Делаем хороший усилитель. Часть 1. Усилитель Дорофеева, схема, характеристики

8,6k full reads
14k story viewsUnique page visitors
8,6k read the story to the endThat's 62% of the total page views
2,5 minutes — average reading time

В продолжение темы:

Ожидаемые характеристики

-Каналы: два основные, один сабвуфер;

-Мощность на каждый канал ~ 60...100 Вт;

-Нагрузка на канал: динамические головки 4...16 Ом, соответствующей суммарной мощности;

-Полоса частот: 20 Гц....30 кГц для основных усилителей; 5 Гц... 500 Гц для сабвуфера;

-КНИ не более 0.005;

-Входное напряжение 0,8В эфф;

-Пикфактор: не более 2;

-Входное сопротивление 1 кОм в полосе частот;

-Питание от сети ~220В или от источника =12В;

-Исполнение в едином корпусе (интегрированное);

-Основные усилительные элементы: транзисторы, микросхемы.

Часть 1. Анализируем характеристики усилителя Дорофеева.

В основе нашего усилителя усилитель Дорофеева, сделанный Сергеем Лебедевым. Мы его проанализируем, а затем, изменим под свои задачи:

Рис.1.Основная схема усилителя
Рис.1.Основная схема усилителя
Рис.1.Основная схема усилителя

Схема подготовлена в MULTISIM-14.0, нумерация цепей соответствует оригиналу. Выходные транзисторы смоделированы для анализа самостоятельно, так как в MULTISIM необходимых нет. С1 и С3 подкорректированы, так как явно ошибочны.

Модельную схему усилителя можете скачать на сайте www.radio-a.ru, в описании "УМ-60" усилители мощностью 60 Вт, класса "AB" , файл "UM60_1.zip".

Основные достоинства схемы

  • простота, понятность и прозрачность всех цепей;
  • минимальное количество реактивностей, влияющих на частотные характеристики;
  • возможность применения большого перечня комплектующих.

Проверка параметров

Проверяем и оцениваем:

  • Качество передачи для сигналов: синусоидального, прямоугольного, треугольного;
  • АЧХ и ФЧХ в полосе частот;
  • Проходную характеристику Uвых(Uвх);
  • Нагрузочную характеристику Uвых(Rнагр);
  • Энергетику усилителя (мощности, КПД и пр.);
  • Защищённость от КЗ в цепи нагрузки;
  • Помехоустойчивость к пульсациям по питанию;

Схема "измерений" обычная, использующая набор инструментов симулятора:

Рис.2.Схема измерений
Рис.2.Схема измерений
Рис.2.Схема измерений

1. Качество передачи для сигналов: синусоидального, прямоугольного, треугольного

"Подключаем" нагрузку в 8 Ом и "подаем" на вход сигнал амплитудой 900 мВ, частотой 1 кГц. Питание усилителя +- 35 В.

Синусоидальный сигнал

Рис.3.Синусоидальный сигнал в нагрузке.
Рис.3.Синусоидальный сигнал в нагрузке.
Рис.3.Синусоидальный сигнал в нагрузке.

Как видим, сигнал чистый, "ступенек" и ограничений по амплитуде нет.

Треугольный сигнал

Рис.4.Треугольный сигнал в нагрузке.
Рис.4.Треугольный сигнал в нагрузке.
Рис.4.Треугольный сигнал в нагрузке.

Сигнал чистый, завалов и выбросов нет.

Прямоугольный сигнал

Рис.5.Прямоугольный сигнал в нагрузке.
Рис.5.Прямоугольный сигнал в нагрузке.
Рис.5.Прямоугольный сигнал в нагрузке.

Сигнал чистый, завалов фронтов, выбросов и дребезга нет. Спад по верхней "полке" около 2,83 В (9%). Очевидно, связан с низкочастотной частью АЧХ. Посмотрим.

2. АЧХ, ФЧХ и полоса частот

Рис.6. АЧХ, нижняя граница
Рис.6. АЧХ, нижняя граница
Рис.6. АЧХ, нижняя граница

Нижняя граница полосы на уровне 0.9 равняется 45 Гц. Определяется RC звеньями C1-R2 и C3-R5;

Если нижнюю границу надо будет понизить, то просто увеличим ёмкости разделительных конденсаторов С1 и С3.

Рис.7. АЧХ, верхняя граница
Рис.7. АЧХ, верхняя граница
Рис.7. АЧХ, верхняя граница

Верхняя граница полосы на уровне 0.9 равняется 97 кГц.

Что очень хорошо: в спектре будут даже третьи гармоники сигналов.

Неравномерность АЧХ в полосе частот несущественная.

Рис.8. ФЧХ, нижняя граница
Рис.8. ФЧХ, нижняя граница
Рис.8. ФЧХ, нижняя граница
Рис.9. ФЧХ, верхняя граница
Рис.9. ФЧХ, верхняя граница
Рис.9. ФЧХ, верхняя граница

ФЧХ в полосе частот досточно ровная, со спадом на 65 градусов, что вполне устраивает.

3. Энергетика усилителя: максимальное напряжение на нагрузке и соответствующая ему мощность, а также потребляемые токи, мощность на транзисторах и КПД усилителя для нескольких значений сопротивления нагрузки:

Табл.1.Энергетика усилителя
Табл.1.Энергетика усилителя
Табл.1.Энергетика усилителя

R нагр - сопротивление нагрузки, задаётся;

Um - амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, измеряется;

Р нагр - мощность в нагрузке вычисляется: Р нагр =(Um ^2) / (2*R нагр);

I потр.1 и I потр.2 - токи потребляемые от источников в верхнем и нижнем плечах усилителя, измеряются;

P потр. - мощность, потребляемая от источников питания, вычисляется: Pпотр = Uпит.*( I потр.1 + I потр.2) ;

Р усилит. - мощность, рассеиваемая на усилителе, вычисляется: Р усилит = P потр - Р нагр ;

КПД - коэффициент полезного действия, вычисляется: КПД=Рнагр / Pпотр.

На нагрузке в 4 Ом можно получить мощность 112 Вт. На номинальной нагрузке 8 Ом получаем 56 Вт. На нагрузке 16 Ом получаем 28 Вт. Что ожидалось и вполне устраивает. Мощности, рассеиваемые на элементах усилителя зависят от нагрузки, но меньше, чем в нагрузке. КПД хороший.

4. Нагрузочная характеристика Uвых(Rнагр)

Получаем из данных предыдущего раздела (3, Табл.1). Видим, что в диапазоне нагрузок от 1,75 до 16 Ом, напряжение на нагрузке не меняется. При меньших сопротивлениях наблюдается выход усилителя из нормального режима. Что там происходит, посмотри далее.

При сопротивлениях более 32 Ом режимы не интересуют, так как близки к "холостому ходу" усилителя.

5.Проходная характеристика Uвых / Uвх

Рис.10. Проходная характеристика
Рис.10. Проходная характеристика
Рис.10. Проходная характеристика

Имеется некоторая нелинейность, выражающаяся в эллипсе на осциллограмме. Берём на заметку и попробуем разобраться.

6.Защищённость от КЗ в цепи нагрузки

Защищённость "никакая". При КЗ в цепи нагрузки, усилитель "вылетает" в аварийный режим. Причина в том, что разрушается цепь основной обратной связи усилителя по цепи R18-R17-R5. Первый резистор - это нагрузка, а её сопротивление равно нулю. Нет обратной связи и усилитель "гудит". Нужны меры защиты от аварии при КЗ.

7. Помехоустойчивость к пульсациям по питанию

Моделируем введением генераторов "пульсаций" последовательно с источниками питания, рис.11.

Рис.11. Моделирование пульсаций
Рис.11. Моделирование пульсаций
Рис.11. Моделирование пульсаций

Частоту пульсаций берём 100 Гц (характерная для двухтактных выпрямителей). Величину напряжения пульсаций берём в 10% от напряжения питания, то есть 3,5 В.

Результаты на осциллограмме на риc.11. При пульсациях по питанию, в нагрузке никаких пульсаций нет. То есть усилитель устойчив к таким помехам.

Заключение

Усилитель Дорофеева в целом интересен и может быть взят за основу для проектируемого усилителя.

Далее, во второй части, внесем необходимые поправки и дополнения, нарисуем свой усилитель и выполним анализ его параметров.

На этом, пока, закончим. Ждём следующую часть.

Приглашаю посетить наш сайт: "Практическая электроника".

Приглашаем и на сайт наших партнёров: "Информационные технологии, связь, управление" . Многие из наших разработок нашли применение в их проектах.

ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ!

Есть вопросы - задавайте.

Всем - привет!