После постройки больших акустических систем оказалось, что им существенно для раскачки не хватает мощности, и было принято решение собрать усилитель НЧ, который был бы достаточно универсальным, чтобы его можно было использовать как для домашнего кинотеатра, так и для вечеринки. Изучив сотни схем из Интернета и их описания, внимание было обращено на полностью симметричную топологию с двумя различными входными парами, впервые предложенную в начале 1970-х годов У. Маршаллом Личем, профессором Технологического института Джорджии. Усилители Krell KSA 50 и 100, Gryphon Tabu Century и Callisto, LC Audio Millenium как раз и были построены на основе этой топологии с небольшими вариациями.
Схема Krell KAS-100 В также представитель таких УМЗЧ с аналогичной структурой. Поэтому решено было применить её к своему новому усилителю. Чтобы проверить концепцию, сделали пробную плату, мощность которой достигла 2 x 200W / 8 Ом или 2 x 380W / 4 Ома, в котором использовался стабилизированный источник питания для питающего напряжения. Далее показана принципиальная схема усилителя 750 Вт / 2 Ома , один канал. На ней исправлена ошибка значения резистора в нижнем источнике тока.
Сам усилитель звука , довольно простое устройство, он работает без глобальных контуров обратной связи, есть защита от перегрузки, взятая из LC Audio Millenium, усиление Ku = 48 дБ, поэтому введен аттенюатор -20 дБ: 8к2 в серии сигналов и к82 на землю. Монтаж транзисторов в группах по 6, отобранных по Ube, затем по Hfe, оконечник на 2SC5200 / SA1943, одна и та же пара драйвера, предварительный драйвер на MJE15030 / 031, на входе ZTX653 / 753, затем MPSA42 / 92. На MJE340 / 350 система стабилизации тока покоя.
Ток покоя установлен на 30 мА для первой пары транзисторов. Падение напряжения между точками А и В составляет 12 мВ. Мощность покоя, потребляемая всем усилителем, около 110 Вт.
Установлена мощность 200 Вт / 8 Ом, используя 6 выходных пар, которые позволяют работать с сопротивлением нагрузки 2 Ом. Для максимизации мощности основного источника питания, на предварительные ступени БП подается напряжение более высокое, на 12 В. Использован тороидальный трансформатор с мощностью 3900 ВА, изготовленный на заказ (цена 15000 руб.). Если что , можно применить импульсный БП, как тут
Чтобы обеспечить свободу в адаптации к различным возможным условиям электропитания, введены с первички отводы на 215 В , 230 В , 245 В.
Теперь математика: пиковое напряжение на выходе усилителя для P = 200 Вт, R = 8: Uplift = sqrt (2xPwyRMSxRobc) или 56,56 В. Пиковый ток в нагрузке для P = 800 Вт, R = 2: Iwypik = sqrt (2xPwyRMS / Robc) или 28,28 A.
4 канала с нагрузкой 800 Вт / 20 Ом каждый, каждый из которых управляется одним и тем же сигналом, могут совместно отправлять на нагрузку 115 А в пике. В это время источник питания не должен просаживаться ниже 58 В. Это теоретически возможная ситуация, но далеко не практически. Предполагая, что 2 канала будут работать как монофонический сабвуферный мост (1500 Вт / 4 Ом), а два других , как стереопара для мониторов на 400 Вт / 4 Ом, установлен максимальный мгновенный ток источника питания 60 А. На главных шинах в БП должно быть +/- 61 В. на вспомогательных +/- 73 В.
Как правильно выбрать конденсаторы
Чтобы сохранить низкий уровень колебаний и пульсаций напряжения предположим, что энергия, накопленная в плюсовом и минусовом конденсаторе, должна быть равна 1/10 мощности всего усилителя. Поскольку сеть заряжается 100 раз в секунду, используем нагрузку 1/100 Pwy для такого режима работы, поэтому этого вполне достаточно. Таким образом, для 4 каналов 400 Вт х 4 = 1600 Вт, заряд в конденсаторах должен составлять 160 Дж., это дает фильтрующую способность: после 95 000 мкФ (при минимальном напряжении 58 В). Из-за компактной конструкции было оставлено место для батарей низкопрофильных конденсаторов вместо классических больших банок. Использовались 40 шт 22 000 мкФ / 35 В подключенных таким образом, чтобы создать две батареи по 110 000 мкФ / 70 В.
Лабораторный блок питания двухполярный
Благодаря такому соединению также снижается внутреннее сопротивление конденсаторов (параллельное соединение), что имеет положительный эффект и является лучшим решением, чем использование 4 больших ёмкостью (по два на плечо) конденсаторов с большим ESR. Можно использовать специальные конденсаторы Mundorf M-Lytic-HC. Но это удовольствие не дешевое.
Статический заряд, накопленный в обоих группах конденсаторов, составляет около 400 Дж (для +/- 61 В), что вполне достаточно. Выпрямительные диоды для такой нагрузки , это еще одна проблема. Тут использованы мосты, построенные из IEX DSEI 2×,101-06A. Для токов этого значения представляется целесообразным удвоить мосты. Вторичная работа идет на один мостовой выпрямитель.
Цепь, ограничивающая пусковой ток реле, замыкает последовательный пусковой резистор 10 Ом / 40 Вт примерно через 0,5 секунд после включения. Вспомогательный источник питания 12 В также обеспечивает питание вентилятора и реле. На задней панели усилителя расположены управляющие микропереключатели и выключатель вентилятора, полезные при прослушивании дома с малой мощностью (при чувствительных громкоговорителях 100 дБ этого хватит вполне). Установленные сзади светодиоды показывают, какие входы активны.
Чтобы передавать такие большие токи без значительной потери мощности, использовались 3 провода по 2,5 мм2 для шин + и -, питающих левый и правый силовые модули УМЗЧ.
В самом модуле коллекторы соединены обмоточной шиной 12 мм2. Между + и , шиной в 3 местах использовались конденсаторы WIMA MKP10 (сложенные из 4 шт. 220 нФ / 250 В), выходной дроссель , 10 витков на диаметре 16 мм проводом 3 мм.
В этой конструкции самым большим фактором, вызывающим просадку выходной мощности усилителя, является внутреннее сопротивление сети, то есть источник питания 220 В, поскольку импульсный ток на первичной стороне может доходить до 30 А. Обратите внимание на предохранитель (автомат) , обычный 5 А подходит скорее для блока питания компьютера, который потребляет 500 Вт, а при 4 кВт выходит около 17 А, то есть берем на 25 А.
Сравнение блоков усилителей: 4×,750 слева с мощностью рассеяния тепла около 400 Вт и Aleph-X справа с рассеиванием 800 Вт.
Искусственная нагрузка для тестирования схемы , мощные резисторы на радиаторах. Конечно такая нагрузка не совсем корректна, ведь резистивные элементы являются нелинейными, и поэтому измерения мощности усилителя, использующего их таким образом, дают искаженные результаты, а фактическая мощность, передаваемая усилителем, будет ниже. Да и блок питания для получения синусоидальной мощности 4 х 750 Вт от используемого усилителя, с 3900 Вт трансформатором слишком мал.
Теперь снова расчёты: Upik = 116 В Ppik = 116 x 116 / 8 = 1682 Вт, поэтому мощность RMS, возвращаемая нагрузке, составляет около 840 Вт. При 4 Ом будет меньше, а с двумя мостами, нагруженными на 4 Ом, еще немного меньше. Тем не менее, из осциллографических наблюдений реальных музыкальных сигналов видно, что усилитель выдает в нагрузку около 1500 Вт на 4 Ом.
Предупреждение тем электронщикам, которые хотят тоже собрать такой усилитель. Вы должны работать очень осторожно, когда энергия в конденсаторах достигает сотен Джоулей! Короткое замыкание между шинами может быть потенциально опасным для здоровья ожогами в результате испарения металлических деталей и разлёта искр. Важно использовать отдельное соединение от диодов к конденсатору и отдельный провод от конденсатора к оконечнику, учитывая сечения проводов.
Как играет УМЗЧ? Он конечно не звучит как триод 300B или как Gainclone, в смысле детализации, верха, глубины и обаяния звука, но есть много аудиофильных конструкций, которые играют гораздо блёкло при сравнении.
И ещё. Повышение мощности усилителя в случае неэффективных комплектов громкоговорителей не очень эффективно , динамики первыми решают вопрос о громкости , можно легко увеличить её, изменив набор громкоговорителей. С хорошими комплектами динамиков , с высокой мощностью 200 Вт, в закрытых помещениях с объемом до 30 м2 можно вообще потерять слух!