Усилитель 2 x 120W на STK411-240E

Дата 04 августа 2020 г.

Автор Вашкалюк Н.Н. для www.mariolla.com

В данной статье описан УМЗЧ, построенный на гибридной интегральной схеме (ГИС), работающей в высокоэффективном режиме G. Схема имеет двухуровневое питание, где основным напряжением выступает VL (низковольтная часть), а VH (высоковольтная часть) подключается кратковременно при превышении заданного порога выходного напряжения. Такой способ управления питанием позволяет существенно уменьшить тепловыделение усилителя в номинальном режиме работы и увеличить выходную мощность.

Основные параметры усилителя
Выходная мощность (R_LOAD = 8 Ом, THD = 0.8%)	2 x 120 Вт (min)
THD (P_OUT= 120 Вт, F = 20 Гц … 20 кГц, R_LOAD = 8 Ом)	0.4% (typ)
Полоса усиления (+0 … - 3 дБ)	20 Гц … 50 кГц
Входное сопротивление	55 кОм
Ток покоя по шине VL = ± 40 В	100 мА (max)
Ток покоя по шине VH = ± 65 В	50 мА (max)
Выходное смещение	± 70 мВ (max)
Максимально допустимое время КЗ нагрузки*	0.3 сек.

* STK411-240E не имеет защиты от КЗ на выходе и при аварии на максимальной выходной мощности выходит из строя за 0.3 секунды (значение из datasheet). Используйте источник питания с защитой от перегрузки, или, на крайний случай, установите быстродействующие предохранители в цепи питании ГИС.

Рис. 1. Схема усилителя на STK411-240E

На входе усилителя установлен ФНЧ первого порядка R2C1 (у второго канала R7C6) для фильтрации высокочастотных помех. Коэффициент усиления (K) схемы приблизительно равен 32 (или 30 дБ) и определяется соотношением сопротивлений K = R5/R4 + 1 или R10/R9 + 1.

Рекомендованные значения напряжения питания в зависимости от сопротивления нагрузки
R_LOAD	VH typ	VL typ	VH max	VL max
4 Ом	± 43 В	± 25 В	± 62 В	± 36 В
6 Ом	± 48 В	± 29 В	± 70 В	± 42 В
8 Ом	± 54 В	± 33 В	± 78 В	± 48 В

Качество звука напрямую зависит от установленных конденсаторов C2 и C7: желательно использовать пленочные, бумажные или фторопластовые. Электролитические конденсаторы устанавливать только в крайнем случае, а керамические (особенно многослойные) — категорически не рекомендуется. Печатная плата рассчитана на монтаж качественной «пленки» от EPCOS B32523Q3225 (2.2 мкФ 250В, шаг выводов 22.5 мм, размеры 10.5 × 16.5 × 26.5 мм).

Резистор R1 обеспечивает развязывание земляной петли между общими проводами сигнальной и силовой цепей. L1 и L2 – катушки с внутренним диаметром 10 мм, имеющие по 15 — 20 витков проводом D = 1.2 мм. Кстати, не советуется наматывать подобные катушки на мощных демпфирующих резисторах (включенных обычно параллельно, подобно R14 R17 на схеме), как это делают многие любители и даже профессиональные разработчики. Дело в том, что корпус резистора для электромагнитного поля может обладать некоторой нелинейностью, которая может негативно сказаться на звуке.

Несколько слов про цепь Цобеля (С15 R13, C16 R18). В datasheet на данную (и не только) STK, а так же во многих других схемах усилителей антизвонная цепь Цобеля находится после выходного дросселя. На мой взгляд, это в корне неверно. Работа данной цепи заключается в улучшении устойчивости усилителя в области ВЧ при работе на большую индуктивную нагрузку (звуковая катушка громкоговорителя, фильтр акустической системы) и, подключая цепь Цобеля после выходной катушки, мы к ее работе добавляем индуктивность, что приводит к уменьшению глубины обратной связи на ВЧ, которая может привести к возбуждению и выходу из строя выходного каскада усилителя.

STK411-240E имеет встроенный температурный датчик, подключенный к выводам 12-13 (модель NTH5G2M36B103J04TE производства Murata Manufacturing), с номинальным сопротивлением 10 кОм при 25 0С и параметром B = 3650. Датчик может быть подключен к внешней схеме термоконтроля для организации защиты от перегрева или управления вентилятором принудительного обдува. При этом следует помнить, что, во избегании саморазогрева датчика, а следовательно и увеличению погрешности измерения, максимальный ток терморезистора должен быть ограничен 1.7 мА, а рассеиваемая мощность не должна превышать 20 мВт. На рис. 2 представлен один из возможных примеров использования датчика. Указанная схема удобна тем, что ее можно использовать в широких вариациях, подключая к выходам ОУ любую функциональную нагрузку.

Рис. 2. Схема термоконтроля, использующая внутренний датчик ГИС (RK1)

Данный узел питается напряжением 12 В и обеспечивает две ступени термоконтроля: первая собрана на ОУ DA1a и имеет только визуальную индикацию нагрева радиатора до 57 ... 60 ⁰С (светодиод LD1), вторая ступень (ОУ DA1b) включает индикацию (светодиод LD2) и вентилятор принудительного обдува радиатора по достижении температуры 72 ... 75 ⁰С. Изменением сопротивлений R3 и R5 можно сместить порог срабатывания первой и второй ступени соответственно.

Зависимость температуры включения компараторов от сопротивления резистора R3 (R5)
Температура	Сопротивление R3 (R5)
55 ⁰С	3K39
60 ⁰С	2K87
65 ⁰С	2K46
70 ⁰С	2K1
75 ⁰С	1K81
80 ⁰С	1K57
85 ⁰С	1K36
90 ⁰С	1K18

Резисторы R6 и R7 обеспечивают гистерезис около 10 ⁰Св работе каждого из компараторов. При увеличении сопротивлений этих резисторов гистерезис уменьшается. Например, при R6 или R7 равным 100 кОм, данное значение будет около 5 ⁰С. Транзистор Q1 – практически любой N-канальный MOSFET с током не менее 500 мА. Резистор RK1 – это тот самый терморезистор, расположенный внутри STK411-240E.

При креплении к радиатору корпус ГИС изолировать не требуется. При этом сам радиатор желательно подключить к общему проводу.

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ должен иметь 4 выходных напряжения: ± VL и ± VH. Пример схемы с использованием классического трансформатора показана на рис. 3.

Рис. 3. Источник питания усилителя, работающего в классе G

Указанные на схеме напряжения рекомендованы для усилителя, работающего с нагрузкой 8 Ом. Мощность трансформатора T1 должна быть не менее 150 Вт, оптимально 200 Вт. RK1 – мощный NTC термистор, предназначенный для ограничения пускового тока блока питания.

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА выполнена в ПО Designer Spark PCB 8.1 и имеет размеры 95.9 x 58.4 мм. На нижней части находится гибкая перемычка проводом 0.5 мм². Резистор R1A (1 Ом) для надежности дублирует R1.

Рис. 4. Схема подключения усилителя

Все SMD резисторы типоразмера 1206, SMD конденсаторы 0805 с диэлектриком NPO (X7R, X5R, Y5V и прочие настоятельно не рекомендуется). Электролитические конденсаторы в цепи питания диаметром 13 мм, остальные диаметром 6.3 мм. Клеммники типа DG127 или XY304 с шагом 2.54 мм.

Файл печатной платы, а так же монтажные карты в хорошем качестве находятся в архиве ниже.

STK411-240E.pcb (86 KB)

ПЕРЕВОД ИЗ КЛАССА G В КЛАСС AB

Все STK, работающие в высокоэффективном режиме G, имеют встроенный коммутатор питания, на который подаются два двуполярных напряжения: VH и VL. Перевод в режим AB осуществляется довольно просто — достаточно отключить низковольтное питание VL и подключить туда высокое напряжение VH (рис. 5). При этом следует убедиться что конденсаторы, ранее находящиеся в цепи VL, имеют соответствующий допуск по напряжению.

Рис. 5. Схема подключения усилителя для работы в режиме AB

Для чего нужно переводить усилитель в режим AB? Во-первых, такой нехитрый мод может значительно улучшить качество звучание усилителя на средних и высоких мощностях за счет отсутствия коммутационных искажений при срабатывании компараторов переключения питания. Но при этом мы сильно проигрываем в эффективности: даже на малой мощности нагрев усилителя будет значительно выше, что повлечёт за собой необходимость увеличения площади радиатора. Во-вторых, можно использовать более простой, а значит и более дешевый, блок питания.

Перепечатка (копирование) статьи или ее части только с разрешения автора.

ПОХОЖИЕ МАТЕРИАЛЫ