Усилитель мощности CSC-LT v0.3

[finn32]

В связи с тем, что усилитель Евгения Букварева CSC LT пользуется популярностью как на Вегалабе, так и на форуме Паяльника, решено было создать полноценную тему тут, т.к. многие, участвующие в приобретении авторских плат, на Вегалабе не зарегистрированы. В процессе развития проекта  схема претерпела некоторые изменения и на сегодня актуальная версия схемы и платы v0.3, о которой и пойдет речь. Схема большая, потому в PDF, на картинке мелкие детали не видны.

CSC_LT_v0.3_схема (1).pdf

Далее текст- описание от автора. 

Описание

Изначально макет этого усилителя разрабатывался для практического исследования выходного каскада (ВК) на полевых транзисторах, в котором первый каскад был выполнен со следящим питанием, на маломощных низковольтных транзисторах, а второй каскад представлял собой группу параллельно включенных двухтактных истоковых повторителей. Кроме выходного каскада, макетированию подлежал усилитель напряжения с улучшенным коэффициентом ослабления пульсаций источника питания (КОИП), выполненный по комбинированной схеме источника тока Уилсона и составного транзистора Баксандалла. Практические исследования показали хорошие результаты, и было принято решение разработать усилитель мощности.
Окончательная схема усилителя «CSC-LT»показана на рисунке. Схема усилителя разделена на области по назначению. Каждая из областей на схеме подписана.
Рассмотрим «Усилитель мощности». Усилитель питается от одного двухполярного источника напряжением от ±40 до ±60 В, который подключается к разъему XP1 с помощью 40-проводного IDC шлейфа. Сам усилитель выполнен по инвертирующей схеме с использованием входного каскада на операционном усилителе DA1. Коэффициент усиления в диапазоне звуковых частот определяется отношением (R25+R30)/(R21+R24), и составляет 26 дБ (20 раз). Входной каскад охвачен цепью местной ООС R26C8 с частотой среза 190 кГц. Выше этой частоты глубина обратной связи всего усилителя определяется характеристиками его транзисторной части. Частота среза выбрана с одной стороны, из обеспечения большого запаса устойчивости при использовании широкого ассортимента различных ОУ (с граничными частотами от 1 до 30 МГц), а с другой стороны, реализации концепции «малоосного» усилителя, у которого глубина ОООС на частоте 20кГц составляет около 28 дБ, а на частоте 1 кГц – около 54 дБ. Такой глубины ОООС оказалось достаточно, чтобы уровень гармоник и интермодуляционных компонентов не превышал -85 дБн, что достаточно для высококачественного воспроизведения, поскольку указанный уровень гармоник находится за границей чувствительности человеческого слуха вне зависимости от взаимного удаления компонентов полезного сигнала и продуктов нелинейных искажений.
Входной сигнал подается либо на контакты X3÷X5 усилителя в случае использования связи по постоянному току, либо на контакты X7, X8 в случае установки на входе разделительного конденсатора C7. В последнем случае для выравнивания входных токов DA1, резистор R20 желательно установить номиналом 18 кОм. Несколько контактов «земли» (X3, X5, X6) удобно использовать для соединения со входным разъемом посредством шлейфа, либо экранированного кабеля с витой парой внутри.
Усилитель напряжения (УН) выполнен симметричным, поэтому рассмотрим работу его верхнего плеча. Транзистор VT25 включен по схеме с общим коллектором и обеспечивает разгрузку по току выходного каскада микросхемы DA1. Преобразование «напряжение-ток» выполняется на резисторе R44, при этом резистор R47 обеспечивает минимальный остаточный ток в схеме при работе усилителя в режиме ограничения выходного напряжения. Транзистор VT20 включен по схеме с общей базой, и обеспечивает опорное напряжение преобразователя «напряжение-ток». На транзисторах VT19 и VT24 выполнен составной каскад по схеме Дарлингтона с высоким выходным сопротивлением. В схеме использована комбинация трех транзисторов (VT20, VT19, VT24) вместо одного для увеличения выходного сопротивления, что в свою очередь, повышает коэффициент подавления пульсаций питания в УН.

На транзисторах VT17, VT23 и VT29 выполнен преобразователь «ток в напряжение» с нагрузкой в виде параллельно включенных резисторов R59 и R60, причем транзистор VT17 обеспечивает местную обратную связь, задавая ток через резистор R9 около 14 мА (источник тока Уилсона), а транзистор VT23 включен по полезному сигналу по схеме с общей базой, образуя с транзистором VT29 «пару Баксандалла». Подобное схемотехническое решение обеспечивает по сравнению с одиночным транзистором, включенным по схеме с общей базой более точный баланс входного и выходного токов и, как следствие, лучший КОИП. В результате моделирования схемы был получен КОИП около 50 дБ в диапазоне частот до 20  кГц и лучше 40 дБ на частотах до 5 МГц. Такие же результаты были получены на макете в ходе исследования схемотехнического решения. По сравнению с ним, типовое решение (т.н. «ломаный каскод», содержащий единственный транзистор, включенный по схеме с общей базой), имеет КОИП 25 и 20 дБ соответственно. Повышенное значение КОИП оказывается практически полезным при питании усилителя от одного источника питания, позволяя избавиться от дополнительных RC-фильтров. На микросхеме VD18 выполнен источник смещения транзисторов выходного каскада усилителя. Транзистор VT31 является датчиком температуры и погружается с термопастой в подошву охладителя. Резистор R48 регулирует ток покоя. С увеличением сопротивления этого резистора ток покоя также увеличивается. Стабилитрон VD17 выполняет защитные функции, ограничивая максимально возможный ток покоя усилителя. ВК является двухтактным, двухкаскадным (биполярно-полевая «двойка»). Первый каскад ВК выполнен на транзисторах VT32VT33, нагруженных на источники тока VT34VT36 и VT35VT37. Эти источники тока питаются через цепи«OSCS_p» и «OSCS_n». Конденсатор С22 обеспечивает совместную работу транзисторов VT32 и VT33 на высоких частотах и при резких изменениях выходного напряжения. На транзисторах VT38÷VT43 выполнены истоковые повторители (второй каскад ВК). Транзисторы VT32 и VT33 погружаются с термопастой в подошву охладителя.
Узел «питание и блокировка» предназначен для формирования напряжений питания микросхемы DA1, а также токов питания УН и ВК (цепи «VACS_p» и «VACS_n», «OSCS_p»,«OSCS_n»). Схема питания состоит из двух источников тока величиной около 7 мА, выполненных на транзисторах VT1,VT3, VT2, VT4,R1, R2 и нагруженных на стабилитроны VD2÷VD4. На транзисторах VT5÷VT8 реализованы вспомогательные источники тока, питающие УН, ВК, а также обеспечивающие дополнительный ток порядка 10 мА, необходимый для питания микросхемы DA1. Таким образом, ток потребления по цепям «+15V» и «-15V» может достигать 15 мА, чего достаточно для широкого ассортимента операционных усилителей. На транзисторах VT9 и VT10 выполнен вспомогательный источник тока величины 0,5 мА, управляемый от системы защиты. В нормальном состоянии этот источник выключен, и включается только на этапе пуска усилителя, либо при срабатывании защиты от перегрузки.
Узел «пуск, защита» состоит из нескольких функциональных частей. Защита представлена датчиком области безопасной работы (ОБР) транзисторов ВК, выполненном на транзисторных оптронах U2, U3, резисторах R86÷R91 и диодной сборкой VD19. Входами датчика ОБР являются напряжения с резисторов R84,R85 и напряжения питания ВК. На транзисторе VT44 выполнен усилитель выходного тока оптронов, для быстрого разряда конденсатора C36. На транзисторах VT45 и VT36 выполнен ключ с высоким входным сопротивлением и гистерезисом. Резистор R97 ограничивает ток в выходной цепи ключа, а резисторы R93 и R94 определяют максимальное напряжение на его входе. В выходной цепи ключа расположены: оптрон U4 дистанционного включения усилителя, оптрон U5 управления режимом УН и оптрон U6 индикации нормального режима работы схемы. Дистанционно усилитель включается подачей напряжения 3,3÷5 В на контакты X11 X12. При исправном состоянии, через светодиод оптрона U6 течет ток, и между контактами X13 X14 (цепи «+PA_OK» и «-PA_OK») – низкое сопротивление открытого оптотранзистора. При отсутствии необходимости в дистанционном управлении режимом усилителя, оптрон U4 можно не устанавливать, а выводы 3 и 4 микросхемы (выводы фототранзистора) замкнуть на плате перемычкой. Также, если нет необходимости в оптроне U6, то можно его не устанавливать, и замкнуть на плате между собой его выводы 1 и 2 (выводы светодиода), либо установить вместо оптрона U6 светодиод зеленого цвета. Защита в усилителе не триггерного, а «тикающего» типа. При срабатывании датчика ОБР, конденсатор С36 быстро разряжается, транзистор VT46 закрывается, VT8,VT10, VT15VT16 открываются, а выходные транзисторы УН VT29 иVT30 закрываются. Конденсатор С36 начинает медленно заряжаться. Через некоторое время, напряжение на конденсаторе С36 достигает порога открывания VT46, и усилитель включается снова. При постоянной перегрузке наблюдается режим периодического включения усилителя на короткое время, или «тикающий» режим. 
Узел «ограничитель, клип» выполняет функции ограничения выходного напряжения УН и индикации достижения амплитуды выходного напряжения порогового значения. Транзистор VT11 (VT12) включен по схеме повторителя напряжения смещения, формируемого цепочкой диодов VD9, VD11. Диод VD7 подключен к выходу УН. Как только положительная полуволна напряжения на выходе достигает напряжения открывания диода VD7, выходной ток УН начинает течь через транзистор VT11, ограничивая выходное напряжение на выходе УН. Одновременно с этим открывается транзистор VT13, и через светодиод оптрона U1 начинает течь ток индикации ограничения выходного напряжения («клипа»). Ограничение отрицательной полуволны происходит аналогичным образом, только открывается транзистор VT14. Режим ограничения можно определить на контактах X1 и X2. При необходимости, вместо оптрона можно установить сверхяркий светодиод красного цвета. 

Конструкция.
Усилитель выполнен на "узкой" плате, которая вместе с выходными транзисторами имеет ширину 70 см, и пригодна для установки в корпус высотой от 2u (при соответствующем охладителе). Длина платы CSC-LT - 180 мм. ТранзисторыVT31, VT32 и VT33 погружается с термопастой в подошву охладителя. Транзисторы VT36÷VT43 устанавливаются через теплопроводящие изолирующие прокладки.

Настройка.

Настройка в принципе простая. Собрал-включил - работает - подстроил ток покоя.
Чем точнее проверяете компоненты, качество пайки и правильность сборки, тем выше вероятность успеха.
Если есть желание не рисковать, то можно собирать частями:
1 этап - узлы "Питание и блокировка", "Ограничитель, клип" и "Пуск, защита". Коллекторы VT5, VT6 и VT7, VT8 временно вешаете через резисторы 1 кОм на соответствующие рельсы питания. Включаете напряжения, проверяете, что токи верные (на резисторах 1 кОм, которые идут к рельсам), напряжения на стабилитронах VD1-VD4 - тоже.
2 этап - Источник тока ВК, ИОН и первый каскад ВК. Выход усилителя временно закорачиваете на общий, от цепей "VA_out_HI" и "VA_out_LO" на рельсы временно вешаете резисторы 0,5 Вт 3,6 кОм. Ставите детали ИОН, VT32, VT33 с обвязкой, VT34-VT37 с обвязкой. Демонтируете два резистора 1 кОм, ранее установленных от VT5 и VT6 на рельсы. Проверяете источники тока, режим первого каскада ВК, напряжение ИОН.
В конце выставляете переменным резистором минимальное напряжение ИОН. 
3 этап УН+ВК. Собираете все от выхода ОУ до выхода усилителя. Убираете все оставшиеся ранее запаянные вспомогательные резисторы и перемычку замыкания выхода усилителя на землю. ОУ пока не устанавливаете, а проводком закорачиваете его вывод 6 (выход ОУ) на общий.
Включаете и проверяете все режимы по постоянному току, заодно - разбаланс плеч УН понапряжению на резисторах R59, R60.
Эту процедуру можно производить под вентилятором, не устанавливая плату уся на радиатор.
4 этап. Монтируете все остальное, убираете все перемычки, ставите плату на радиатор. Включаете. Проверяете постоянку на выходе при закороченном входе. Выставляете ток покоя. Проверяете на переменном напряжении. Клип, полосу, и т. д.
Имитируете срабатывание защиты, замкнув выходы U2 (U3).
Замены.
Выходные транзисторы должны быть оригинальными.
VT36 иVT37 можно заменить на IRF9620-9640 и IRF620-640 соответственно.
ОУ должен быть с малым значением входного тока. Предпочтительнее использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе. Хорошие результаты показал 544УД1 и LF356. Из биполярных ОУ хорошие результаты получились с инструментальным 140УД26 и NE5534. В зависимости от типа выбранного ОУ можно собрать схему подстройки смещения R28 R29 R32 R33. Обычно она не требуется, и эти компоненты не устанавливаются.

Фото собранных плат версии 3 пока нет, есть фото модели из када, для облегчения сборки.

Спектр интермодуляции, снятый на аппаратуре AP.

Сверловка радиатора в pdf

CSC_LT_Рассверловка_радиатора (1).pdf

Список деталей на 1 плату УМ.

CSC_LT_v0.3_bom.xlsx

 

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[finn32]

Резерв.

 

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[finn32]

Резерв.

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[finn32]

Готовы к набивке.

[finn32]

В помощь собирающим. Видны номиналы.

[Vadim 161]

Блин, по правде говоря, не так интересна схема, как трассировка ПП  

P.S. У меня б правда не хватило терпения б паять smd менее 1206, от того и преимущественно на трухолах все трассирую.

[finn32]

Трасса действительно интересная.

Благодаря Евгению, я немного освоился с такой топологией и применил похожее решение в Криптоне и Параллаксе. Скоро приедут платы на новый проект с подобной трассировкой.

В трухоле , применяя такую топологию ПП, трудно оставаться в небольших габаритах.

Пайка СМД, как по мне, проще пайки трухолов и быстрее. Ну, если зрение не подводит и руки не трясутся,конечно. 

 

[IgorZ56]

Есть платы на продажу?

[bukvarev]

Пока платы закончились. Если со временем наберется группа желающих - сделаю дозаказ.

[vredny_ded]

Евгений, два вопроса :
1. Какой программой для разводки пользуетесь (DipTrace?) и почему?
2. Видно что на плате достаточно места и для смд 1206, зачем было делать под 0805? (просто такие были..)
 

[bukvarev]

Пользуюсь Altium designer. Она имеет удобный сервис по контролю и проверке правил проекта.

Типоразмеры для любительских конструкций выбираю 0805. Там, где есть ограничения по мощности и напряжению, беру нужный элемент большего типоразмера. А по работе использую все размеры, от 0201.

[finn32]

2 платы собраны и запущены, все штатно. Требуется регулировка только тока покоя и нуля на выходе.

На подходе еще 2.

 

[Dima.g]

Почему Евгений применил такие мелкие 10n шунты опера? На свой вкус, замена  на 1мкф pps очень интересней.

[25602]

По всему, видимо, что NP0 на большие номиналы трудно доставаемые, а от большего номинала толк будет мало заметен при С1/2 достаточно хорошего качества.

[finn32]

На 0.1 мкФ вполне доставаемые. На 1 мкФ я, например, не видел таких. 

Вместо литов не лучше ли тантал применять небольших емкостей?

[Gena Kharlip]

Можно вообще гибриды использовать типа EEHZA1E331P

[Gena Kharlip]

Запустил сегодня комплект. Все  номиналы по BOMу( 3503/1381 подобраны, истоковые 0R22). Без приключений. Скучно.
Можно переносить на нормальный радиатор. Для первого включения использовал ал. полосу 8х13х1см, да и то ТП на пару 65 мА накрутил.

Про звук сказать ничего не могу, максимум крутил генератор на эквивалент. Все еще впереди.
Евгению Буквареву зачет!

[finn32]

Без приключений- это хорошо. Детали нынче дорогие.

[Gena Kharlip]

30 минут назад, finn32 сказал:

Детали нынче дорогие.

Ну, все приемлемо на канал << 4000р с ПП.
Докупал транзисторы ВК и редко используемые тр-ры термо +радиаторы УНа(а,  забыл,  4148 в sot-23), остальное из тумбочки.

[finn32]

Я имею ввиду,что спали ты ВК, не дай Бог,было бы ощутимо и неприятно. Поэтому скучно= стабильно и хорошо. Главное- это не накосячить при сборке и делать входной контроль компонентов. При возне с мелочью особенно актуально.

[Димитрий А]

В 19.11.2023 в 21:01, Gena Kharlip сказал:

Про звук сказать ничего не могу, максимум крутил генератор на эквивалент.

Я так думаю, что послушать уже получилось. Как ощущения?

[Gena Kharlip]

Домотал трансформатор 4х42В- 3А.
Пока нет, борюсь с нулем на выходе с разной нагрузкой . 
Еще играться нужно с лимитером, ограничение начинается при 30В RMS(84V p-p) на выходе. Малавато будет.

[finn32]

34 минуты назад, Gena Kharlip сказал:

Пока нет, борюсь с нулем на выходе с разной нагрузкой

Это как?

[Gena Kharlip]

вход замкнут, на выходе 820 ом, выставил 0. подключаю нагрузку 3,9ом опаньки -190мВ, подкручиваю, ок. Меняю нагрузку на 7,8ом - постоянка 60мВ. Шайтан.  Подкручиваю. Опять 0.  меняю на 3,9Ом снова 60 мВ.  Замена опера принципиально не меняет картинку.

[finn32]

С конденсатором на входе или без?

При разомкнутом входе как?