2625 Wzmacniacz multimedialny HEXFET_1.pdf

Projekty AVT

Wzmacniacz multimedialny

HEXFET o szybkosci 80V/

2625

część 1

Prezentowany projekt powstał z potrzeby

chwili. Z komputerem mojego syna współ−

pracował typowy „multimedialny” wzmac−

niacz z dwiema kolumienkami.

Oczywiście na pudełku było napisane, że

moc (PMPO) wynosi 200W. Rzeczywista

moc wynosiła co najwyżej 2x2W, bowiem

dołączony zasilacz wtyczkowy miał moc 5W.

Ojakości dźwięku wydobywającego się

z maleńkich głośników umieszczonych

w plastikowych pudełkach nie można rzecz

jasna powiedzieć ani jednego dobrego słowa.

Oile mój syn przez czas jakiś używał, te−

go koszmarnego zestawu do słuchania empe−

trójek ja, będąc mimowolnym świadkiem te−

go procederu, nie zdzierżyłem i zabrałem się

za projektowanie wzmacniacza. Pomysł był

tym bardziej sensowny, że w domu stały nie−

używane od kilku lat zupełnie przyzwoite

trójdrożne 50−watowe tonsilowskie kolumny.

Wykonanie wzmacniacza w oparciu o jakąś

„samochodową” kostkę, na przykład popular−

ną i tanią TDA1554 byłoby dziecinnie łatwe.

Zdecydowałem się jednak pójść zupełnie inną

drogą. Wielu co bardziej wrażliwych użyt−

kowników skądinąd dobrych i nad wyraz po−

żytecznych wzmacniaczy „samochodowych”

przekonało się, że ich brzmienie nie jest za−

chwycające. Porównanie zinnymi wzmacnia−

czami scalonymi, jak choćby znanymi ipopu−

larnymi kostkami LM3886 czy TDA7294,

pokazuje zdecydowaną wyższość tych ostat−

nich, ito nie tylko jeśli chodzi omoc wyjścio−

wą, ale także o jakość dźwięku.

Wykluczyłem więc scalone wzmacniacze

samochodowe. Pozostały inne wzmacniacze

scalone, ale i te odrzuciłem. Postanowiłem

wykonać wzmacniacz na słynnych tranzysto−

rach HEXFET. Nazwa HEXFET, znana wszy−

stkim miłośnikom techniki audio, dla wielu

jest synonimem znakomitej jakości dźwięku.

Co ciekawe, wiele osób wyobraża sobie, że te

tranzystory to jakieś unikalne audiofilskie ele−

menty, produkowane specjalnie do zastoso−

wań audio. Tymczasem rzeczywistość jest du−

żo bardziej prozaiczna: HEXFET−ami nazywa

się popularne i stosowane w wielu najróżniej−

szych urządzeniach tranzystory MOSFET,

produkowane przez firmę IRF (International

Recrifier). We wzmacniaczach mocy audio,

zarówno amatorskich, jak i profesjonalnych,

najczęściej stosowane są tranzystory IRF540

i IRF9540, odpowiednio z kanałem N i P.

Zastanawiając się nad potrzebami dosze−

dłem do zadziwiającego swą prostotą wnio−

sku, że tak naprawdę, do współpracy z kom−

puterem w warunkach domowych potrzebuję

wzmacniacza o całkowitej mocy ciągłej nie

przekraczającej 10W(2x5W). Dobrze byłoby

przy tym, żeby dla dobrego przenoszenia im−

pulsów chwilowa moc szczytowa, a tym sa−

mym moc muzyczna, była 2...4 razy większa.

Aby uzyskać moc 5W na oporności ko−

lumny (8

koncepcję. Tranzystory HEXFETzapewniają

znakomite parametry wyjścia, natomiast

wzmacniacz operacyjny pozwala w prosty

sposób zrealizować część sterującą. Wzmoc−

nienie całości wyznaczone jest przez rezysto−

ry R A , R B .

Aby radykalnie zredukować wpływ tęt−

nień napięcia zasilania, zdecydowałem się za−

silać część sterującą układu napięciem stabili−

zowanym. Przy zasilaniu napięciem ±18V na

wyjściu wzmacniacza operacyjnego można

uzyskać niezniekształcony przebieg o ampli−

tudzie ±16,5... ±17V. Rzecz jednak w tym, że

do otwarcia typowego tranzystora MOSFET

mocy potrzebne jest napięcie bramka−źródło

rzędu 5V, a nawet 6V. Oznacza to, że na wyj−

ściu można byłoby uzyskać przebieg oampli−

tudzie co najwyżej ±10...±11V.

), amplituda przebiegu sinusoidal−

nego powinna wynosić 9V. Dla uzyskania kil−

kakrotnie większej mocy muzycznej, maksy−

malna amplituda przebiegu wyjściowego po−

winna być większa niż, powiedzmy, 15V. Te

podstawowe informacje są potrzebne do okre−

ślenia parametrów zasilacza oraz napięć zasi−

lających. Po sprawdzeniu oferty rynkowej

ustaliłem, że układ będzie zasilany zfabrycz−

nego zasilacza omocy 10...20W, akonkretnie

z zasilacza AC/AC 12V 1,5Afirmy Tatarek.

Rys. 1 Koncepcja

Ponieważ zasilanie wszystkich obwodów

sterujących napięciem ±18V, dopuszczalnym

dla typowych wzmacniaczy operacyjnych,

ograniczyłoby poważnie amplitudę sygnału

wyjściowego, a tym samym moc, zastosowa−

łem w układzie dodatkowe źródła prądowe,

zasilane wyższym napięciem stabilizowanym.

Uproszczony schemat wzmacniacza, pokazu−

jący kluczowe obwody jest pokazany na ry−

sunku 2 . Prąd (jednakowych) źródeł prądo−

wych przepływając przez rezystory R C , R D

wywołuje na nich spadek napięcia. Jest on tak

dobrany za pomocą potencjometru, żeby

Opis układu

Po analizie kilku różnych wariantów zdecydo−

wałem się na nietypowe rozwiązanie,

w którym para wyjściowych tranzystorów

HEXFET będzie sterowana za pomocą

wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 1 poka−

zuje w największym uproszczeniu przyjętą

Elektronika dla Wszystkich

Marzec 2002

Projekty AVT

przez tranzystory płynął prąd spoczynkowy

o określonej wartości. Dzięki zasilaniu źródeł

prądowych wyższym napięciem (24V), na

głośniku można uzyskać niezniekształcony

przebieg o amplitudzie takiej, jak na wyjściu

wzmacniacza operacyjnego. Aby uniknąć nie−

potrzebnych strat mocy, tranzystory są zasilane

napięciem niestabilizowanym owartości mniej

więcej takiej, jak spodziewana amplituda

przebiegu zmiennego z wyjścia wzmacniacza.

Aby w możliwie prosty sposób uzyskać

wymagane napięcia, zdecydowałem się na

zastosowanie zasilacza napięcia zmiennego.

Z pojedynczego napięcia zmiennego

12V...15V można z powodzeniem uzyskać

wszystkie napięcia potrzebne do zasilania

wzmacniacza. Można też wykorzystać trans−

formator z podwójnym uzwojeniem dający

napięcia zmienne 2x (12...15V).

Schemat ideowy układu pokazany jest na

rysunku 3 . Na rysunku pokazano jeden

zdwóch kanałów oraz wspólny zasilacz. Ele−

menty wdrugim kanale mają analogiczną nu−

merację, tylko z dodatkową literą A (brak

tam tylko diod Zenera D9, D10, które są

wspólne dla obu kanałów).

Napięcie z uzwojenia transformatora jest

prostowane jednopołówkowo: dioda D1 prze−

puszcza dodatnie połówki, natomiast dioda

D3 – ujemne. Na kondensatorach C1, C2 oraz

C3, C4 uzyskuje się napięcie niestabilizowane

do zasilania tranzystorów mocy. Diody D5,

D6 i kondensatory C5, C6 tworzą podwajacz

napięcia dodatniego. Analogicznie D7, D8,

C7, C8 to podwajacz napięcia ujemnego. Po

testach pierwszego modelu celowe okazało się

dodanie rezystora ograniczającego R18, który

zmniejsza napięcie na wejściach stabilizato−

rów U1, U2 z prawie ±45V do około

±27...±35Vitym samym zmniejsza straty mo−

cy wstabilizatorach. Dzięki niemu stabilizato−

ry z powodzeniem mogą pracować bez radia−

torów, akondensatory C5...C8 nie muszą mieć

napięcia nominalnego większego niż 40V.

Należy zauważyć, że układ będzie pracował

poprawnie tylko przy podłączeniu uzwojenia

wtórnego transformatora do punktów R, S.

Punkt T i diody D2, D4 są przewidziane na

wszelki wypadek, do wersji zasilanej napię−

ciem podwójnym 2x(12...15VAC).

Na wyjściach stabilizatorów U1, U2 uzy−

skuje się napięcie symetryczne ±24V.

W układzie celowo zastosowałem stabiliza−

tory LM317/337 zamiast 7824, 7924. Mając

do dyspozycji napięcie odniesienia (1,25V)

między wyjściem, a końcówką ADJ stabili−

zatorów LM317/337, zrealizowałem dwa

źródła prądowe w najprostszy sposób, za po−

mocą tranzystorów T1, T3.

Ewentualne drobne różnice prądów obu

źródeł, wynikające z rozrzutu napięć odnie−

sienia stabilizatorów oraz tolerancji rezysto−

rów R13, R14 nie mają znaczenia, bo zosta−

ną skompensowane przez wzmacniacz opera−

cyjny, który stara się utrzymać wyjściowe na−

pięcie spoczynkowe bliskie zeru.

Prąd źródeł prądowych płynie przez rezy−

story R9, R10 i wywołuje na nich spadek na−

pięcia, potrzebny do wstępnego otwarcia

tranzystorów T6, T7, by bez sygnału płynął

przez nie prąd spoczynkowy o potrzebnej

wartości. Ważne jest, że część prądu ze źródeł

prądowych płynie też przez potencjometr

PR1 i przez tranzystor T2. Ten potencjometr

i tranzystor pełnią bardzo ważną rolę. Pro−

blem w tym, że napięcie progowe tranzysto−

rów MOSFET zmienia się pod wpływem

zmian temperatury. Bez właściwej kompensa−

cji tranzystory podczas pracy nagrzewałyby

się coraz bardziej, wzrastałby prąd spoczyn−

kowy i po paru minutach pracy wzmacniacz

przestałby pełnić swą funkcję, a przy znacz−

nej mocy zasilacza mógłby nawet ulec prze−

grzaniu. Wzrost temperatury MOSFET−aprzy

stałym napięciu bramka−źródło powodowałby

bowiem duży wzrost prądu spoczynkowego.

Zapobiega temu tranzystor T2, który musi

być umieszczony na radiatorze, w pobliżu

któregoś ztranzystorów mocy. Wzrost tempe−

ratury tranzystorów mocy powoduje też

wzrost temperatury tranzystora T2. Tym sa−

mym zmniejsza się jego napięcie przewodze−

nia U BE – wpraktyce oznacza to wzrost prądu

płynącego przez T2. Jeśli prąd T2 wzrasta,

przez R9, R10 płynie mniej prądu i napięcie

na tych rezystorach zmniejsza się. Zmniejsza

się więc napięcie bramka−źródło MOSFET−

ów i ich prąd spoczynkowy, niezależnie od

temperatury, pozostaje praktycznie taki sam.

Rys. 2 Zasada działania

Rys. 3 Schemat ideowy

Marzec 2002

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

Kluczem do sukcesu jest tu dobranie wła−

ściwych proporcji, co osiąga się głównie

przez ustalenie właściwej wartości R9 i R10

oraz prądu źródeł prądowych.

Prąd źródeł prądowych jest dość duży –

około 10mA. Możliwie duża wartość prądu,

atakże duża wydajność wyjścia wzmacniacza

operacyjnego, są tu korzystne ze względu na

dużą pojemność wejściową tranzystorów, wy−

noszącą w sumie około 2nF. Co prawda po−

jemności tej nie trzeba całkowicie przełado−

wywać, bo tranzystory pracują na liniowym

odcinku charakterystyki, jednak dla dobrego

przenoszenia impulsów wydajność prądowa

całego stopnia sterującego bramkami

MOSFET−ów powinna być jak największa.

Ważną funkcję pełnią też kondensatory

C15, C16 włączone równolegle do R9 i R10

– one też znacznie polepszają właściwości

impulsowe wzmacniacza.

Rezystory R15, R16 polepszają dodatko−

wo stałość prądu spoczynkowego, a wraz

z tranzystorami T4, T5 tworzą obwód zabez−

pieczenia przeciwzwarciowego. Wartość

R15, R16 wyznacza prąd zwarcia – przy war−

tości 0,1

z popularnymi wzmacniaczami TL071. Po

wstępnych próbach dodałem kondensatory

C15, C16 i zmodyfikowałem nieco obwody

zasilania (m.in. dodając rezystor R18).

Parametry okazały się zupełnie przyzwoi−

te i w zasadzie nie pozostało nic innego, jak

zamknąć wzmacniacz w obudowie i podłą−

czyć do komputera. Ze wspomnianego zasila−

cza AC 12V/1,5A uzyskałem na obciążeniu

nie szybszą − LF357. Zwłaszcza ten ostatni

wzmacniacz budził pewne nadzieje. Wersja

LM257 ma bowiem dopuszczalne napięcie za−

silania wynoszące ±22V. W układzie mostko−

wym po drobnych modyfikacjach udałoby się

więc uzyskać na głośniku napięcie szczytowe

około ±40V, co przy obciążeniu 8

moc 2x10W (sinus), pasmo sięgnęło po−

nad 40kHz, szybkość wynosiła około 4V/

moc ciągłą 100W, a na 4Ω − 200W!

Okazało się jednak, że opracowana bardzo

dawno kostka LF357 ma niesymetryczne cha−

rakterystyki wyjścia i niezbyt dobrze spraw−

dza się w takim zastosowaniu. Wprawdzie

szybkość wzmacniacza polepszyła się znacz−

nie, jednak przy sygnale prostokątnym dużej

częstotliwości dolne połówki przebiegu wyj−

ściowego były zniekształcone przez spore

przerzuty. Górne połówki przebiegu były

wzmacniane prawidłowo. Wobec trudności

z korekcją tak zdeformowanego sygnału,

odrzuciłem pomysł wykorzystania dość szyb−

kiej i bardzo taniej kostki LF357(LF257).

Chcąc osiągnąć jak najlepsze wyniki

w końcu sięgnąłem po kolejny wzmacniacz

operacyjny. Od dłuższego czasu leży u mnie

i czeka na publikację wzmacniacz−bufor wi−

deo ze wzmacniaczem operacyjnym AD817.

Włożyłem więc do układu kostkę AD817 i...

zamurowało mnie.

Szybkość zmian na wyjściu wzmacniacza

wzrosła do rewelacyjnej wartości 80V/

Postawione zadanie zrealizowałem z po−

wodzeniem.

Wiedziony ciekawością postanowiłem

jednak zadać sobie dodatkowy (pozornie nie−

potrzebny) trud i sprawdzić działanie z inny−

mi wzmacniaczami operacyjnymi. Dodałem

też na wejściu blok odwracania fazy i zbudo−

wałem wzmacniacz mostkowy, by spraw−

dzić, jaką moc maksymalną można „wydu−

sić” z układu.

I zaczęło się!

Zgodnie zoczekiwaniami wzmacniacz mo−

stkowy pozwolił uzyskać moc rzędu kilkudzie−

sięciu watów, przy czym układ był zasilany

z transformatora toroidalnego 2x12V/200W.

Moc szczytowa wyniosła 65Wna 8

prąd zwarcia wynosi około 5...6A.

Oporność tych rezystorów można śmiało

zwiększyć do 0,22Ω , bo w układzie podsta−

wowym prąd szczytowy nie przekroczy 2A.

Przy niewielkim zasilaczu obwód zabezpie−

czenia przeciwzwarciowego nie jest koniecz−

ny, bo zasilacz nie da tak dużego prądu nawet

w stanie zwarcia.

Diody Zenera D9, D10 zmniejszają napię−

cie zasilające do około ±18V, dopuszczalnego

dla większości wzmacniaczy operacyjnych.

Kondensatory C11, C12 są przewidziane tylko

po to, by zmniejszyć reaktancję obwodu zasi−

lania dla najwyższych częstotliwości, co też

poprawia parametry impulsowe wzmacniacza.

Obwód sprzężenia zwrotnego zrezystorami

R7, R8 i kondensatorem C10 jest klasyczny.

Wzmocnienie ma wartość typową dla wzmac−

niaczy mocy i wynosi 22x (26dB). Obwód

C17, R17, wyrównujący przebieg charaktery−

styki wzakresie częstotliwości ponadakustycz−

nych, został dodany po testach modelu.

Sygnał jest podawany na punkt A i przez

kondensator C9 przechodzi na wejście nieod−

wracające wzmacniacza operacyjnego. Rezy−

stor R5 dodany jest na wszelki wypadek, że−

by zwiększyć stabilność układu. Prąd polary−

zacji wejścia płynąc przez rezystor R6 wywo−

łuje na nim spadek napięcia. Spadek ten nie

powinien być większy od 0,1V – trzeba pa−

miętać, że na głośniku pojawi się takie napię−

cie stałe, jakie panuje na wejściu nieodwraca−

jącym wzmacniacza operacyjnego.

, a ciągła

sinusoidalna – 50W. W pierwszej chwili nie

wydało się to osiągnięciem godnym uwagi, bo

z układu stereofonicznego wyszedł wzmac−

niacz mono, nie mający żadnych rzucających

na kolana parametrów.

Niezależnie od tego sprawdziłem działa−

nie wzmacniacza z układami OP27, OP37

oraz z bardzo popularną kostką NE5532.

Wzmacniacze OP27, OP37 nie dały radykal−

nie lepszych efektów. Kostka NE5532 na

pierwszy rzut oka wydawała się lepsza od

TL071, bo jest przeznaczona specjalnie do

zastosowań audio i ma większą wydajność

prądową wyjścia. Specjalnie przerobiłem

układ, przecinając ścieżki i dodając elementy

i połączenia. Jeden ze wzmacniaczy tej

podwójnej kostki pracował jako bufor, drugi

pełnił swą główną rolę w opisywanym urzą−

dzeniu. Okazało się jednak, że przy zastoso−

waniu układu NE5532 trzeba w istotny spo−

sób modyfikować obwód sprzężenia zwrot−

nego, bo układ miał silną skłonność do sa−

mowzbudzenia, a po dodaniu obwodu kom−

pensacji w charakterystyce w zakresie naj−

wyższych częstotliwości pojawiły się nie−

równości. Oznaczało to spore utrudnienia,

a przy tym ani pasmo, ani szybkość wyjścio−

wa nie polepszyły się w znaczącym stopniu.

Sprawdziłem też działanie wzmacniacza

zpopularnymi kostkami LF356 iwersją znacz−

A pasmo przy małych sygnałach sięgnęło

niewyobrażalnej dla wzmacniaczy mocy czę−

stotliwości 1MHz! Dzięki starannemu dopra−

cowaniu tej nowoczesnej, a przy tym stosun−

kowo taniej kostki, nie było kłopotów z prze−

rzutami ani oscylacjami. Żeby całkowicie

wyeliminować wpływ pojemności montażo−

wych i innych subtelnych czynników, doda−

łem obwód korekcyjny C17, R17, dzięki cze−

mu uzyskałem wręcz rewelacyjne wyniki. Na

fotografiach 1...3 widać przebiegi prostokąt−

ne o częstotliwościach kolejno 2kHz, 20kHz

i 200kHz i amplitudzie 11,5Vpp, występują−

ce na wyjściu. Po obciążeniu wyjścia głośni−

kiem zmiana kształtu przebiegu jest niewiel−

ka, wręcz bez znaczenia.

Tak znakomity wynik zachęcił mnie do

wypróbowania układu mostkowego zkostka−

mi AD817 w obu gałęziach. Również i tu

wyniki były zachwycające, ajedynym kłopo−

tem okazało się wykonanie obwodu odwra−

cania fazy o odpowiedniej szybkości.

Eksperymenty w tym zakresie wykroczy−

ły jednak poza ramy niniejszego projektu

iartykułu. Przyznam, że uzyskane wyniki za−

skoczyły mnie nad wyraz pozytywnie i roz−

ważam możliwość zaprezentowania w przy−

szłości kolejnego wzmacniacza, o większej

mocy, zbudowane−

go według opisanej

koncepcji.

Wzmacniacz operacyjny

Podczas projektowania schematu nie zastana−

wiałem się, jaki wzmacniacz operacyjny bę−

dzie pracował w układzie. Po zmontowaniu

modelu i ustawieniu prądów spoczynkowych

przede wszystkim wypróbowałem działanie

Fot. 1...3 Przebiegi

Ciąg dalszy w EdW 4/02.

Piotr Górecki

Elektronika dla Wszystkich

Marzec 2002

oznacza

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: