Усилитель - 3: расчет

Произведем расчет элементов усилителя низкой частоты.
Сначала нужны исходные данные.
На практике чаще всего встречаются два варианта – имеется динамик с известным сопротивлением и хочется для него сделать усилитель мощностью в кучу Ватт. Или имеется динамик с известным сопротивлением и блок питания, дающий определенное напряжение, который можно использовать для питания усилителя. При этом мощность динамика непринципиальна: сгорит – другой купим.
Так как мы пока другого ничего не знаем, возьмем усилитель по уже известной нам схеме

Начнем с первого варианта:
1. Исходные данные — делаем усилитель мощностью Pн = 10 Вт, работающий на нагрузку Rн = 8 Ом.

2. Сначала рассчитываем амплитуду максимального сигнала на нагрузке по формуле
Uна = SQR(2 х Pн х Rн) = 12,7 В. (SQR — квадратный корень)

3. Необходимое напряжение от источника питания равно удвоенной амплитуде максимального сигнала на нагрузке плюс дополнительно примерно 5 вольт, которые обусловлены остаточным напряжением на открытых выходных транзисторах. Этот плюс может быть чуть меньше, но лучше иметь некоторый запас. Исходя из сказанного напряжение питания усилителя Eпит выбираем равным 30,4 В.

4. Если у нас второй вариант и задано напряжение питания, то можно оценить будущую выходную мощность усилителя. Нужно от этого напряжения отнять 5 вольт, поделить пополам, возвести в квадрат, поделить на сопротивление нагрузки и еще на 2.
То есть Pвых = (Еп – 5)2 / (8 х Rн).

5. Амплитуда тока в нагрузке равна Iна = SQR(2 x Pн / Rн) = 1,58 А.

6. Соответственно выходные транзисторы нужно выбирать таким образом, чтобы они с запасом выдерживали напряжение питании и амплитуду тока в нагрузке. Из-за природной лени я считаю, что чем меньше паять, тем лучше. Поэтому выберу выходные транзисторы сразу составными – n-p-n КТ8116В и p-n-p КТ8115В с максимальным напряжением коллектор-эмиттер 60 В, максимальным током коллектора 8 А, коэффициентом усиления по току не менее 1000 и максимальной рассеиваемой мощностью 65 Вт. Можно выбрать аналогичные импортные пары TIP120 / TIP125, TIP132 / TIP137, TIP 140 / TIP145 и многие другие. При этом схема станет выглядеть следующим образом:

7. Если даже КПД усилителя составит 30%, при выходной мощности 10 Вт на выходных транзисторах выделится мощность оставшихся 70%, то есть 23,3 Вт. На каждый транзистор придется по 11,65 Вт, что гораздо меньше допустимого. На самом деле и КПД значительно выше, и максимальная мощность почти никогда не используется. Но радиаторы все равно надо будет предусмотреть. Приводить тепловой расчет усилителя пока не хочу.

8. Так как усиление выходных транзисторов h21э больше 1000, то их ток базы будет
не более Iна / h21э = 1,58 мА. Поэтому ток коллектора транзистора VT1 достаточно будет выбрать равным 10 мА. Сам транзистор тоже должен выдерживать напряжение питания, поэтому выберу КТ503Г с максимальным напряжением коллектор – эмиттер 60 В, максимальным током коллектора 150 мА и коэффициентом усиления по току больше 80. Я люблю эти транзисторы, и у меня с ними связаны хорошие воспоминания.

9. Падение напряжения на цепочке, состоящей из диодов VD1…VD3 и R5 должно быть примерно 2,6 В, так как им нужно обеспечить смещение четырем эмиттерным переходам (транзисторы составные!!!!). Поэтому при напряжении питания усилителя 30,4 В на коллекторе транзистора VT1 нужно будет выставить напряжение Uк = (Eпит – 2,6) / 2 = 13,9 В. Мощность на коллекторе транзистора составит Pкv = Uк х Iкv = 139 мВт, что меньше максимально допустимого значения.

10. Диоды можно использовать любые кремниевые. Я обычно применяю КД522Б.

11. Напряжение на резисторе R3 также составит 13,9 В. При токе 10 мА его сопротивление должно быть равно 13,9 / 10 = 1.39 кОм. Такого сопротивления в стандартном ряду номиналов нет, поэтому выберу R3 = 1,5 кОм. В результате ток коллектора транзистора VT1 получится немного меньше, но это не страшно.

12. Резистор R5 при токе 10 мА должен обеспечить падение напряжения 0,65 В. При этом его сопротивление должно быть 0,65 / 10 = 65 Ом. Для обеспечения запаса регулировки выберу его равным 100 Ом.

13. Делитель, образованный резисторами R1 и R2 должен обеспечить напряжение на базе транзистора VT1 0,65 В. Транзистор имеет усиление по току больше 80, поэтому его ток базы будет не более 0,125 мА. Выбрав ток через резистор R2 равным 0,5 мА, получим его сопротивление 0,65 / 0,5 = 1,3 Ком.

14. Ток через резистор R1, будет складываться из тока через резистор R2 и базового тока транзистора VT1, то есть будет меньше, чем 0,5 + 0,125 = 0,625 мА. Напряжение на этом резисторе будет равно разнице между напряжением в средней точке и напряжением на базе транзистора VT1, то есть 30,4 / 2 – 0,65 = 14,55 В. При токе, равном 0,625 мА сопротивление резистора R1 должно будет составлять 14,55 / 0,625 = 23,28 кОм. Ближайшее стандартное значение 24 кОм.

15. Входное сопротивление такого усилителя будет небольшим – около 1 кОм. Исходя из того, что реактивное сопротивление конденсатора C1 на самой низшей частоте должно быть много меньше этого значения (по крайней мере, в 3 раза, то есть 330 Ом), его емкость должна быть не менее 1 / (2 x Pi x Fмин x Xc) = 7,6 мкФ. Ближайшее стандартное значение 10 мкФ. Этот конденсатор должен быть рассчитан на минимальное напряжение – достаточно 6,3 В.

16. Конденсаторы C2 и С3 по переменному току соединены параллельно. Их реактивное сопротивление должно быть много меньше сопротивления нагрузки – динамика, то есть меньше, чем 2,67 Ом. Поэтому их суммарная емкость должна быть не менее 2980 мкФ. Я бы выбрал два конденсатора по 2200 мкФ с рабочим напряжением 40 В.

17. Переменный резистор регулятора громкости я бы поставил сопротивлением 1 кОм.

Недостатком рассчитанного выше усилителя является его очень низкое входное сопротивление, которое создает большую нагрузку на источник сигнала. Повысить его можно, используя на входе эмиттерный повторитель или изменив схему так, как будет рассмотрено позже.

Собранный усилитель налаживают следующим образом:
— Устанавливаем движок резистора R5 в крайнее нижнее положение, чтобы его сопротивление было бы равно 0;
— Отключаем нагрузку – динамик;
— Подключаем усилитель к источнику питания. Перед подключением еще раз тщательно проверяем монтаж, особенно полярность диодов. Если хоть один диод впаян неправильно, выходные транзисторы сгорят (или сгорит источник питания, или и то и другое). Поэтому, особенно при первом включении, лучше использовать источник питания с защитой по току.
— Если ничего не сгорело, проверяем напряжение в средней точке. Оно должно быть примерно равно половине напряжения питания. При необходимости выставляем среднюю точку подбором резистора R1 (схема очень простая и в ней не предусмотрена автоматическая установка средней точки. А разброс номиналов резисторов может доходить до 20%. У транзисторов еще хуже.).
— включаем амперметр в разрыв вывода коллектора транзистора VT2 или VT3. Подстройкой резистора R5 устанавливаем ток покоя выходных транзисторов на уровне 10 — 30 мА. Этого вполне достаточно.
Все. Подключаем нагрузку, источник сигнала и слушаем.
P.S. Все переподключения необходимо производить при отключенном источнике питания.
  • +6
  • 19 июня 2011, 01:25
  • mzw

Комментарии (66)

RSS свернуть / развернуть
Хм. А для варианта составного транзистора №3 из предыдущей статьи запас по напряжению вроде мона выбирать поменьше? Это довольно актуально при низковольтном питании.
0
  • avatar
  • Vga
  • 19 июня 2011, 02:12
Согласен. Просто это самый простой вариант.
0
А вот какую схему на транзисторах ты бы посоветовал при исходных данных:
* 3.3В питания
* 0.1-0.2Вт
* Минимальное энергопотребление (особенно в покое, желательно в пределах 1 мА)
* Низкие требования к качеству
* Попроще конструкцией
0
С каким сопротивлением динамик?
0
Напряжение питания стабильное?
0
8-16 Ом, питание стабильное. Либо, как вариант, питание непосредственно от Li-Ion (4.2-3.3V в зависимости от заряда).
0
Если на микросхемах, то посмотри TDA7050 или MC34119 (DIP или SO8). Проще TDA7050 ничего не найдещь.
На транзисторах — вечером.
0
Если на микросхемах, то LN4890 :) Ибо есть, и явно не зря она у китаез популярна. Интересует рассыпушный вариант, для общего образования так сказать)
0
Там, где я пасусь, LNок, увы, нет.
0
А по параметрам это та же TDA7050 (по крайней мере, если сравнивать с LM4890)
0
Ну их несколько таких. Еще по даташиту чтототам2190 из вогоплеера точная копия LM4890. Правда проверить пока не могу — нету резисторов в обвязку правого канала.
0
По поводу схемы. При 3,3 Вольтах максимальная амплитуда сигнала на динамике (если не использовать мост, как в TDA7050 и других микросхемах) составит 1,65 Вольт при отсутствии потерь в выходных транзисторах. При этом выходная мощность на 16 Ом составит 0,085 Вт, при 8 Омах — 0,17 Вт. Реально, я думаю, можно будет сделать 0,06-0,07 Вт и 0,12-0,14 Вт соответственно. Чтобы это получить, выходные транзисторы должны быть включены по схеме с общим эмиттером и схема будет сравнительно сложной из-за необходимости фазоинвертора. Всего понадобится 4-5 транзисторов. (или 3 транзистора и 2 трансформатора — эффект будет потрясающий). Если на выходе эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, то получим амплитуду примерно 1 Вольт и мощность соответственно 0.031 Вт И 0.062 Вт. В этом случае, при использовании КТ3102 и КТ3107 и смещения в виде одного диода (качество — побоку), можно сделать усилитель с током покоя до 0,5 мА. И для увеличения мощности использовать вольтодобавку.
Кстати, MC34119 при трех Вольтах отдает 0,055 Вт на 16 Ом в режиме моста, TDA7050 при 32 Ом отдает 0,035 мВт в режиме стерео и 0,14 Вт в режиме моста.
0
Дохлая затея, короче, на транзисторах)
А даташит на 7050/2190/4890 вроде 1 Вт обещает. Не помню правда при каких условиях.
0
Это TDA7052 на 8 Омах при 6 Вольтах. Кстати, работает от 3 Вольт и может иметь нагрузку 8 Ом и ниже (в отличие от 7050, где все на пределе). Ток покоя при 6 Вольтах питания — 4 мА.
0
Большое спасибо, интересно.

Только одно замечание: квадратный корень обозначается SQRT (SQuaRe rooT). SQR же обычно квадрат.
0
Ок, спасибо
0
Очень интересная статья, я хотел бы спросить а вы не могли бы расчитать усилитель для акустики от магнитофона Комета 225 С-1 стерео номиналы акустики:
выходная мощность 10Вт
сопротивление 4Ом
под напряжение питания 9В сила тока 0,35 A
0
Питания не хватит ни по напряжению, ни по мощности. Разве что под 10Вт подразумеваются 2х5Вт — но источник при 9В все равно потребуется на пару ампер.
0
Источник 9В 0,35А сможет отдать усилителю 3,15 Вт. При КПД усилителя 50% он сможет отдать только примерно 1,65 Вт. Даже с усилителем класса D получится не больше 2,5 Вт.
Закон сохранения энергии…
0
Для моно-усилителя 10 Вт на нагрузке 4 Ом потребуется источник с напряжением порядка 22 В. Ток — примерно 0,8 — 1 А.
Можно применить мостовой усилитель (об это позже) с напряжением питания 9В, то мощность на нагрузке 4 Ом можно будет получить порядка 6 Вт, но при токе 1,3 — 1,5 А.
0
Кстати, я где-то читал несколько иное. Среднюю мощность он действительно выдаст до пары ватт. Но у музыки большой пик-фактор, поэтому мощность источника может быть меньше мощности усилителя — полная мощь усилителя нужна только в кратких пиках, и в это время его прокормят электролиты питальника.
0
P.S. Ну и собсна от трансика с примерно такими параметрами вполне успешно питаются китайские колонки 2x2.5W.
0
Это да.
0
Такс, попробовал сделать печатку
Ваши замечания?
0
Формат не PNG, качать впадлу.
0
0
Еще один любитель схемы в JPEG сохранять. Я не зря намекал на PNG, ну да ладно. Ближе к делу.
1) Землю можно было развести полигонистее, и без перемычек. Да и вообще тут можно было без перемычек обойтись.
2) Не совсем ясен вопрос выходной мощности. Но судя по тому, что радиаторы на выходных транзисторах не предусмотрены — ватт максимум. Если мощнее — то транзисторы стоит разместить на одной линии, чтобы можно бюло прикнутить к общему радиатору. Хотя, это, опять же, зависит от того, какой радиатор.
3) Не совсем ясен и вопрос выбора мест под пины. Если только это не диктуется необходимостью (например, плата втыкается в другую плату, но тогда обычно все пины собираются в один разъем, и в нем было пина 4 — вход, земля, выход, питание).
4) R3 и R5 разведены неверно. Левый конец R3 надо перекинуть на другой конец R5.
5) Три диода намекают на то, что транзисторы — дарлингтоны. Это не сочетается с малой мощностью усилителя (а с большой не сочетается недостаток места под радиаторы). Кроме того, я бы их развел не |\|\|, а |^|_| (вертикальные палочки — диоды). Средний при этом установлен в обратном направлении, зато дорожки короче и удобнее.
6) ИМХО, многооборотник под R5 перебор. Хотя хз.
0
6)Я так понял подстроечник, а не многооборотник
0
Дубль 2)
0
Хммм.
1) R1 на плате на самом деле не нужен как правило — это регулятор громкости на передней панели. И он обычно не столь мелкий.
2) Два пина земли… Хммм… Ну, тут пожалуй в этом даже какой-то смысл есть, если левый использовать как сигнальную землю для входа.
3) VT2 и VT3 обычно одинаковую распиновку имеютт, а не зеркальную, как у тебя. К тому же, ты эмиттеры на выход вывести забыл. «OUT» у тебя — средняя точка кондеров. А должно быть два OUT'а — с кондеров и с эмиттеров.
4) Питание вообще не выведено. Вместо этого зачем-то выведены базы силовых транзисторов.
5) VT1 обычно не такой мощный и вполне обойдется без радиатора.
6) Диоды можно соединить оптимальней.
0
Да с утреца немного подкосячил) Но всё же лучше думаю получилось. С детальками определюсь и тогда уже окончательный вариант.
Такой еще вопрос, Д220 сгодятся вместо тех что в приведенном расчете?
0
Д220 сгодятся. Но мне не нравится, что вход и выход рядом, выходной провод проходит по всей плате. Может возбудиться.
Я бы расположил детали в линейку, как идет схема — сначала предвыходной каскад, затем выходной. И хотелось бы понять, на какую мощность будет усилитель? Как бы проводники не оказались слишком тонкими. И нет провода от контакта VCC
0
Попробую по приведеным расчетам, 1 и 3 транзюки КТ972А и КТ973Б
Платку еще подправлю
0
Понятно.
Боюсь только, что для этих транзисторов 10 Вт будет многовато. Их максимальная рассеиваемая мощность — не более 8 Вт. Запаса никакого. Так, что придется делать огромные радиаторы. И диоды нужно будет не устанавливать на плате, а приклеивать к радиатору. Чтобы обеспечить термостабилизацию. Подробнее — часов через шесть.
0
Нет уж, такой мороки не выткрплю:) лучше уж тогда возьму TIP140 / TIP145
0
Но диоды все равно на радиатор — это принципиально.
0
А вообще, основные требования разводки — широкие и короткие проводники в сильноточных цепях (питание выходного каскада и выход), максимальное удаление входа от выхода. И категорически противопоказано использовать один и тот жеобщий провод для входных и выходных цепей.
0
В общем вот. Только я не понял, что подразумевалось под «общий провод», дорожка или провод к джеку и динамикам.
TIP не было. Взял аналоги 120\125 — КТ8115А КТ8116Б, ну и КТ503Г.

[URL=http://radikal.ru/F/s013.radikal.ru/i324/1107/64/3d31d7d3707b.png.html][IMG]http://s013.radikal.ru/i324/1107/64/3d31d7d3707bt.jpg[/IMG][/URL]

Две дырки для диодов которые на радиатор.
0
По-моему все хорошо (правда я подробно не проверял). Только общий провод (или земляной, или, в данной схеме, минус питания)на входе и выходе нужно соединить. На плате с права внизу. Я понял, что вызвало непонимание. Этот провод общий и для входных и для выходных цепей. И по тому участку этого провода, который используется для подведения входного сигнала (от входа к эмиттеру транзистора VT1) не должен протекать ток от коллектора VT3 к минусу источника питания (ток течет по самому короткому участку цепи, поэтому в вышей плате сделано все правильно. Нужно только их соединить. У ток пойдет от коллектора к контакту питания и минусовому выводу С2 и через него и С1 замкнется на VCC, а к контакту IN не пойдет.
0
Прочитал и сам не понял, что написал. Сейчас нарисую.
0
Во
0
Ага, понял. А чем чревовато протекание входного тока на выходной? (В схемотехнике пока особо не силен, и вот по ходу всяких устройств разбираюсь)
0
На картинке «неправильно» замени отмеченный стрелкой проводник на резистор и получишь ответ. В данном случае он вносит дополнительную ООС по току, но при определенных частотах, из-за дополнительных фазовых сдвигов в транзисторах, она может стать положительной и усилок засвистит. Ну или просто уменьшит его усиление. Алсо, если туда же подключить выходной кондер (на рисунке он подключен так что его ток через отмеченный отрезок не идет), то с него ОС будет уже положительной.
0
В общем 8115/8116 не дожили до платы, отдал знакомому. Теперь думаю чего бы прикрутить, я сейчас не в Волгограде, а дома. Тут всего 1 магазин и из транзисторов есть только вот эти
Какие можно взять?
0
Я бы взял NIP127 p-n-p и TIP142 n-p-n.
Не совсем пара, и корпуса разные, но работать будут.
Другого не нашел.
А лучше КТ829А (n-p-n) и КТ853А n-p-n.
Это пара.
0
Спасибо за информацию. Купил второй вариант, спаял. Теперь осталось запустить и выставить на суд народа))
0
Выходные транзисторы можно крепить на общий радиатор? Прокладки изолирующие нужны?
0
Ну если по схеме статьи, то да, можно и на общий, но через прокладки, если коллекторы у транзисторов соединены с радиатором.
0
Не могу понять следующую строчку:
включаем амперметр в разрыв вывода коллектора транзистора VT2 или VT3
Собственно не могу найти разрыв коллектора))
0
Надо отсоединить коллектор одного из транзисторов от схемы и в образовавшийся разрыв включить амперметр.
0
Здравствуйте.
Скажите пожалуйста, нужен ли резистор между эмиттером VT1 и общим проводом. На более ранних схемах он был. Или в данном случае усиление ограничивается обратной связью через R1?
0
Вообще говоря, этот резистор не нужен, потому, что режим работы схемы стабилизируется отрицательной обратной связью через резистор R1. К тому же его наличие уменьшает амплитуду выходного сигнала (на нем падает небольшое напряжение), что немного уменьшает выходную мощность. Но если очень хочется — можно поставить. Только нежелательно, чтобы на нем падало больше 0,5 В (а сучше — еще меньше).
0
Спасибо, теперь понятно.
0
Рассчитал и собрал усилитель по Вашим статьям, работает как и должен. Еще раз спасибо за статьи.

Еще вопрос(см. первую схему этой статьи): какое сопротивление должны иметь резисторы R6 и R7?
0
немного не понял, почему в формуле присутствует двойка: Uна = SQR(2 х Pн х Rн). да и во всех остальных. думается это учет 50%-го КПД, но не уловлю связь. не могли бы вы растолковать поподробнее?
0
Потому, что Uна = SQR(Pн * Rн) даст действующее напряжение, а надо амплитудное. Для синуса амплитудное в SQR(2) раз больше, чем действующее.
0
то есть 3-4 ватта не получится вытянуть из 12 вольт питания?
0
Считать надо. Сильно зависит от схемы (полумост/мост, напряжение насыщения плечей) и сопротивления нагрузки. Теоретически, в мостовой схеме с нулевым напряжением насыщения на 4-омной нагрузке можно ватт 18 получить. А если еще повышающий преобразователь воткнуть…
0
ну практически какой максимум можно вытянуть в обычном двухтактнике при 4Ом дин головке и 12 вольт питания (и требуемом токе от источника)?
0
Каком «обычном»? Как в статье? Ватта полтора, там же приведена формула. С меньшим напряжением насыщения (для этого нужно ставить выходные транзисторы по схеме ОЭ, плюс различные пляски с бубном чтобы сформировать управляющие сигналы для них) — вплоть до 4.5Вт. В мостовой схеме можно получить вчетверо большую мощность.
Если задача практическая — лучше всего поискать микросхему усилителя с низким напряжением питания, TDA1517 например. Есть и получше, наверное, но в мостовом режиме и от нее можно 10-15Вт получить, я думаю, а в полумостовом — 3-4.
0
Посмотри «автомобильные» усилители (усилители для автомобильных приемников) серии TDA73хх — для них параметры нормируются при напряжении питания 14,4 В.
Например TDA7265 — 6 Вт с КНИ 10%
TDA7575 — 35 Вт в режиме моста с КНИ 10%
и другие.
А с простейшего усилителя при 12 В питания больше 3,3 Вт при малых искажениях выжать практически невозможно.
0
Да и разницы в громкости 3,3 и 4 Вт практически не заметишь.
0
Ну, во первых, отвечать не мне следовало)
А во вторых, судя по нормированию на 14.4 TDA1517 тоже автомобильный. Даже мощность похожая.
TDA7575 — 35 Вт в режиме моста с КНИ 10%
А как оно 35Вт на 12В выдает? Или при КНИ 10% там на выходе уже меандр во все 14В?)
0
Да какая разница, кто отвечает. Тем более, что в это время я уже сплю.
Про TDA1517 я просто не посмотрел даташит.
А про TDA7375 я ошибся:
HIGH OUTPUT POWER CAPABILITY:
2 x 40W max./4W
2 x 35W/4W EIAJ
2 x 35W/4W EIAJ
2 x 25W/4W @14.4V, 1KHz, 10%
4 x 7W/4W @14.4V,1KHz, 10%
4 x 12W/2W @14.4V, 1KHz, 10%
То есть 25 Вт при 10%.
А EIAJ — Electronic Industries Association of Japan мощность по Японскому стандарту — наверное, прямоугольники. Для рекламы приемников.
0
Почему-то из даташита скопировались 4W, а не 4 Ома (и 2W, а не 2 Ома)
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.