Поиск сообщества

В статье описание возможностей режима работы УМЗЧ AB-plus опиралось на результаты имитационного моделирования. Для экспериментального подтверждения эффективности усилителя MOSFET класса АВ-plus, проведен сравнительный тест работы усилителя при обычном AB включении и в режиме работы AB-plus. Для теста использованы WiFi версия модуля, эквивалент нагрузки в режиме 8Ohm, осциллограф Rigol DS1054Z и термометр Fluke 59MAX. Точность измерения определена параметрами приборов. Тестовый сигнал: тональная посылка 30Hz длительностью 200ms и периодом 500ms (Tone Burst), близок к типичной работе сабвуфера. Сигнал подан на LFE вход модуля, фазовращатель незначительно влияет на форму сигнала. В процессе измерений контролировались, напряжение цепей (+65V), (+56V), (-56V), (Out), температура модуля и эквивалента нагрузки. К одному из цепи резисторов в эквиваленте нагрузки через конденсатор 2.2uF подключена широкополосная АС для контроля входа усилителя в режим ограничения амплитуды. Тест эффективности усилителя MOSFET класса АВ, дополнительное питание не подключено Входного сигнала нет, подключено только силовое питание и нагрузка. Напряжения цепей: (+65V) = 51.3V (54.3V-51,3V=3.0V соответствует модели R20(2,35V) + D2(0,74V)) (+56V) = 54.3V (-56V) = -55.1V ( Vpp=800mV пульсации напряжения питания) (Out) = 0V (измеренное мультиметром смещение на выходе усилителя +10mV, Vpp=800mV?) Входной сигнал соответствует номинальной мощности, ограничения нет. Напряжения цепей: (+65V) = 49.0V (+56V) = 52.2V (-56V) = -53.3V ( Vpp=6,4V просадка напряжения питания) (Out, Vpp) = 81.6V (от пика до пика) Ppeak=(81.6/2)^2/8=208W Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть. Напряжения цепей: (+65V) = 48.6V (+56V) = 52.1V (-56V) = -52.9V ( Vpp=7,2V просадка напряжения питания) (Out, Vpp) = 89.6V (от пика до пика) Ppeak=(89.6/2)^2/8=251W Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть. Укрупнённый фрагмент четвёртой волны пачки. Напряжения цепей: (+56V AY) = 49.5V (Out, BY) = 41.6V (выходное напряжение ниже питания на 7.9V) Ppeak=(41.6)^2/8=216W (амплитуды 4 и 5 волн пачки уже практически равны) Тест эффективности усилителя MOSFET класса АВ-plus, подключено дополнительное питание +-65V Входного сигнала нет, подключено силовое и дополнительное питание. Усилитель работает в режиме AB-plus. Напряжения цепей: (+65V) = 61.7V (+56V) = 54.1V (-56V) = -55.7V ( Vpp=800mV пульсации напряжения питания) (Out) = 0V (измеренное мультиметром смещение на выходе усилителя +10mV, Vpp=1.6V?) Входной сигнал соответствует номинальной мощности, ограничения нет. AB-plus. Напряжения цепей: (+65V) = 58.9V (+56V) = 51.6V (-56V) = -52.8V ( Vpp=6,4V просадка напряжения питания) (Out, Vpp) = 92.8V (от пика до пика) Ppeak=(92.8/2)^2/8=269W (+29.4% к режиму AB) Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть. AB-plus. Напряжения цепей: (+65V) = 58.2V (+56V) = 50.9V (-56V) = -52.4V ( Vpp=7,2V просадка напряжения питания) (Out, Vpp) = 102.0V (от пика до пика) Ppeak=(102/2)^2/8=325W (+29.5% к режиму AB) Входной сигнал соответствует максимальной мощности, признаки ограничения есть. AB-plus. Укрупнённый фрагмент четвёртой волны пачки. Напряжения цепей: (+56V AY) = 49.3V (Out, BY) = 48.6V (выходное напряжение ниже питания на 0.7V) Ppeak=(48.6)^2/8=295W (+36,7%, но на осциллограмме амплитуды 1 и 2 волн сравнивать с режимом AB некорректно) Проведённый тест показывает возможности УМЗЧ MOSFET в режиме AB-plus. В этом режиме полностью реализуется низкое падение напряжение сток-исток открытого MOSFET транзистора. Температура усилителя не превышала 54 градуса, эквивалент нагрузки нагревался до 71 градуса. Источник питания модуля тороидальный трансформатор 200W, две силовые обмотки ~40.5V(2.5A), обмотка 8V(800ma) для питания модуля ESP32, для реализации режима AB-plus понадобились две обмотки трансформатора по ~6.5V(100ma), два маломощных моста и два конденсатора 1000uF*10V. Основные конденсаторы фильтра по два на плечо 10000uF*63V, всего 4 штуки. Напряжение силовых обмоток можно поднять до ~42V. Рост эффективности практически на 30% при равной энергетике блока питания - это отличный результат. Появились вопросы, заметили ошибки, пишите, постараюсь ответить и исправить.

В модулях для сабвуферов Newton-Lab старших моделей в качестве усилителя я взял за основу симметричный MOSFET AV400 Entony E. Holtona, компактный, недорогой, термостабильный, музыкальный и с хорошим выходным током. С задачами он справлялся на 4 (из 5). Владимир Перепёлкин (НОЭМА Новосибирск) внёс в схему усилителя полезные улучшения. В порядке эксперимента, я изменил схему термостабилизации для удобства первичной настройки и контроля. Всё прекрасно работает, но главная проблема осталась. Усилители с MOSFET выходными транзисторами на выходе имеют такой существенный недостаток, как сниженный КПД по сравнению с биполярными. Основная причина в пороговом напряжении затвора Vgs(th) 5..6 вольт MOSFET, транзисторы полностью не открываются. Решается проблема повышением питания предварительных каскадов, известный способ выжать по максиму из имеющихся возможностей питания и охлаждения. Питание усилителя определяет его возможности, возможности питания определяют конденсаторы фильтров, возможности конденсаторов определяют ёмкость и рабочее напряжение (ряд 35V, 50V, 63V, 100V). Что такое 56V = 63V-10%, соответствует допуску на бытовые 230V+-10%. Переход из 63V в 100V - это кратное удорожание и увеличение массогабаритных показателей питания и охлаждения. Нужно выжимать всё из 56V, излишки можно "прижать" программируемым лимитёром. Такой режим работы усилителя я называл MOSFET AB+ (AB-plus) для маркетингового позиционирования изделий. Решение требует дополнительных источников напряжения по 6..9 вольт на плечо. Потребление предварительных каскадов приведённого ниже усилителя не превышает 30ma, соответственно, требования к дополнительным обмоткам питающего трансформатора минимальные. Проверенная схема симметричного усилителя изменена по рекомендациям Владимира Перепёлкина, транзисторы BC546 (Vceo=65V, Ic=100ma, Pc=500mW) заменены на 2N5551 (Vceo=160V, Ic=600ma, Pc=625mW), ток дифкаскада увеличен с 1,5ma до 3,8ma, ток каскада усиления напряжения 8,6ma->15,5ma, Q6-Q21 каскод и как результат увеличена полоса усиления в 1,5 раза. Узел стабилизации тока покоя изменён из технологических соображений. На электролитическом конденсаторе C4 в обратной связи присутствует постоянное напряжения до 200mV, что делает необязательным применение неполярного конденсатора. Балансировка каскодного дифкаскада RV1, R6, R36, введена для экспериментов, без RV1 при номиналах R6=R36=51ом смещение "0" не более 30mV (в данном экземпляре +-7mV). Узел термостабилизации и управления током покоя выполнен на диодах D13, D14, D15, стабилитроне D12, светодиоде D11 и резисторе RV2. Диоды расположены на печатной плате в непосредственной близости от силовых транзисторов в наиболее горячей точке усилителя. Традиционный транзистор, вынесенный на радиатор, требует дополнительного крепления, принимает температуру медленнее и он, в итоге, холоднее на 5..20 градусов по сравнению с предложенным вариантом. Регулировка тока покоя удобно контролируется светодиодом D11. Цепи подачи питания на предварительные каскады D1, D2, R20, R21 сохранены на случай пропадания дополнительного питания и возможности работы усилителя в традиционном AB режиме. В усилителе на фото, в качестве эксперимента, применены MOSFET транзисторы FQA28N15 33/132A и FQA36P15 36/144A, эта пара вполне заменяет три пары RFP9240/IRFP9240 до напряжения питания +-70V. Замена работает без замечаний, но на предельных режимах транзисторы следует ставить на керамические прокладки (НОМАКОН имеет большое тепловое сопротивление). Что даёт режим AB+ в данном усилителе, сравним работу в двух режимах: - AB подано только +-56V на выходной каскад. Ограничение амплитуды 46,5V на 8 Омах. Потери напряжения V=56V-46.5V=9,5V, пиковая мощность P=46,5V^2/8oHm=270W. - AB+ подано на предварительные каскады +-65V на выходной +-56V. Ограничение амплитуды 54,75V на 8 Омах. Потери напряжения V=56V-54.5V=1.5V, пиковая мощность P=54,5V^2/8oHm=371W. В режиме AB+ имеем прирост пиковой мощности по сравнению с AB 37% при питании выходного каскада +-56V. За счёт чего - это происходит? В режиме AB+ выходной каскад в пиковом режиме теряет напряжение только на сопротивлении сток - исток MOSFET транзистора и на резисторе в цепи стока. Так для IRFP9240 не более 0,5oHm (7,2А) и для IRFP240 не более 0,18oHm (12А) имеем падение на 3-х параллельных каскадах не более U=56V/8oHm/3*(0,5oHm+0,22oHm)=1,68V. В режиме AB (в положительном плече) потери складываются из U=R20(2,35V) + D2(0,74V) + R16(0,5V) + Q8ek(0,06V) +Q11gs(5,47V) +R25(0,43V)=9,55V. Данная модель и расчёты построены на предположении стабильного напряжения 56V и 65V, учитывая просадки напряжения, при питании от реального источника пиковые значения несколько снижаются, но соотношения эффективности AB+ и AB режимов работы усилителя сохраняются. Выводы: Режим AB+ значительно расширяет энергетические возможности аналогового дискретного УМЗЧ, сохраняя все его преимущества. Дополнительные обмотки трансформатора и цепи выпрямителей небольшая цена за существенный прирост мощности и КПД. Осталось подтвердить результаты имитационного моделирования экспериментально. Появились вопросы, заметили ошибки, пишите, постараюсь ответить и исправить.

В модулях для сабвуферов Newton-Lab старших моделей в качестве усилителя я взял за основу симметричный MOSFET AV400 Entony E. Holtona, компактный, недорогой, термостабильный, музыкальный и с хорошим выходным током. Ток покоя устанавливали 15..20 миллиампер на пару, для снижения температуры покоя модуля ( ~7 ватт на холостом ходу, 3 пары немного тёплые). С задачами он справлялся на 4 (из 5). Мощные выходные транзисторы применял IRFP240/IRFP9240 и IRF640/IRF9640, сотни пар прошли проверку работой и не подводили. Причиной нескольких отказов были BC546 во входном каскодном дифкаскаде. В результате их отказа на выходе появлялось постоянное напряжение питания. Предохранители в цепях силового питания защищали от КЗ на выходе и практически всегда от постоянного напряжения на выходе "4 омные динамики". Но один раз предохранители не справились, что отправило в перемотку "8 омный" Peerless XLS 830500, 3 центовый транзистор победил 300$ вуфер! Peerless, конечно, перемотали, в Омске есть отличные спецы, но осадочек остался . Вывод: дополнительную защиту от постоянного напряжения на выходе усилителя следует предусмотреть. Вариант с реле в цепи нагрузки не нравится по причинам: - через контакты идёт полный ток нагрузки - для реле нормируется минимальный ток контактов, на малых сигналах возможны искажения - сопротивление замкнутых контактов вне контура ОС снижает демпинг фактор Разработана триггерная защита динамика от постоянного напряжения на выходе усилителя, работает в составе схемы питания усилителя. Схему постарался сделать универсальной и с минимальным количеством элементов. Сигнал с выхода усилителя через интегрирующую цепь R41-C5 поступает на U1 оптрон 814 серии (два инверсно-параллельных инфракрасных светодиода). При постоянном напряжении на выходе усилителя выше ~+-4 вольта транзистор оптопары отрывается и переключает триггер Q19-Q19. Транзисторный ключ Q20 открывается и включает оптопару U2 817 серии, обмотка управления реле RL1 (RT424048 48V 5520oHm 8A/15A Df=10% 4s) подключённая в цепь +57V,R43, Q17ke, -57V обесточивается. Элементы схемы R42-C17 формируют задержку включения ~200мс (на время выключения при срабатывании защиты практически не влияют), диод D7 компенсирует ток самоиндукции обмотки реле при выключении. Схема питания имеет дополнительный вход STBYE для внешнего отключения, замыкание на "землю" (~2ma, 5V, открытый (сток) коллектор). Для защиты от перегрузок применены самовосстанавливающиеся предохранители FU1 FU2 RXE375 3,75A/7A, практичнее плавких, но заявленный ресурс срабатываний 100 раз, злоупотреблять не стоит. Преимущества предложенного мною решения: - выход усилителя непосредственно подключен к нагрузке - действующий ток через контакты реле вдвое меньше нагрузочного - силовое питание снимается при пропадании (падении) одного из плеч - имеем возможность внешнего управления силовым питанием - схема защиты работает при питании от Up=+-24V. Меняются только резисторы (R43=0, R1=1900oHm для Up=24V), для других напряжений значения рассчитывается по формуле R43=(2*Up-48V)/48V*5520oHm, R1=(Up-5.1V)/10ma. И не забываем выбрать мощность этих резисторов. Ссылка на полное описание экспериментального модуля. Имеется с десяток ПП оставшихся после экспериментов. Best regards, Dmitriy Khamuev. Russia, Omsk.