Усилитель 32W\ 8 Ом с повышенным КПД

Схемы аудиотехники

В обычном резистивном усилительном каскаде с ОЭ и разделительным конденсатором (смотрим картинку ниже) 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%.

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

Ричард Барфут решил использовать это преимущество и разработал мощный УНЧ, 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%! Получилась вот такая схема

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.

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 второе. 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.

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 (2×15 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.