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15W純甲類功放電路圖及原理

作者: 時間:2011-07-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

縱觀目前市場上的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?shù)谋壤?。從高保真的角度來看,功率儲備大些當然是好,但若從?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,約有百分之七八十以上的電能變成熱量散發(fā)掉了。一臺每聲道輸出功率為50W的純甲類功放,若以30%計其效率,則靜態(tài)功耗就有 330W之大,說句玩笑話,簡直是“守著火爐吃西瓜”。筆者在幫人選購功放時就經(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。市場經(jīng)濟是無情的。國內(nèi)幾家有名的生產(chǎn)膽機的廠家,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。

  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,肯定會有市場。可惜這類功放是個空白。日本金嗓子有一款A20,每聲道純甲類功放20W,音質(zhì)有口皆碑,但價錢卻令人望而卻步?,F(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”的功放來投放市場呢?本著這個思想,我們設(shè)計了這臺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
15W純甲類功放電路圖及原理
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型大功率晶體管VT5、VT6組成,而沒有采用互補對稱推挽電路。輸出管VT6對于負載(揚聲器)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。但實驗測試表明,整個放大電路在取消大環(huán)負反饋(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。這個功勞應該歸功于推動級電路。推動電路是本機最具特色的電路,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組成同極性達林頓式復合管。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%,該樣機實測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,并且保證通風情況良好。
  總之,該功放有以下特點:

  1. 功率輸出管的電流放大系數(shù)不需配對;
  2. 用筆者設(shè)計的推動電路取代了傳統(tǒng)的自舉電路,頻率響應好;
  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
15W純甲類功放電路圖及原理
由于功放為OCL電路,輸出端與揚聲器直接耦合,故一般應加裝延時保護電路,但由于該機采用了具有短路保護及軟啟動功能的±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功能,但不能夠自啟動。VT7、VT9組成復合電源調(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、負穩(wěn)壓電路是對稱的,故當正電源對地短路時,也會使負電源電壓為零。功放電路的輸出端省卻了揚聲器保護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功能而得不到電源電壓,這樣揚聲器中就不會有大的直流電流通過,從而有效地保護了揚聲器。

  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。通過樣機實測,當輸出電流為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電路開機時通過揚聲器的沖擊電流造成的“噗”聲,該電源還設(shè)計了軟啟動電路。其工作原理如下:開機后,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,使負電源也同時啟動。電源電壓達到正常值后,正輸出電壓通過R14給單向可控硅VD3提供觸發(fā)電壓而使它導通。VD3導通后,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,開機時音箱中一點兒聲響都沒有。

  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計算,在滿負荷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。當調(diào)整管壓降為3V時,效率為85%。

  總之,該電源電路特點是:具有軟啟動功能;具有正負電源分別短路或同時短路的保護功能,可省去揚聲器保護電路;高效率,約70~85%以上;低紋波系數(shù)。

二、制作與調(diào)整要點
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。實驗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)型場效應晶體管,但耐壓應不低于40V(因手頭無此類管子,故未曾實驗)。電阻的功率R6、R10應選1W以上, R7、R16、R19應選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。還要注意正負電源各對應管的β值應該相近,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
  電源部分幾乎不需要調(diào)整。如果電源不能自啟動,則應適當減小R10的數(shù)值,但應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;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)壓電路可以省去負電源部分。OTL電路雖然技術(shù)指標的測試結(jié)果不及OCL電路,但音色卻別有風味。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
  該功放的主要技術(shù)指標如下:最大輸出功率為15W(8Ω);頻率響應為5Hz ~ 44kHz (-1dB,10W,8Ω);電壓增益為24dB;輸入靈敏度為0.7V(rms)。

  經(jīng)過反復試聽對比,大家一致認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,因為它畢竟只有15W的有效值功率。因此它作為家庭欣賞音樂用極為合適,達到了預期的設(shè)計目的 。

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