Очерки о модернизации модуля УНЧ-50-8

Вводная часть

Перед началом модернизации уточню некоторые детали:

  1. мои знания в аналоговой схемотехнике ограничены;
  2. работы по изменению схемотехники будут вестись согласно исследовательской работе Селфа Дугласа о проектировании УМЗЧ;
  3. все промежуточные выводы и принимаемые схемотехнические решения основываются так же на этом труде, включая прогнозируемые числовые показатели УМЗЧ;
  4. моё решение не истина в последней инстанции, эта модернизация один из возможных вариантов;
  5. где нужно, я буду указывать, что принятое мной решение или возникшая проблема не полностью мне понятны;
  6. постараюсь написать текст как можно проще.

Постановка задачи

Блок УНЧ-50-8 (далее просто блок УНЧ) весьма распространенная конструкция в советское время и является вполне типовым схемотехническим решением проблемы построения УМЗЧ для того времени.  Если посмотреть показатели, например, усилителя Радиотехника-101-стерео, то заявляется коэффициент гармоник не более 0,3%, что вообще-то многовато для транзисторной техники. Я намерено здесь заостряю внимание на этом показателе, да я знаю, что есть ламповые усилители, которые специально спроектированы с нужными искажениями  (пресловутый «ламповый» звук, т.е. по большей части наличие большой второй гармоники), так же я в курсе, что есть и транзисторные усилители, спроектированные с аналогичным подходом к искажениям. Исходя из выше сказанного, будет рассматриваться только тот вариант, когда УМЗЧ вносит как можно меньшие искажения в звуковой сигнал, если надо «ламповый» звук, то достаточно подключить предварительный усилитель с нужными «искажениями».  Обозначим планку гармонических (негармонических тоже) искажений в звуковом диапазоне как число менее или сопоставимое с 0,01%, что кстати, как я помню, значимо меньше, чем общие требования к аппаратуре Hi-Fi в 0,1%. Дуглас в своей работе добивается чисел в 0,001% и менее, нам для простоты задачи такие значения не обязятельны, да и есть подозрения, что разницу услышать будет невозможно. Так же поясню, что состав спектральный искажений рассматривать не будем, т.к. при таких маленьких значениях искажений услышать их обычному человеку невозможно, если возможно вообще.

Информация для размышления. Я где-то в старой книге 50-х годов читал, что обычный, нетренированный человек начинает хорошо различать гармонические искажения начиная с 0,5%.

Теперь можно перейти к разбору основных претензий к родному блоку УНЧ. Таких блоков, как я видел, есть два варианта. Будем рассматривать один из них (рис.1).

Рис. 1. УНЧ-50-8

Итак, в схемотехнике блока две основные проблемы:

  1. дифференциальный каскад хоть и питается источником тока, но токи в плечах на практике неодинаковы (например токи в коллекторах транзисторов VT2,VT4);
  2. наличие эффекта Эрли (по-простому, ток базы не постоянен и меняется сам вследствие изменения коллекторного напряжения) в нужном нам транзисторе усилителя напряжения VT10 в) отсутствие источника тока в дифференциальном каскаде VT7, VT10, хотя и там есть токовое зеркало (вот тут я не уверен, на указанное схеме это не токовое зеркало, но в некоторых источниках там включение транзистора VT3 другое и получается токовое зеркало, посему тут не ясно, что да как, моя колокольня говорит – что там зеркало).

Решение этих проблем значительно снизит искажения в УМЗЧ (в десятки раз). Более подробно и причинах и следствиях этих проблем можно почитать в книге Селфа Дугласа на нашем диске, я по возможности где-то буду приводить его соображения при принятии мной схемотехнических решений.

Вариант решения указанных проблем приведен на рис. 2. Сразу скажу, что это только один из вариантов, есть и другие.

Рис. 2. Вариант модернизации УНЧ-50-8

Теперь попробуем разобраться что, как и зачем было изменено. Все изменения, если не оговорено специально, я пометил разными цветами.


Зеленая «зона»

Для выравнивания токов в плечах дифф. каскада VT2,VT4 было введено токовое зеркало. По Дугласу такое решение резко снижает вторую гармонику в спектре искажений и последующие гармоники так же. Дополнительным плюсом такого решения является стабилизация постоянной составляющей на выходе УМЗЧ. Я добивался значений в 20 мВ на выходе без дополнительных усилий. Если постоянное напряжение на выходе работающего нормально блока больше 50 мВ, то возможно один из транзисторов в токовом зеркале сильно отличается по коэфф. h21э, стоит их подобрать и заменить.


Номиналы деталей следующие:

R5, R8 от 100 до 200 Ом, мощность > 0,125 Вт.

VT5, VT6 любой n-p-n с Uкэ > 50 В и h21э > 40.

Я для простоты монтажа на родной плате блока брал КТ961Б.


Бирюзова «зона»

Здесь используется классическая каскодная схема на VT7,VT10. Генератор тока обычный на VT8.

Информация для размышления. В усилителе Бриг-У-001, которые очень хвалят за хороший звук, так же используется каскодная схема в усилителе напряжения. Правда, там нет токового зеркала в дифф. каскаде, но есть подстроечный резистор, который выставляет уровень постоянной сост. на выходе УМЗЧ (выравнивает токи плеч каскада).

Я изменил номинал резистора R16 так, чтобы ток покоя в каскаде был равен току покоя в исходной схеме на рис. 1 (номинал можно набрать соединив параллельно резисторы, думаю можно воткнуть и 160 Ом без проблем).


Номиналы деталей следующие:

VD7, VD8 – любые диоды, например серии КД522 или 1N4148.

VD9 – стабилитрон на 4,7-5,1 В и стартовый ток стабилизации от 5 мА. Я точно не знаю нижнюю границу этого напряжения, опыт симулирования данной схемы в Мультисим показал, что мин. значение напряжения стабилизации где-то в этом районе. Если кто знает, скажите.

R10 – 30-51 кОм или около того, не сильно важно, мощность от 0,125 Вт.

R11 – можно рассчитать как (31 – 4,7) / (5 + 2) = 3,7 кОм, мощность как (5 + 2)*(5 + 2)*3,7 = 180 мВ (2мА тока «запаса»), мощность от 0,25 Вт.

VT7, VT10 – высоковольтные, например, КТ940А, КТ961А.

С4 – емкость Миллера, трудно сказать какая лучше, мой вариант в 33-47-51 пФ вполне работоспособен.


Красная «зона»

В этой «зоне» все изменения практически косметические. Резисторы в эмиттерах выходных транзисторов в 0,5 Ом – многовато, можно уменьшить до 0,33 Ом запаяв параллельно (со стороны дорожек платы) еще один резистор в 1 Ом. Дуглас рекомендует еще меньше, но сильно разбежаться не дает сама плата. Выходная цепочка Цобеля (R41, C13) – заменил на более обычную и привычную.

Неотмеченные изменения

Рекомендую конденсатор С3 в цепи обратной связи увеличить в два раза как минимум и поставить туда неполярный электролит. Более приемлемый вариант – увеличить ёмкость до 470-500 мкФ и соединить параллельно ему любой пленочный или керамический конденсатор с ёмкость от 0,1 мкФ.

Вот собственно и все изменения. Теперь некоторые мои замечания практического характера:

  1. все указанные изменения вполне можно смонтировать на плате блока УНЧ, с трудом, но помещается;
  2. качество печатной обычно так себе, по этому аккуратнее с пайкой, дорожки быстро отклеиваются;
  3. есть проблемная дорожка в разводке блока, это дорожка между эмиттерами выходных транзисторов  и выходом блока, которая слишком тонкая для текущих по ней токов, надо ее усилить (можно проводом МГТФ);
  4. аналогично лучше усилить дорожки в плате релейной защиты;
  5. токи покоя выходного каскада не стоит превышать (указан диапазон) и выходные транзисторы, например КТ805, не подобраны по близким характеристикам на заводе, поэтому токи покоя у них могут сильно различаться.

Измерения уровня искажений

Формально такая доработка, даже на таких транзисторах, должна спокойно привести к уменьшению уровня гармонических искажений к 0,01% или сопоставимым значениям. Измерения я пока не проводил – лень. Вот если кто-то их проведет, будет круто (вдруг скажет, что я тут наврал с три короба!), но могу сказать следующее, в Мультсиме 13 на аналогах отечественных транзисторов я получал на частоте 20 кГц 25 Вт на 4 Ом гармонических искажений в 0,022 %.

П.С. Я знаю, что есть целая ветка на форуме Вегалаб, эта модернизация вполне себе работающая, но в представленной искажений заведомо будет меньше.

Автор: Сидоров Дмитрий, г. Томск.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *