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晶體管15W甲類功率放大器

作者: 時間:2012-03-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、 電路原理與特點(diǎn)

1.功放部分(見圖1)

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  由VT1、VT2組成差動放大電路,每管靜態(tài)電流約為0.5mA。R3為VT1的集電極負(fù)載電阻,VT1與推動級VT4之間為直接耦合。輸出級由兩只型號相同的NPN型大VT5、VT6組成,而沒有采用互補(bǔ)對稱推挽電路。輸出管VT6對于負(fù)載(揚(yáng)聲器)來說是共發(fā)射極電路,而VT5則是射極輸出電路,因此是不對稱放大。但實(shí)驗(yàn)測試表明,整個放大電路在取消大環(huán)負(fù)反饋(將R5短路)時的開環(huán)失真卻很小,而且主要是偶次諧波失真。這個功勞應(yīng)該歸功于推動級電路。推動電路是本機(jī)最具特色的電路,它的作用和效果與傳統(tǒng)的RC自舉電路相比,有過之而無不及。VT4為集-射分割式倒相電路,分別由其集電極和發(fā)射極輸出一對大小相等、方向相反的信號。VT4對于輸出管VT6來說為射極輸出電路,電壓放大倍數(shù)小于1。從VT4集電極輸出的信號通過交流電阻很小的發(fā)光二極管VD1,加到輸出推動管VT3的基極。VD1的正向?qū)▔航导s為1.9V左右,可看作一個噪聲很小的穩(wěn)壓二極管,它使得VT3的發(fā)射極電阻R7兩端的直流電壓UEC基本不變,約比VD1的穩(wěn)壓值小0.7V。對交流信號而言,R7是與VT3的發(fā)射結(jié)電阻相并聯(lián)的。VT3和VT5組成同極性達(dá)林頓式復(fù)合管。因此推挽放大的上臂是由一級共射放大電路(VT4)和二級射極輸出電路(VT3、VT5)構(gòu)成的, 而推挽電路的下臂是則由一級射極輸出電路(VT4)和一級共射放大電路 (VT6)構(gòu)成,可見是不對稱的推挽放大電路。故在選擇放大管時,這幾只管子的電流放大系數(shù)也不必配對。 這一點(diǎn)在工廠大批量生產(chǎn)時尤為重要,可以大大降低成本。該樣機(jī)各管β值如下:β1=β2=110, β3=50,β4=90,β5=70,β6=90。也就是說,要把β值較大的管子優(yōu)先安排為VT4和VT6。該功放電路的開環(huán)電壓放大倍數(shù)約為504,閉環(huán)電壓放大倍數(shù)由R4和R5決定, 約為15.7。推挽放大電路的理論最高效率為50%,該樣機(jī)實(shí)測最大不失真輸出電壓的有效值為11V,折合成輸出約為15W(8Ω),靜態(tài)功耗約為40W,因此最高效率為37.5%。當(dāng)無信號輸入時,效率為零,40W功率幾乎全部消耗于兩只輸出管上,因此要加上足夠面積的散熱器,并且保證通風(fēng)情況良好。
  總之,該功放有以下特點(diǎn):(1)功率輸出管的電流放大系數(shù)不需配對;(2)用筆者設(shè)計(jì)的推動電路取代了傳統(tǒng)的自舉電路,頻率響應(yīng)好;(3)輸出電壓幅度大;(4)電路簡單、調(diào)整容易、便于制作。
2.穩(wěn)壓電源部分(見圖2)

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  由于功放為OCL電路,輸出端與揚(yáng)聲器直接耦合,故一般應(yīng)加裝延時保護(hù)電路,但由于該機(jī)采用了具有短路保護(hù)及軟啟動功能的±17V雙路穩(wěn)壓電源,故省略了這部分電路。正負(fù)穩(wěn)壓電路均采用集電極輸出式調(diào)整電路,效率高且具有短路保護(hù)功能,但不能夠自啟動。VT7、VT9組成復(fù)合電源調(diào)整管。VT11為取樣放大管。由于VT11的基極接地,故發(fā)射極電位必須為-0.7V才能使它工作于放大狀態(tài)。所以R19的下端不能接地,而是接至-17V。所以,如果萬一負(fù)輸出電源對地短路,將會使 VT11的發(fā)射極與基極間的電壓為零,從而使VT11截止,這樣調(diào)整管VT9、VT7因得不到基極電流也截止,結(jié)果使得正輸出電源電壓為零。由于正、負(fù)穩(wěn)壓電路是對稱的,故當(dāng)正電源對地短路時,也會使負(fù)電源電壓為零。功放電路的輸出端省卻了揚(yáng)聲器保護(hù)電路的原因也在于此,萬一有一只輸出管發(fā)生擊穿短路,另一只輸出管也會由于上述保護(hù)功能而得不到電源電壓,這樣揚(yáng)聲器中就不會有大的直流電流通過,從而有效地保護(hù)了揚(yáng)聲器。
  該電源的輸出電壓基本上由VD4、VD5兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定,約比它們的穩(wěn)壓值低0.7V左右(即減去VT11、VT12的發(fā)射結(jié)直流壓降),故對兩只穩(wěn)壓管要仔細(xì)挑選配對。
  輸入端濾波電容器每邊采用兩只4700μF的電解電容器并聯(lián)使用,而輸出端的濾波電容器每邊僅采用一只10μF的無極性電容器。通過樣機(jī)實(shí)測,當(dāng)輸出電流為2.4A(滿載)時的紋波電壓很小:正電源側(cè)為0.8mV,負(fù)電源側(cè)為1.25mV。此外,波形并非100Hz的鋸齒狀,而是頻譜較寬的噪聲狀。
  該電源的穩(wěn)壓性能之所以較好,一是由于集電極輸出式穩(wěn)壓電路的調(diào)整管具有一定的電壓放大倍數(shù),二是由于取樣電路的取樣比等于1,輸出端的電壓變化直接通過VD4、VD5耦合到了取樣放大管VT11、VT12的發(fā)射極。
  為了消除一般OCL電路開機(jī)時通過揚(yáng)聲器的沖擊電流造成的“噗”聲,該電源還設(shè)計(jì)了軟啟動電路。其工作原理如下:開機(jī)后,濾波電容器C3上的正電壓通過R10向C5充電,C5上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升。該電壓通過R12及VD2加到正電源輸出端,同時通過R16為VT12的發(fā)射極提供電流,使負(fù)電源也同時啟動。電源電壓達(dá)到正常值后,正輸出電壓通過R14給單向可控硅VD3提供觸發(fā)電壓而使它導(dǎo)通。VD3導(dǎo)通后,其陽極電壓降低到0.7V以下,故二極管VD2截止。C5上的電壓通過R12和VD3放電。延遲時間由R10、C5時間 常數(shù)決定,本例中此常數(shù)為0.33秒,開機(jī)時音箱中一點(diǎn)兒聲響都沒有。
  該電源的效率很高,調(diào)整管集電極和發(fā)射極之間電壓降至1V時,輸出電壓仍可保持穩(wěn)定。若市電交流電壓為220V時,穩(wěn)壓電路的輸入電壓設(shè)定為±22V(帶額定負(fù)載),則可以使穩(wěn)壓電源在市電變化±10%時,仍工作在最佳狀態(tài)。若以調(diào)整管壓降為7V計(jì)算,在滿負(fù)荷2.4A時的管耗約17W,因此只需較小的散熱器,此時效率在70%以上。當(dāng)調(diào)整管壓降為3V時,效率為85%。
  總之,該電源電路特點(diǎn)是:具有軟啟動功能;具有正負(fù)電源分別短路或同時短路的保護(hù)功能,可省去揚(yáng)聲器保護(hù)電路;高效率,約70~85%以上;低紋波系數(shù)。

二、制作與調(diào)整要點(diǎn)

1.元器件的選擇
  功率輸出管VT5、VT6選用東芝的2SC3281,β在70~110之間。實(shí)驗(yàn)時也曾選用過三肯的2SC 2922,但發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生高頻自激。推動管VT4選用NEC的2SD401,β值為70~90,VT3也用2SD401,β在50~70之間。當(dāng)輸出管的β值在100以上時,VT3、VT4也可選用國產(chǎn)管3DG130(3DG12)。輸入級VT1、VT2可選用9012或9015等,β值在100左右,不宜太高,但要求配對;也可選用P溝道結(jié)型場效應(yīng),但耐壓應(yīng)不低于40V(因手頭無此類管子,故未曾實(shí)驗(yàn))。電阻的功率R6、R10應(yīng)選1W以上,R7、R16、R19應(yīng)選1/2W以上,其余不作要求。電阻 R9采用兩只1W、0.51Ω電阻并聯(lián),作為測量時取樣使用。穩(wěn)壓管VD4、VD5應(yīng)選1W以上功率的。單向可控硅可選1A電流的任何型號。
  電源部分的VT7、VT8選用MJ2955和2N3055或其它互補(bǔ)配對管,要求β大些,最好大于80。推動管VT9、VT10選用中功率管3CK9、3DK9等,β值在50~80之間。取樣放大管VT11、VT12選用9014和9015,β值大于100。還要注意正負(fù)電源各對應(yīng)管的β值應(yīng)該相近,即大致配對。電容C1、C6、C7選用滌綸或聚丙烯電容。穩(wěn)壓電源輸入濾波電容C3、C4采用四只4700μF35V優(yōu)質(zhì)電解電容兩兩并聯(lián)使用。
  電源變壓器功率容量應(yīng)不小于100VA,次級交流電壓雙18V,電流3A以上。整流管可用1N5401。
2.調(diào)整要點(diǎn)
  電源部分幾乎不需要調(diào)整。如果電源不能自啟動,則應(yīng)適當(dāng)減小R10的數(shù)值,但應(yīng)在滿載時能夠自啟動的前提下盡量大一些,以增大延遲時間。功放部分的調(diào)整可歸結(jié)為兩項(xiàng);一是調(diào)整R2使輸出端電位等于零;二是調(diào)整R6使R9上的壓降等于0.3V,此時末級靜態(tài)電流約為1.18A。注意一開始可將電流調(diào)得稍小些,如0.9A,等預(yù)熱一段時間以后再調(diào)到上述規(guī)定的數(shù)值。
3.電路的變通
  該功放電路稍加改動即可變?yōu)?OTL電路,此時穩(wěn)壓電路可以省去負(fù)電源部分。OTL電路雖然技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果不及OCL電路,但音色卻別有風(fēng)味。OTL電路由于使用了輸出電容器,雖然會影響頻率特性,但卻使揚(yáng)聲器的安全得到了保障。限于篇幅,此處不再贅述。

三、主要技術(shù)指標(biāo)

  該功放的主要技術(shù)指標(biāo)如下:最大輸出功率為15W(8Ω);頻率響應(yīng)為5Hz ~ 44kHz (-1dB,10W,8Ω);電壓增益為24dB;輸入靈敏度為0.7V(rms)。
  經(jīng)過反復(fù)試聽對比,大家一致認(rèn)為該功放在播放人聲時 ,嗓音顯得寬厚圓潤,流暢自然,能將演唱者的感情表達(dá)得很好。小提琴的表現(xiàn)不毛不燥,解析力很高。但對于動態(tài)范圍較大的交響樂來說,本功放則顯得有些力不從心,但覺得低頻量感比較適中,能將各種樂器的輪廓刻畫出來。雖在大動態(tài)時顯得遜色一些,因?yàn)樗吘怪挥?5W的有效值功率。因此它作為家庭欣賞音樂用極

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