В предыдущей статье мы уже разбирали данный усилитель:
В этот раз у него установлены другие пары ламп в каналах и необходимо будет заменить, по возможности установки и размещения, все проходные конденсаторы (1 мкФ и 0.47 мкФ), настроить токи покоя и уровни выходного сигнала.
Перед началом работ были сняты замеры и основные параметры, при этом замеры были выполнены в двухканальном режиме, чтобы отследить разность уровней:
Видим, что поплыли параметры в 1 и 2 каналах, в 3 и 4 ситуация получше). На заниженные показания Уровня шума и Динамического диапазона повлияло качество RCA кабеля, прошу простить, необходимо будет заменить.
Записал для себя основные замеры в черновик, до внесения всех изменений и переделок:
Здесь основная информация как ток ХХ при включении и после прогрева, уровни напряжений на выходе при отсутствии сигнала, номиналы сопротивлений в местах настройки токов покоя.
Кстати! В стоке установлены резисторы номиналом 3.9 кОм 1%:
И провел замеры падений напряжения на эмиттерных резисторах (0.22 Ом) и вычислил токи покоя в каналах:
А теперь немного поговорим зачем нужны эти резисторы и про сами «токи покоя»:
Эмиттерные резисторы
Эмиттерные резисторы выполняют в выходных каскадах несколько критически важных функций:
- Температурная стабилизация (предотвращение теплового разгона): При нагреве транзистора его сопротивление падает, а ток растет, что ведет к еще большему нагреву. Резистор создает отрицательную обратную связь: рост тока увеличивает падение напряжения на нем, что уменьшает напряжение база-эмиттер и прикрывает транзистор, стабилизируя ток покоя.
- Выравнивание токов при параллельном включении: Если в плече стоят несколько транзисторов, их характеристики (даже у одной партии) различаются. Резисторы заставляют их делить нагрузку поровну, не давая «самому быстрому» транзистору забрать весь ток и сгореть.
- Снижение искажений типа «ступенька» (crossover distortion): Они помогают линеаризовать передаточную характеристику каскада в области перехода сигнала через ноль, делая работу плеч более плавной.
- Датчик тока для защиты: Падение напряжения на этих резисторах часто используется схемами защиты от короткого замыкания для контроля выходного тока.
- Повышение устойчивости: Они создают местную обратную связь, которая делает коэффициент усиления каскада менее зависимым от параметров конкретных транзисторов и температуры.
Роль эмиттерных резисторов в усилителях класса АВ
В схемотехнике класса AB эмиттерные резисторы играют роль фундаментального стабилизатора. Этот класс работы подразумевает наличие небольшого начального тока (тока покоя), который исключает «мертвую зону» при переходе сигнала через ноль.
Вот как они работают:
1. Температурная авторегулировка (Отрицательная ОС)
Транзисторы при работе нагреваются, что увеличивает их проводимость. Без резисторов это вызвало бы лавинообразный рост тока покоя (тепловой разгон), приводящий к выгоранию каскада.
- Резистор включен последовательно с эмиттером. Когда ток через транзистор растет, на резисторе увеличивается падение напряжения.
- Так как напряжение смещения на базе фиксировано (диодами или транзисторным термодатчиком), потенциал эмиттера «подтягивается» ближе к базе, уменьшая напряжение 𝑈𝑏𝑒.
- Транзистор прикрывается, и ток стабилизируется.
2. Линеаризация и борьба со «ступенькой»
Класс AB призван минимизировать искажения типа «ступенька» (crossover distortion) за счет перекрытия работы плеч.
- Эмиттерные резисторы делают входную характеристику каскада более пологой и линейной.
- Они создают плавный переход в области малых токов, когда одно плечо выключается, а другое включается, «сшивая» полуволны сигнала без резких скачков.
3. Балансировка «двоек» и «троек»
В мощных усилителях часто используют параллельное включение нескольких транзисторов в одном плече. Из-за разброса параметров один транзистор всегда будет открываться чуть раньше или сильнее других.
- Резисторы выравнивают токи: тот транзистор, который пытается взять на себя больше нагрузки, получает большее автосмещение на резисторе и притормаживается, отдавая часть тока «соседям».
Типовые параметры:
- Номинал: обычно составляет от 0,1 Ом до 0,47 Ом. Слишком маленькое сопротивление плохо стабилизирует ток, слишком большое — снижает КПД и выходную мощность.
- Мощность: используются мощные проволочные или металлооксидные резисторы (2–5 Вт), так как через них идет весь ток нагрузки.
Расчёт оптимального напряжения
Для настройки тока покоя в усилителе Helix Esprit E40 с транзисторами 2SA1386A/2SC3519A и резисторами 0.22 Ом, оптимальное падение напряжения на одном эмиттерном резисторе составляет от 5 до 11 мВ, что соответствует току покоя 22-50 мА на пару транзисторов.
Шаг 1: Определение целевого тока покоя
Для автомобильных усилителей класса AB высокого класса типичный ток покоя (𝐼𝑞) составляет 30–50 мА на один транзистор. Этого достаточно, чтобы убрать «ступеньку» (искажения), не перегревая радиатор в закрытом корпусе.
Воспользуемся формулой закона Ома:
𝑈=𝐼⋅𝑅
Шаг 2: Расчет напряжения для минимального нагрева
Если мы хотим, чтобы усилитель работал долго и стабильно, выберем ток 𝐼=30 мА (0,03 А):
𝑈=0,03 А⋅0,22 Ом=0,0066 В=6,6 мВ
Шаг 3: Расчет напряжения для «аудиофильской» настройки
Для максимально чистого звучания (режим, близкий к оптимуму Дугласа Селфа), ток часто поднимают до 50 мА (0,05 А):
𝑈=0,05 А⋅0,22 Ом=0,011 В=11 мВ
Шаг 4: Порядок измерения
- Включаем усилитель без нагрузки (колонки отключены) и без входного сигнала.
- Прогреваем его 10–15 минут.
- Устанавливаем мультиметр в режим измерения милливольт (𝑚𝑉 DC).
- Подключаем щупы к выводам одного резистора 0,22 Ом (или между эмиттерами плеч, тогда значение напряжения нужно удвоить).
- Вращаем построечный резистор, пока не получим значение в диапазоне 7–10 мВ.
Для усилителя Helix E40 значение 8–9 мВ на прогретом аппарате — отличный баланс между качеством звука и тепловой стабильностью. Не превышаем значение 20 мВ (90 мА), так как это может привести к перегреву транзисторов в летний период.
Как проверить отсутствие «ступеньки»?
Чтобы увидеть «ступеньку» на осциллографе, нужно создать условия, при которых искажения максимально заметны: малая амплитуда сигнала и высокая частота.
Одним из методов проверки является использование режима спектрального анализатора (БПФ) на осциллографе.
Инструкция по проверке с использованием спектрального анализатора:
- Подготовка:
- Подключаем на выход усилителя эквивалент нагрузки (мощный резистор 4 или 8 Ом).
- Подаем на вход синус частотой 10–20 кГц.
- Устанавливаем минимальную громкость (амплитуда на выходе должна быть около 1–2 Вольт).
- Анализ спектра:
- Переключаем осциллограф в режим спектрального анализатора (БПФ).
- На экране отобразится спектр сигнала с основной частотой и гармониками.
- Настройка:
- Плавно вращаем подстроечный резистор, увеличивая ток покоя.
- Следим за уровнем высших гармоник на спектре. С ростом тока покоя уровень гармоник будет падать.
- Как только уровень гармоник перестанет снижаться, остановимся. Дальнейшее увеличение тока не принесет значительного улучшения.
Важно: После настройки «на холодную» даём усилителю поработать 20 минут и проверяем сигнал снова. Из-за нагрева точка оптимального смещения может немного «уплыть».
«Ступенька» на синусе
На чистом синусе «ступеньку» увидеть можно, но есть нюанс: современная схемотехника (включая и наш Helix) использует глубокую общую отрицательную обратную связь (ООС). Она очень эффективно «выпрямляет» синус, поэтому визуально на экране осциллографа сигнал может казаться идеальным, даже когда ток покоя недостаточен.
Чтобы всё-таки «поймать» её глазами, сделаем следующее:
1. Метод «Микроскопа» (растяжка нуля)
- Подаем синус 10–20 кГц. На низких частотах (1 кГц) её почти не видно.
- Установим амплитуду на выходе небольшой (около 1–2 В). На большой мощности ступенька растворяется в масштабе графика.
- На осциллографе выберем режим AC, увеличим чувствительность (V/div) и максимально растянем по горизонтали (Time/div) тот момент, где синусоида пересекает горизонтальную нулевую линию.
- Что искать: При недостаточном токе покоя в нуле будет видна небольшая «полка» или излом (горизонтальная зазубрина).
2. Метод вычитания (дифференциальный) — самый наглядный
Если осциллограф двухканальный, можно увидеть чистые искажения:
- Подаем сигнал на вход усилителя.
- Один щуп (CH1) — на вход, второй (CH2) — на выход (последовательно с делителем, если выход слишком мощный).
- Инвертируем канал CH2 и включаем режим сложения (ADD).
- Подстроим чувствительность так, чтобы основной синус исчез. То, что останется на экране — это и есть сумма всех искажений. В моменты перехода через ноль мы увидим острые иголки. Наша задача при регулировке тока покоя — сделать эти иголки минимально возможными.
3. Метод «X-Y» (Фигуры Лиссажу)
- Подаем вход на канал X, выход на канал Y.
- Идеальный усилитель нарисует прямую наклонную линию.
- Ступенька превратит эту линию в «ступеньку» или «S-образный» излом прямо в центре координат (в точке 0,0).
Совет: Настраиваем ток покоя так, чтобы ступенька только-только исчезла, а затем добавим еще 10-15% запаса «вверх» по току. Это гарантирует, что при колебаниях напряжения в сети авто или при охлаждении радиаторов искажения не вернутся.