15W純甲類功放電路圖及原理

縱觀目前市場(chǎng)上的Hi－Fi功放，輸出功率在100W以上的以甲乙類放大產(chǎn)品居多，50～100W的功放中甲類放大產(chǎn)品占有相當(dāng)?shù)谋壤?。從高保真的角度來看，功率?chǔ)備大些當(dāng)然是好，但若從節(jié)省能源的角度來看，就值得考慮了。由于純甲類功放的效率很低，所以在您欣賞美妙音樂的同時(shí)，約有百分之七八十以上的電能變成熱量散發(fā)掉了。一臺(tái)每聲道輸出功率為50W的純甲類功放，若以30％計(jì)其效率，則靜態(tài)功耗就有 330W之大，說句玩笑話，簡(jiǎn)直是“守著火爐吃西瓜”。筆者在幫人選購功放時(shí)就經(jīng)常遇到這樣的情況：很多人雖然為純甲類功放的音色所傾倒，但也往往因其 “發(fā)高燒”的工作狀態(tài)而忍痛割愛。功耗大也是電子管功放的致命弱點(diǎn)。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)是無情的。國內(nèi)幾家有名的生產(chǎn)膽機(jī)的廠家，如斯巴克、歐博、大極典也先后推出了自己的晶體管功放，就證明了這一點(diǎn)。

　　根據(jù)我國國情，一般工薪階層的居室面積多在二十平方米以下，并且通常以客廳或臥室兼作聽音室。若音箱的靈敏度在89dB以上，則10～20W的純甲類功放就可滿足一般欣賞要求。如果在歌舞廳里那樣的環(huán)境中讓我們的耳朵長期承受大音量，聽力就會(huì)逐漸減退。再說，吵得左鄰右舍不得安寧,也不合適。所以說，如果生產(chǎn)一些功率在15W左右的音質(zhì)音色較好的功放，靜態(tài)功耗在100W以下，肯定會(huì)有市場(chǎng)?？上н@類功放是個(gè)空白。日本金嗓子有一款A(yù)20，每聲道純甲類功放20W，音質(zhì)有口皆碑，但價(jià)錢卻令人望而卻步。現(xiàn)在，國內(nèi)生產(chǎn)功放的廠家似乎在攀比，功率越做越大，重量越做越重，但銷路卻不見得很好。何不制作一些 “好吃不貴”的功放來投放市場(chǎng)呢？本著這個(gè)思想，我們?cè)O(shè)計(jì)了這臺(tái)15W純甲類功放，試圖在這方面做一些嘗試。

一 電路原理
1、功放電路

由VT1、 VT2組成差動(dòng)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(dòng)級(jí)VT4之間為直接耦合。輸出級(jí)由兩只型號(hào)相同的 NPN型大功率晶體管VT5、VT6組成，而沒有采用互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路。輸出管VT6對(duì)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(duì)稱放大。但實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，整個(gè)放大電路在取消大環(huán)負(fù)反饋（將R5短路）時(shí)的開環(huán)失真卻很小，而且主要是偶次諧波失真。這個(gè)功勞應(yīng)該歸功于推動(dòng)級(jí)電路。推動(dòng)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(duì)大小相等、方向相反的信號(hào)。VT4對(duì)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(hào)通過交流電阻很小的發(fā)光二極管VD1，加到輸出推動(dòng)管VT3的基極。VD1的正向?qū)▔航导s為1.9V左右，可看作一個(gè)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(duì)交流信號(hào)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(jí)共射放大電路（VT4）和二級(jí)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(jí)射極輸出電路（VT4）和一級(jí)共射放大電路（VT6）構(gòu)成，可見是不對(duì)稱的推挽放大電路。故在選擇放大管時(shí)，這幾只管子的電流放大系數(shù)也不必配對(duì)。這一點(diǎn)在工廠大批量生產(chǎn)時(shí)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。甲類推挽功率放大電路的理論最高效率為50％，該樣機(jī)實(shí)測(cè)最大不失真輸出電壓的有效值為11V，折合成輸出功率約為15W（8Ω），靜態(tài)功耗約為40W，因此最高效率為37.5％。當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)，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(duì)；
2. 用筆者設(shè)計(jì)的推動(dòng)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(jiǎn)單、調(diào)整容易、便于制作。

2、穩(wěn)壓電源

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(shí)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(dòng)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(dòng)。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(duì)地短路，將會(huì)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(duì)稱的，故當(dāng)正電源對(duì)地短路時(shí)，也會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)兩只穩(wěn)壓管要仔細(xì)挑選配對(duì)。

　　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(cè)，當(dāng)輸出電流為2.4A（滿載）時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)通過R16為VT12的發(fā)射極提供電流，使負(fù)電源也同時(shí)啟動(dòng)。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(shí)間由R10、C5時(shí)間 常數(shù)決定，本例中此常數(shù)為0.33秒，開機(jī)時(shí)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(shí)，輸出電壓仍可保持穩(wěn)定。若市電交流電壓為220V時(shí)，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(shí)，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(shí)的管耗約17W，因此只需較小的散熱器，此時(shí)效率在70％以上。當(dāng)調(diào)整管壓降為3V時(shí)，效率為85％。

　　總之，該電源電路特點(diǎn)是：具有軟啟動(dòng)功能；具有正負(fù)電源分別短路或同時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)，VT3、VT4也可選用國產(chǎn)管3DG130（3DG12）。輸入級(jí)VT1、VT2可選用9012或9015等，β值在100左右，不宜太高，但要求配對(duì)；也可選用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，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(cè)量時(shí)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(hào)。

　　電源部分的VT7、VT8選用MJ2955和2N3055或其它互補(bǔ)配對(duì)管，要求β大些，最好大于80。推動(dòng)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(duì)應(yīng)管的β值應(yīng)該相近，即大致配對(duì)。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(jí)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(dòng)，則應(yīng)適當(dāng)減小R10的數(shù)值，但應(yīng)在滿載時(shí)能夠自啟動(dòng)的前提下盡量大一些，以增大延遲時(shí)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(shí)末級(jí)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(shí)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(dòng)即可變?yōu)?OTL電路，此時(shí)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(cè)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(huì)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(duì)比，大家一致認(rèn)為該功放在播放人聲時(shí)，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(duì)于動(dòng)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(dòng)態(tài)時(shí)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為合適，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的 。