Как выбрать ток покоя транзистора

Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усилителях мощности

Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания. А это повышает искажения полевиков. И, главное, снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук, приводит к возможности его сильного ухудшения.

Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим?

Известный разработчик звуковой техники Дуглас Селф в книге «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты» писал, что для низких искажений ток покоя выходного каскада на биполярных транзисторах должен быть как раз маленьким, выходные транзисторы должны работать в классе В. То есть греться минимально. Однако для выходных полевых транзисторов невозможно теоретически указать оптимальное значение тока покоя, при котором искажения выходных полевых транзисторов были бы минимальны.

Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя, которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему. Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые выходным каскадом усилителя.

Итак, перед вами результаты реальных измерений на настоящем усилителе.

Цель оптимизации – получить достаточно низкие искажения, вносимые выходным каскадом при сравнительно небольшом токе покоя, а значит и нагреве выходных транзисторов.

С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного усилителя:

— коэффициент интермодуляционных искажений, использующий стандартный метод SMPTE с частотами 60 Гц и 7 кГц и соотношением амплитуд 4:1;

— коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники k, вычисленный для первых одиннадцати гармоник:

Этот коэффициент используется сравнительно редко. Однако в нем есть необходимость, так как этот коэффициент учитывает не только величину гармоники, но и ее номер. Чем больше номер, тем больше коэффициент. Известно, что чем выше номер гармоники, тем более она заметна и неприятна на слух. В результате нормированный коэффициент гармоник не только вычисляет искажения, он позволяет учесть ширину спектра искажений и хоршо отображает «неприятное звучание» высших гармоник. Этот параметр гораздо сильнее связан с субъективным качеством звучания, чем «обычный» Кг. Но нормированный Кг непривычен — его практически не используют (потому что он более честно показывает искажения, а производители хотят красивых рекламных чисел). Поэтому для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС):

Фактор спектра показывает ширину спектра искажений. Если в спектре присутствует только вторая гармоника, то ФС=1. Бо’льшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. На рис. 1 показана зависимость фактора спектра от ширины спектра сигнала (график на рис. 1 построен по результатам проведенных измерений). Здесь показаны только первые одиннадцать гармоник, а вообще реальный спектр искажений при больших значениях фактора спектра содержал гармоники значительной амплитуды вплоть до двадцатой!

Для измерений использовалась звуковая карта EMU-0404 и последняя версия программы SpectraPLUS. Коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений вычислялись программой по встроенным алгоритмам. Нормированный коэффициент гармоник вычислялся на основе амплитуд гармоник, выдаваемых программой.

Исследовались наиболее популярные мощные комплементарные транзисторы, устанавливаемые в выходной каскад усилителя:

— IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;

— 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;

— 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.

Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.

Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические системы.

Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на рис. 2 — рис. 4.

Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит. Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА для транзисторов Toshiba и 120 мА для транзисторов Hitachi. Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.

Искажения выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку показаны на рис. 5 — рис. 7.

Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока на активной нагрузке.

Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут. Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада, описанное Д. Селфом.

Важность параметра «фактор спектра» можно продемонстрировать на таком примере. На рис. 5 у транзистора Toshiba величины Кг и IMD при токах покоя 250 мА и 2000 мА практически равны. Из этого можно сделать вывод о том, что выходные транзисторы на этих токах работают совершенно одинаково. Однако значения фактора спектра для этих токов равны ФС(250 мА)=2,6 и ФС(2000 мА)=1,08. И спектры искажений в этих случаях разные. Они близки к спектрам, показанным на рис. 1 черным и синим графиками. Спектр искажений при токе покоя 250 мА содержит как минимум девять гармоник заметной амплитуды, тогда как спектр при токе 2000 мА содержит только вторую и третью гармоники.

Транзисторы разных производителей демонстрируют совершенно разное поведение. Это позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на примерно одинаковые основные параметры транзисторов, их свойства сильно различаются. Однотипные транзисторы имеют очень близкие свойства. На рис. 8 показаны характеристики, измеренные на двух разных парах однотипных транзисторов. Различие лежит в пределах погрешности измерений.

Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений. С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов. Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На рис. 9 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.

На рис. 10 показана зависимость Кг от тока покоя на активной нагрузке для различных значений выходного напряжения. Графики пересекаются в одной точке: с одной стороны, чем меньше выходное напряжение, тем выше относительные искажения «ступенька» при малом токе покоя. Поэтому маленькое выходное напряжение дает большие искажения. Это при малом токе покоя. С другой стороны меньшее выходное напряжение создает меньшую нелинейность выходных транзисторов (у полевых транзисторов крутизна зависит от напряжения) и, следовательно, меньшие искажения при достаточно большом токе. И снова графики демонстрируют примерно то же значение оптимального тока покоя.

Две последние зависимости коэффициента гармоник от температуры выходных транзисторов и от частоты тестового тона (рис 10 и рис. 11) показывают, что ни один из этих факторов не влияет на поведение транзисторов. Так что полученные результаты (рис. 2 – рис. 7) верны при любых условиях работы усилителя.

Если сравнить зависимости Кг от тока покоя, то можно заметить, что на всех графиках искажения достигают значения, равного примерно 0,25%, и дальше не уменьшаются. Это происходит потому, что величина искажений выходного каскада достигает и становится меньше величины искажений второго по уровню нелинейности узла усилителя – каскада усиления напряжения, который имеет Кг порядка 0,25%. Однако на правильность выводов данная ситуация не влияет:

1. Ищется не минимум искажений, а оптимум тока покоя. Как только искажения выходного каскада стали меньше, чем каскада усиления напряжения, то оптимум найден – главный вклад в искажения усилителя в целом вносит другой узел, следовательно, выходной каскад в дальнейшем совершенствовании не нуждается.

2. Каскад усиления напряжения дополнительно линеаризован на 12 дБ. Так что если искажения выходного каскада стали меньше чем у линеаризованного усилителя напряжения, то уж наверняка они будут гораздо меньше искажений «обычного». И их вклад в общие искажения усилителя будет весьма мал.

3. Тот факт, что при дальнейшем увеличении тока покоя сверх оптимального значения с выходным каскадом происходят какие-то изменения, показывает фактор спектра – при дальнейшем увеличении тока покоя спектр искажений сокращается. Возможно, что уменьшается и амплитуда искажений. Так что минимум искажений явно не достигнут, но однозначно достигнут оптимум тока покоя, когда искажения выходного каскада уже достаточно низкие, а нагрев выходных транзисторов небольшой.

В качестве иллюстрации оптимальности полученных значений можно привести результаты применения теории оптимизации к данной задаче. Целевая функция получается следующим образом. Имеются две переменные – ток покоя и коэффициент гармоник. Обе они проявляют свойство: чем меньше значение, тем лучше. Следовательно, переменные следует перемножать и искать минимум целевой функции. Поскольку величина Кг изменяется на порядок, а ток покоя на два порядка, то переменные следует привести к одному масштабу изменения, чтобы переменная, изменяющаяся сильнее, не «перетягивала» на себя результат. Для этого следует из величины тока покоя извлечь квадратный корень, что приведет диапазон ее изменения к диапазону изменения Кг. Таким образом получаем критерий оптимальности:

Результаты показаны на рис. 13, 14, 15. Они полностью согласуется с выводами, сделанными выше.

Выводы.

1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.

2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше, чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.

3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ. В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.

4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных конструкциях даже 40…60 мА.

5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. При низких значениях тока покоя спектр гармоник значительно расширяется, а гармоники высоких порядков хуже подавляются отрицательной обратной связью. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды: большая величина Кг и широктй спектр искажений. Качество звучания наверняка будет невысоким. Спектр оптимального тока покоя содержит небольшое количество высших гармоник, которые эффективно подавляются общей ООС. Да и значение Кг невелико. Поэтому усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.

6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.

7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление нагрузки на его величину практически не влияют.

8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba. Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления. Оптимум тока покоя для них тоже получается каким-то расплывчатым.

9. При неоптимальном маленьком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в четыре-шесть раз выше (а на слух — с учетом ширины спектра — в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.

Как выбрать ток покоя транзистора

За внешний вид извиняюсь все приходится делать на табуретке буквально. Вопрос трансформаторы паять обмоткой из одного витка трубки к транзисторам, а витки провода ко входу и выходу ум? Трансформаторы готовые от айкома входной только стоял в драйвере обмотку пересмотрю, а выходной думаю без переделок подойдёт. Дроссель жёлтый тоже от него.

Повторитье схеми с какой-то трансивера. Легко реализованы. С одним/двумя транзисторами для ток базы и напр. диодами — датчики температуры.

Что за прогнозы?))) Пока вроде не спалил, делаю вот по этой схеме:

только схему смещения не могу подобрать нет нужных деталей, есть только кт 814 815 817 и стабилитроны кс133 168 д818, пробовал смещать от отдельного бп все норм ток покоя выставлял от 250 до 700ма но нужен какой то стабилизатор который выдаст 0,5-0,75 в с током до 250ма. А так все как положено с генератора на входной транс сигнал, на выходном нагрузка 50ом, щуп осциллографа вижу сигнал и его амплитуду, генератор может по входу давать не более 20в.

пока стоят транзисторы с2904 питание 12,5в планирую 150вт

Добавлено через 17 минут(ы):

Входной транс бинокль 3 витка вход один на транзисторы трубка, выходной к транзисторам 1 виток трубка к нагрузке 4 витка. Температура транзисторов 38 градусов, радиатор 36 градусов, входной транс 27 град, а вот выходной раскалялся до 80 градусов.

Прочитал греется выходной транс скорее всего от того, что питание по его обмотке идет и лучше сделать это отдельно. Также учитывая, что 1 виток это трубка и четыре витка это провод коофициент трансформации 1:16? Подозреваю, что число витков нужно уменьшить до 2-3х это наверное снизит нагрев и увеличит отдачу?

Добавлено через 11 минут(ы):

Попробую сегодня взять регулируемый стабилизатор на 817 транзисторе из этой схемы:

автор пишет как раз около 0,7в выдает для установки тока покоя

art74, вот схема от Игорь 2, рабочая. Нижняя часть на рисунке.

Спасибо вам! Раз так схему смещения усложнили значит не все так просто там? Ток вроде 150-200 ма при напряжении 0.7в. Сегодня повторить не смогу таких деталей у меня нет. Сделал на двух транзисторах и на сопротивление 5ом просела до 0.5 в транзисторы не открылись, пришлось в базах увеличить резисторы до 20ом, что в итоге дало 10 ом в нагрузке для смещения. Ток покоя стал регулироваться. Только вот не знаю как скажется увеличение базовых резисторов до 20 ом каждый.

Регулятор что я сделал на двух транзисторах дает 4в в холостую и 0,5в при нагрузке 5ом, увеличил резисторы в базах до 20ом нагрузка стала 10ом и ток покоя стал регулироваться транзисторы открылись пойду читать “Справочник радиолюбителя-коротковолновика”, Бунин, Яйленко, стр. 136 как повлияет увеличение их сопротивлений, там 50ом хотя бы чтобы цепь смещения не давала просадку.

art74, ну поставьте транзистор Дарлингтона: КТ972, 829, 827.

Их у меня тоже нет :ржач: Собираю ради знаний, потому делаю из того что дома есть. Если не получится жаль будет только табуретку, когда сверлил радиатор сделал в ней пару дырок))).

Подобрал витки выходного транса мощность стала 40вт КСВ почти 1 и один транзистор греется чуть больше другого может раздельно смещения сделать и выставить ток покоя на каждый С2904?

Добавлено через 52 минут(ы):

Входной и выходной транс по два витка ксв минимальный и отдача максимальная, далее если вход наращивать то выход не растет а синусоиду подрезает ступенькой, что еще можно сделать? Можно с двух 150 Вт снять?

Автору схемы большое спасибо:

Буду пробовать дальше раскачку с трансивера до 10 вт на вход RD100.

Получается китайский генератор выдает не 4,5Вт а всего 0,25Вт и то в диапазоне 1 — 10 мГц потом к 25 мГц выход падает почти до 0,1Вт. Просто почему-то я верил описанию из интернета 4,5Вт. Значит при входе 0,25Вт на 7мГц было получено 28Вт.

Как выставить ток покоя?

Какое же значение тока покоя является нормой для усилителя Радиотехника У-101? Согласно инструкции по ремонту данного усилителя, ток покоя необходимо установить в пределах 40-50мА.

Прогон выполняется после ремонта аппарата и перед его настройкой. На один из входов (например «Унив.») нужно подать музыкальную программу и на среднем уровне громкости гонять усилитель не менее часа.

Процесс настройки тока покоя

Данный способ прост и взят из инструкции по ремонту усилителя Радиотехника У-101 (СКАЧАТЬ). Существуют и другие способы, но в этой статье я их рассматривать не буду.

Итак, выполнив прогон нашего аппарата, его необходимо отключить от сети. Далее найти провод питания «+Uпит.вых.» и в разрыв него включить миллиамперметр постоянного тока.

Входной сигнал от усилителя должен быть отключен, ручка громкости вывернута на минимум.

После чего включаем усилитель и на дисплее тестера отобразиться ток покоя

Изначально на одном канале значение составило 94мА, а на другом 122мА.

Его установка производится вращением движка подстроечного резистора R12. Внимание! Настоятельно рекомендую производить подстройку резистором R12 при отключенном усилителе. Резистор старый, его электропроводный слой и бегунок могут за долгое время окислиться. В результате этого, при вращении движка R12 его сопротивление может на некоторое время быть бесконечным, и выйдут из строя транзисторы. Будьте внимательны!

Подстройку нужно выполнять очень плавно, диэлектрической отверткой. После подстройки подключаем питание и смотрим показания на дисплее мультиметра. Если ток покоя не установлен в пределах 40-50мА, то отключаем питание усилителя и производим дальнейшую настройку.

Показатель сильно зависит от температуры, поэтому выставив необходимый ток усилитель вновь нужно прогнать и выполнить контрольную настройку. К примеру, выставив ток обоих каналов около 45мА после остывания радиаторов ток уже составил примерно 30мА.

Что такое выходной транзистор? Ток покоя и каскадные усилители

Что такое выходной транзистор? Выходными, или оконечными, транзисторами называют транзисторы, входящие в конструкцию выходных (последних) каскадов в каскадных усилителях (имеющих минимум два или три каскада) частоты. Кроме выходных имеются ещё и предварительные каскады, это все, некоторые расположены до выходного.

Каскад — это транзистор укомплектованный резистором, конденсатором и иными элементами, обеспечивающими его работу в качестве усилителя. Всё имеющееся в усилителе количество предварительных каскадов должно обеспечивать увеличение напряжения частоты таким образом, чтобы полученное значение было пригодно для функционирования выходного транзистора. В свою очередь сам выходной транзистор

Рабочие характеристики усилителя

Для достижения среднеквадратичной мощности 60 Вт, ток в нагрузке с сопротивлением 4 Ом должен иметь среднеквадратичное значение 3,9 А или пиковое значение 5,5 А. Эти значения получаются из формул:

где Р0-выходная мощность, Вт; I-ток в нагрузке, A; U- напряжение на нагрузке, В; Іт — амплитудное значение тока, A; Urn — амплитудное значение напряжения, В; Ян-сопротивление нагрузки, Ом.

Кроме того, из (1) следует, что напряжение на нагрузке при выходной мощности 60 Вт имеет среднеквадратичное значение 15,5 В или пиковое 22 В.

Чтобы получить ток истока 5,5 А, п-канальный МОП транзистор IRF532 требует напряжение затвор-исток, около 5 В. Можно сделать вывод, что напряжение смещения на затворе для достижения пиковой мощности при положительной полуволне равно Um + Uзи = 27 В.

Аналогичный расчет для отрицательной полуволны при использовании р-канального МОП транзистора IRF9532 показывает, что требуется подача отрицательного напряжения смещения на затвор значением 28 В.

Следовательно, для 60-ваттного выхода будет достаточно напряжения ±30 В при условии, что подаваемое напряжение будет не ниже ±28 В под нагрузкой, т.е. импеданс источника питания должен быть менее 1 Ом.

Соотношения между мощностью, отдаваемой в нагрузку и мощностью, получаемой от источника питания, показаны на рис. 3, при синусоидальном сигнале при напряжении питания ±30 В.

Кривая, представляющая мощность на нагрузке, может быть легко построена с помощью (1) для различных величин тока нагрузки. Мощность, потребляемая от источника, определялась с помощью следующей формулы:

где Рподв — потребляемая от источника питания мощность, Вт; Uпит-напряжение источника питания, В;

Iлиг — потребляемый усилителем ток, А.

Разница между двумя значениями мощности — это мощность, рассеиваемая на МОП транзисторах и, как можно видеть из рис. 3, она имеет пик, равный примерно 46 Вт.

Предполагая, что максимальная температура окружающей среды равна 55°С, полное тепловое сопротивление между переходами двух МОП транзисторов и окружающей средой должно быть меньше 2°С/Вт.

Считая, что каждый из МОП ПТ IRF532 и IRF9532 имеет тепловое сопротивление переход-корпус, равное 1,67°С/Вт, максимальная температура корпуса должна быть менее 110°С и тепловое сопротивление теплоотвод-окружающая среда должно быть меньше 1,16°С/Вт.

Амплитудно-частотные характеристики усилителя при разных номиналах элементов цепи обратной связи показаны на.рис. 4. Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи равен 30 дБ, граничные частоты по уровню 3 дБ равны 15 Гц и 60 кГц.

Кривые при замкнутой цепи обратной связи показаны для коэффициентов усиления усилителя 100 (R7 = 470 Ом) и 20 (R7 = 2,2 кОм). В обоих случаях кривые остаются плоскими в пределах +1 дБ между 15 Гц и 100 кГц и нагрузке 8 Ом.

Рис. 3. Зависимости соотношения между мощностями.

Скорость изменения выходного напряжения усилителя, измеренная при подаче на вход меандра амплитудой 2 В между пиками составила 13 В/мкс при нарастании и 16 В/мкс при спаде. Отклонение от этих значений может быть сбалансировано включением последовательно в цепь затвора ѴТ6 дополнительного резистора.

Суммарный коэффициент нелинейных искажений усилителя показан на рис. 5. Снижение коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи от 100 до 20 создает существенное уменьшение искажений.

Ток покоя выходного каскада был установлен порядка 100 мА, и он может существенно влиять на величину искажений, если будет ниже 50 мА. Зависимость тока покоя в выходном каскаде и выходного напряжения смещения от напряжения источника питания приведены в табл. 1.

Табл. 1. Зависимость тока покоя и выходного напряжения.

Напряжение питания, В	Напряжение смещения, мВ	Ток покоя, мА
35	-40	135
30	-20	100
25	+4	75
20	+30	54

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики усилителя.

Ток покоя устанавливается, в первую очередь, потенциометром R12. Минимальное напряжение смещения получается, если движок резистора повернут до отказа против часовой стрелки, если используется топология печатной платы, показанная на рис. 2.

Измерение тока проводят, подавая напряжение положительной полярности через амперметр с максимальным значением шкалы 1 А. Затем резистором R12 выставляют ток покоя, равный 100 мА при напряжении питания ±30 В. Амперметр должен быть удален из схемы перед подачей входного сигнала на усилитель.

Измерить ток покоя выходного транзистора

Током покоя называют коллекторный ток, который проходит по транзисторам выходных каскадов при условии, что сигнал отсутствует. В условно-идеальных (невозможных на самом деле) условиях значение такого тока должно находиться на нулевой отметке. На деле это не совсем так, собственная температура и характерные различия разнотипных транзисторов влияют на данный показатель. В наихудшем случае возможен перегрев, который станет причиной теплового пробоя транзистора.

Кроме того, существует ещё один показатель – напряжение покоя. Он демонстрирует значение напряжения соединительной точки транзисторов. Если питание у каскада двухполярное, то напряжение будет равно нулю, а если однополярное, тогда напряжение составляет 1/2 питающего напряжения.

Оба эти показателя должны быть стабилизированы и для этого в качестве первоочередной меры следует озаботиться о контроле температурного режима.

На роль стабилизатора обычно берётся дополнительный транзистор, которые в качестве балласта подсоединяется к базовым цепям (наиболее часто он при этом оказывается прямо на радиаторе, максимально близко к выходным транзисторам).

Чтобы выявить, каков ток покоя выходных транзисторов или каскадов, необходимо при помощи мультиметра измерить данные по падению напряжения для его эмиттерных резисторов (значения обычно выражаются в милливольтах), а потом, опираясь на закон Ома и данные по реальному сопротивлению, можно будет вычислить нужный показатель: значение падения напряжения разделить на значение реального сопротивления – значения тока покоя для данного выходного транзистора.

Все замеры необходимо производить весьма осторожно, иначе придётся производить замену транзистора.

Есть ещё один способ, гораздо менее травмоопасный. Взамен предохранителей потребуется установить сопротивление в 100 Ом и минимальную мощность в 0,5 Ватт для каждого канала. При отсутствии предохранителей сопротивление подсоединяется к разрыву питания. После осуществляется подача питания усилителю, производятся замеры показаний по падению напряжения на приведённом выше уровне сопротивления. Дальнейшая математика до крайности проста: падению напряжения в 1 В соответствует ток покоя величиной в 10мА. Аналогичным образом при 3,5 В получится 35 мА и так далее.

Конструкция и детали

Все детали УМЗЧ и блока питания размещены на одной плате. Исключение составляют транзисторы VT3, VТ4, VТ6, VТ8 УМЗЧ, установленные на общем теплоотводе с площадью рассеиваемой поверхности 1200 см2 и транзисторы VТ7, VТ8 БП, размещенные на отдельных теплоотводах с площадью рассеивающей поверхности 300 см2 каждый.

Катушки L1, L2 блока питания (рис. 3) и L1 усилителя мощности содержат 30…40 витков провода ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм, намотанного на корпусе резистора С5-5 или МЛТ-2. Резисторы R7, R12 блока питания представляют собой отрезок медного провода ПЭЛ, ПЭВ-1 или ПЭЛШО диаметром 0,33 мм и длиной 150 мм, намотанного на корпусе резистора МЛТ-1.

Трансформатор питания выполнен на тороидальном магнитопроводе из электротехнической стали Э320, толщиной 0,35 мм, ширина ленты 40 мм, внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, наружный — 130 мм. Сетевая обмотка содержит 700 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,47 мм, вторичная — 2×130 витков провода ПЭЛШО диаметром 1,2 мм.

Вместо ОУ К544УД2Б можно использовать К544УД2А, К140УД11 или К574УД1. Каждый из транзисторов КТ825Г можно заменить составными КТ814Г и КТ818А, а транзистор КТ827А — составными КТ815Г и КТ819Г (что очень нежелательно). Диоды VD3…VD6 УМЗЧ можно заменить любыми высокочастотными кремниевыми диодами, VD7, VD8 — любыми кремниевыми с максимальным прямым током не менее 100 мА.

Вместо стабилитронов КС515А можно использовать соединенные последовательно стабилитроны Д814А (Б, В, Г, Д) и КС512А.

Оптимальный ток покоя для усилителя

Существует мнение, что чем больше ток покоя в усилителе, тем лучше. Якобы он ближе к классу А. Я также долгое время придерживался этого мнения, но в реальности все оказалось совсем по другому.

При проектировании усилителя был выбран CFP выходной каскад, который не требует большого тока покоя. Экономичность в машине очень важна.

Типичные выходные каскады

В книге Селфа была таблица оптимального тока покоя для 8 Ом нагрузки:

Для сравнения подобная таблица для выходного каскада типа эмиттерный повторитель:

Как видим ток покоя главным образом зависит от схемы выхода и номинала выходного резистора Re.

Попробуем на практике определить оптимальный ток для 4 Ом нагрузки. Все измерения проводились на мощности 10 Ватт. Re=0.1Ом

ток покоя 2мА

Видим лес гармоник, хотя и с уровнем под -100дБ, но он есть. Ток далеко не оптимальный.

5мА 10мА 15мА 20мА 30мА 40мА 50мА 100мА 200мА

Как видно достаточно трудно определить оптимальный ток. Уровень искажений изменяется очень незначительно. На глаз можно только выделить аутсайдеров 2мА, 100мА и 200мА с лесом гармоник.

Поэтому лучше будет судить по спектру искажений. Неправильный ток покоя дает длинный спектр нечетных гармоник. Каскады предварительного усиления могут давать четные гармоники, а входной дифф. каскад в основном третью. При просмотре третей нельзя сказать сколько дает выходной каскад, а сколько входной каскад.

Получилась такая таблица:

5 и 7 гармоники

Желтым выделены наилучшие параметры.

Как видно для CFP выходного каскада с Re=0.1 Ом, оптимальный ток покоя около 15-20мА. Он и будет устанавливаться во всех последующих тестах.