте выходное напряжение. Этот уровень не должен быть больше, чем 50 mV. Если это — так, проверьте весь усилитель на наличие ошибки. Этот усилитель очень прост в сборке, после правильной сборки и монажа включается сразу и работает без проблем.

Схема блока питания:

Список деталей:
C1 = 2,2 µF-100 V
C2 = 330 pF-100 V
C3 = 100 nF -100 V
C4 = 100 µF 63 V
C5, C6 = 18 pF
C7 = 100 nF
R1, R3 = 47 K
R2 = 2K2
R4, R5 = 3K9
R6 = 1 K
R7 = 27 K
R8, R9, R11 = 100 Ом
R10 = 10 K
R12, R13 = 470 Ом
R14, R15 = 0.33 Ом 5 вт
R16 = 10 Ом 3 вт
T1, T2 = 2N5401, ZTX558, BC556B
T3, T4 = BF470, MJE350, 2SB649
T5, T6 = BF469, MJE340, 2SD669
T7 = IRF540, IRFP240, 2SK1530, 2SJ162, BUZ900DP, BUZ901DP
T8 = IRF9540, IRFP9240, 2SJ201, 2SK1058, BUZ905DP,
P1 = 2K5
F1, F2 = 3 A

Трансформатор для питания усилителя нужен на 2×40 вольт, мощностью 225ватт – это если на 1 канал, на 2 канала нужно ватт на 400, не меньше. В фильтре блока питания используйте конденсаторы не менее 4×6800мкФ на 63-80вольт.