Доработка УНЧ АВ класса в экономичный А

Подавляющее большинство домашних усилителей работают в классе АВ. А, вот, как звучат усилители класса ЭА (Экономичный А) было бы очень интересно послушать, а, возможно, найти способ доработки обычных усилителей в класс ЭА.

Ведь общеизвестно, что класс АВ имеет большой недостаток – выключение («отрыв») ведомого выходного транзистора от выхода усилителя начиная со средней громкости, что вызывает два присущих усилителю недостатка – искажения сигнала от переключения транзисторов и ослабление демпфирования звуковых колонок. Вот и было интересно послушать каков будет звук усилителя, свободного от этих недостатков.

В интернете есть схемы транзисторных УНЧ класса ЭА. Однако анализ этих схем вынуждает усомниться в их действительной принадлежности к классу ЭА. Хотя и четких критериев принадлежности УНЧ к классу ЭА в литературе мне найти не удалось. Поэтому было решено построить УНЧ, имеющий постоянный и регулируемый сквозной ток по выходным транзисторам при любых амплитудах выходного сигнала и сопротивлениях нагрузки. Тем самым всегда обеспечивался бы безотрывный режим работы ведомых транзисторов. Ниже описан результат доработки в класс ЭА двух самодельных усилителей.

Доработка самодельного УМЗЧ

Сперва доработке под класс ЭА подвергся самодельный (малый) усилитель из статьи (1). Ниже приведен только усилитель мощности (УМ) из этой статьи – рис.1. Доработанная схема этого УМ в класс ЭА дана на рис.2.

Сам класс работы ЭА достигается постановкой элементов Д3, Д4, R29, R30, R35, R36, R37 (рис.2, выделены синим цветом). Во время увеличения амплитуды сигнала (например в «+»), пропорционально выходному току, увеличивается (прирастает) напряжение «dU сумм» (рис.2, зеленый цвет). В результате этого прироста за счет конденсаторов С25, С26 снижается напряжение база-эмиттер ведомых транзисторов Т4, Т6 и эти транзисторы «отрываются».

Но у нас за счет элементов синего цвета ведомый транзистор (Т4) получает пропорциональную по амплитуде сигнала добавку напряжения близкую к «-dU сумм» в базу от нуля и сквозной ток не ослабляется на любых амплитудах сигнала. Говоря проще, выполняется «оттяжка» базы ведомого транзистора к нулю.

На рис.3 для расчетов даны графики прироста напряжений база-эмиттер предвыходных и выходных транзисторов в зависимости от тока коллектора (выкопировка из даташитов транзисторов).

Учитывая максимальный пиковый ток выходного транзистора Т5 где-то 5 Ампер для колонок 4 Ома (мощность 50 Вт), получаем прирост напряжения база-эмиттер примерно 0,25 Вольт. На предвыходном транзисторе ток в целом не ясен, но примерно можно взять 0,15 В. Ну, и, на эмиттерном резисторе R43 по закону Ома будет прирост = 5 А х 0,1 Ом = 0,5 В. Таким образом суммарный прирост напряжения «dU сумм» будет = 0,25 + 0,15 + 0,5 = 0,9 В. Это на мощности усилителя близкой к максимальной. Вот почти до этого напряжения и надо оттягивать к нулю базу ведомого предвыходного транзистора Т4, иначе он и выходной ведомый транзистор на пиках сигнала «оторвутся». Но здесь надо учитывать, что добиваться прироста напряжения на эмиттерном резисторе (R44) ведомого транзистора (Т6) столько же, сколько прирастает на эмиттерном резисторе (R43) ведущего транзистора (Т5) не следует. Достаточно прироста не 0,5 В, а примерно 5…10 % от этого – просто чтобы ведомый транзистор Т6 не выключился (не оторвался).

На малой громкости действует «растяжка баз» только от тока покоя. Переменным резистором R37 регулируется степень оттяжки баз ведомых транзисторов к нулю под сопротивление колонок. Ведь при том же выходном напряжении, чем меньше сопротивление колонок, тем больше выходной ток усилителя и тем больше «dU сумм», которое надо компенсировать большей оттяжкой баз ведомых транзисторов.

Обычно в усилителях класса АВ базы предвыходных транзисторов соединены конденсатором (или транзистором – термокорректором или набором диодов). Поэтому «растяжки» баз этих транзисторов с помощью резистора на землю не получится. В схеме рис.2 для возможности растяжки баз поставлены резисторы R29 и R30. Представляется, что и в других схемах УНЧ, имеющих симметричную структуру так же можно поставить подобные резисторы и, благодаря им, «оттягивать» базу ведомого транзистора к нулю (посредством диодов и переменного резистора), тем самым обеспечив режим ЭА. Но, конечно, вслед потребуется регулировка тока покоя.

Так как режим ЭА потребляет несколько больший ток, по выходным и предвыходным транзисторам, а, соответственно больший ток и от ОУ, то оказалось полезным поставить ОУ — «помощника» – вспомогательный ОУ А3.2 (рис.2). Этот вспомогательный ОУ выполняет несколько добрых дел:

• помогает основному ОУ А3.1 «тянуть» амплитуду сигнала, тем самым снимая часть нагрузки с основного ОУ.
• стабилизирует ток по цепочке R29 – R30 для более пропорционального управления предвыходными транзисторами.
• позволяет подать напряжение для подпитки баз ведущих предвыходных транзисторов Т3, Т4 даже выше напряжения питания.
• несколько сглаживает пульсации напряжения источника питания действующих на всю цепочку управления транзисторами.
• просто удобно использовать здесь второй ОУ из корпуса микросхемы.

Практическая доработка усилителя в класс ЭА показана на рис. 4 – 5. Специальная плата не изготовлялась, монтаж навесной, поэтому и не красиво.

Переменным резистором R37 устанавливается оптимальная «оттяжка» баз ведомых транзисторов к нулю для колонок своего сопротивления. Шкала резистора R37 видна на рис.4. Эта шкала наносилась приблизительно при прослушивании.

К сожалению, мне не удалось создать прибор для измерения тока ведомого транзистора и начала его «отрыва» и включения при работе усилителя на колонки.

Практически при установке верного положения резистора сопротивлению колонок происходит небольшое увеличение громкости.

Вот другой способ для нанесения шкалы (градуировки). К выходу усилителя подключить колонки или резистор с сопротивлением колонок. При измерении напряжения в точках «И» и «К» (Uик, рис.2, коричневый цвет) на большой амплитуде выходного сигнала от генератора надо плавно вращать R37 из положения АВ в положение ЭА. При определенном положении по прибору будет небольшой четко фиксируемый рост напряжения. Это включатся в работу ведомые транзисторы. Вот тут и будет точка под данное сопротивление колонок. Но если прибор стрелочный, то надо очень внимательно следить за стрелкой, так как добавка напряжения очень мала по сравнению с общим напряжением.

В моем примере было так: Вместо колонок — резистор на 3,9 Ом; Выходное напряжение усилителя: 9 Вольт; Искомая точка роста напряжения: Uик = 160 мВ; добавка напряжения 5…10 мВ и дальше не росла – вероятно включались в работу транзисторы термостабилизации. Данная точка совпала с ранее отмеченной 4 Ома по повышению громкости реального звука. Градуировка не острая. Скорее размытая. При прослушивании музыки некоторые отклонения R37 от точки незаметны. Тем более, что фактическое сопротивление колонок при работе может сильно отличаться от их номинального сопротивления.

Есть и другой наглядный способ просто оценить «оттяжку» базы ведомого транзистора – это отключить колонки и при большом выходном сигнале усилителя вращать R37. Будет пропорциональный рост Uик от напряжения покоя (обычно говорят «ток покоя») примерно 25 мВ и до максимума 120 мВ (3 Ома). Но здесь невозможно выполнить градуировку R37 по сопротивлению колонок, ведь отрыва ведомых транзисторов просто нет.

В моем случае было так:

• Колонки отключены;
• Выходное напряжение усилителя 10 В;
• В заранее отмеченной точке 4 Ома: Uик = 75 мВ.

Но могут быть отклонения от этого значения в зависимости от температуры радиатора.

Все измерения выходного напряжения усилителя выполнены вольтметром действующего переменного напряжения. Измерения Uик выполнены вольтметром постоянного напряжения. Диоды Д3…Д6 обязательно должны быть германиевыми и желательно без замены. После всех измерений можно убрать переменный резистор и поставить постоянный, соответствующий сопротивлению колонок 4 Ома. Этого будет достаточно для колонок любого сопротивления, просто несколько будет изменяться ток «оттяжки» к нулю. Изменения в звуке будут практически не различимы.

Что показало прослушивание. Если резко перевести резистор R37 из положения АВ в ЭА (под свое сопротивление колонок) то слышится небольшое повышение громкости и некоторые не особо значимые изменения звука. Повышение качества звука не ощущается. Но, если из положения ЭА резко установить АВ, то ясно слышно как музыка расплывается – из собранной превращается в «желе». Уже нет того упругого баса, как в режиме ЭА. Нет четко проработанных средних частот. А на высоких частотах похоже стало больше металла. Сибилянты голосов и звенящие звуки стали грубее. Изменение качества звука явное. Хотя простому слушателю это изменение, наверное, покажется безразличным, но для истинного аудиофила, вероятно, произойдет почти революция.

В передаче объема (глубины сцены) есть небольшая разница. Координаты звуков по вертикали и горизонтали остались на месте, но сами звуки в режиме ЭА менее расплывчатые, более очерченные. Например в песне Starrider группы Foreigner соло барабанов занимает всю переднюю плоскость (стену комнаты) и удары барабана особенно которые под потолком более четко очерчены – на них можно указать пальцем. В режиме же АВ четко указать направление уже не удается – звуки расплывчатые. Многочасовое прослушивание различных жанров музыки однозначно указало на безоговорочное превосходство класса ЭА над АВ.

Затем было выполнено сравнение звучания данного усилителя с комплектом усилителя Онкио (предусилитель + усилитель мощности), работающего в классе А до средней мощности — рис. 6 — 7. Интересовала работа именно класса А.

Прослушивание Онкио показало, что он имеет очень приятные и кристально чистые высокие частоты. Но низких частот явно не хватает – их попросту нет. Кроме того очень плоский звук. Никакого объема. Иногда кажется, что все музыканты (инструменты) сгрудились на каждой колонке и не отходят от своей колонки. А вся музыка только между колонками. Средние частоты совершенно обычные, даже не интересные. Так что сравнение с классом А (на данном усилителе) не получилось.

Самодельный усилитель в обоих режимах (АВ и ЭА) давал более приятный, объемный и насыщенный звук. Раньше, когда слушал более старшую модель Онкио, то тоже отметил что объема нет. Ну и плохо что нет тембра или тонкомпенсации.

Далее было интересно узнать, как отреагирует на режим ЭА самодельный усилитель из статьи (2), условно «большой», всего с одним выходным каскадом эмиттерного повторения – рис.8. На рис.9 дана схема доработки этого усилителя в класс ЭА. На рис.10 – практическая работа.

Для начала оказалось, что ОУ ОРА551 дает звук более чистый, чем ОРА552. Хотя по даташитам ОРА 552 именно для звука должен быть лучше. ОРА 552 дает некоторые непропорциональные выбросы высоких частот на пиках сигнала. ОРА 551 так же дает некоторое преувеличение высоких частот, но незначительно и равномерно. Многие не заметят. На рис.10 слева видна платка с постановкой ОУ-помощников. Синим цветом на рис.9 показаны элементы под класс ЭА. Сперва вместо R31 и R32 был переменный резистор. Много часов слушал я доработанный усилитель по рис. 9, крутил регулятор подстройки режима ЭА под колонки, но так и не услышал сколь-нибудь значимого изменения звука.

Потом поставил переключатель режима ЭА для резкого изменения оттяжки баз, и все равно ничего. Режим ЭА не имеет смысла в усилителе с одним каскадом эмиттерного повторения. Так что убрал я все элементы для режима ЭА. Ну, а, на высвободившийся переключатель установил выход вспомогательного ОУ А6, чтобы послушать какую разницу дает постановка вспомогательного ОУ. То есть послушать какая разница в звуке с подключенным и отключенным ОУ А6. И тут никакой разницы не услышал. Мощности ОУ ОРА551 вполне хватает и не требуется никакой ОУ-помощник. Окончательная схема большого усилителя с убранным ОУ-помощником и убранными элементами под класс ЭА дана на рис.11.

Сравнение усилителей (рис.12) малого и большого показало их очень близкое звучание. Хорошо, что регуляторы тембра и громкости в обоих усилителях одинаковые. Незначительная разница есть, но далеко не каждый ее услышит. УНЧ малый (в режиме ЭА) дает чуть более чистое звучание. А усилитель большой дает более напористое звучание. В целом кому-то понравится первый, а кому-то второй. Тем более что у второго мощность и амплитуда сигнала побольше – это получше для колонок с более высоким сопротивлением. Так же чуть попроще схема и нет необходимости подстройки под сопротивление колонок. Переключатель под колонки на большом усилителе сейчас просто бутафорский. Ну а сам большой усилитель остался в классе АВ.

Возможно для более точного сравнения нужны колонки и источник звука классом повыше, чем у меня.

Еще интуитивно представляется, даже уверен, что УМ класса АВ с тремя каскадами эмиттерного повторения в принципе не сможет дать качественного звука. Причина – еще более ранний по громкости и больший по напряжению отрыв ведомого транзистора от нагрузки, чем УМ рис.1. Здесь обязательно нужна «оттяжка» баз ведомых транзисторов к нулю. Иначе звук будет грязным. К сожалению не смог проверить это утверждение практически – нет такого усилителя.

Пара слов о микросхемах ОУ. Обычно я считал, что лучшего ОУ для звука, чем LM4562 нет (это из не самых дорогих). Работа его очень нравилась. Но приобрел ОУ получше. И в данных усилителях при первом прослушивании (самом ярком, несколько гипертрофированном) услышалась следующая картина:

1. ОРА1656. Кристально чистое звучание, но некоторая излишняя громкость очень высоких частот. Хорошо ставить туда, где этих очень высоких частот не хватает. Или, например, на выходе под межблочный кабель, где частенько ВЧ приглушаются. Ставить подряд несколько штук нежелательно – будет ясно слышно превышение по ВЧ. Сильно греются.
2. LME49860. Кристальное звучание. Очень сбалансированное. Можно ставить несколько подряд. Лучшего ОУ и не надо. Есть нагрев. Достать оригинальную очень сложно.
3. LT1124. Явные искажения по всем частотам. Объем потерян. Звук плоский.
4. LM4562. Чистота звука не идеальна. Хотя, возможно именно в описанных усилителях слишком тяжелый режим для этой микросхемы. Этот ОУ похуже, чем LME49860 и OPA1656. Даже громкость чуть пониже. Очень высоких частот поменьше, чем у LME49860, и, тем более чем у OPA1656. Но, все равно, неплохой ОУ.
5. ОРА1602. Очень ровный, кристальный звук. Нет излишних ВЧ, как у ОРА1656. Искажений меньше, чем у LM4562. НО! Музыка излишне спокойная. Кажется, что музыка замедлила скорость, как будто кто-то тормозит грампластинку. Несколько прячется крикливость музыки. Лучше не ставить подряд несколько штук.
6. ОРА1642А. Сужается стереобаза. Некоторые звуки сглаживаются. Похуже, чем ОРА1602, -1656, LME49860.
7. NE5532 (Texas Instruments). Плохо играют. Нет НЧ, мала громкость, есть искажения.
8. ОРА551, ОРА552 все-таки отстают по качеству звука от LME49860, OPA1602, -56.

Оказалось, что определить поддельную или перепечатанную микросхему можно не только по звуку или тесту, но и по отсутствия нагрева корпуса. Все качественные оригинальные ОУ хорошо греются.

Вот и вся работа. Она показала явное преимущество класса ЭА над АВ. Ну или УНЧ должен быть только с одним каскадом эмиттерного повторения. А, вот, обязательно ли для самого «классного» звука режим чистого «А» хорошо бы проверить. Но, думается, что именно ЭА будет достаточно. Тем более, что самые тонкости звука определяют колонки, а усилитель в меньшей степени.

Еще одним достоинством класса ЭА по сравнению с АВ, наверное, будет его меньшая склонность к самовозбуждению, ведь отдача колонок более жестко демпфирована.

Есть путь некоторого усовершенствования предложенных усилителей – это оттягивать базы ведомых транзисторов не к нулю, а сигналом, противофазным с выхода основного ОУ. Тогда будет более четкое и правильное управление ведомым транзистором. Но в данных конструкциях уже нет места для доработок. Так же для себя из всей проведенной работы сделал вывод: наличие эмиттерных резисторов выходных транзисторов портит звук несоизмеримо меньше, чем момент включения — выключение самих транзисторов и их отрыв. Безусловно эмиттерные резисторы должны быть минимально возможного сопротивления, но в данных УМ меньше номинал уже не поставить – возможна неверная работа термостабилизации. На рис.13 дана окончательная схема полного малого усилителя класса ЭА.

Ну, и, последнее, что хочется сказать просто пользуясь случаем – это то что все УМ с выходом на колонки с коллекторов транзисторов в моей практике давали звук грязный.

Вот, пожалуй, и все про предложенный способ доработки УНЧ класса АВ в класс ЭА. Уверен, что тот, кто доработает свой УНЧ в класс ЭА получит огромное удовольствие от нового звука. Буду рад прочитать отзывы, а так же об усовершенствованиях данного способа доработки или предложения другого способа.

Статьи из интернета

1. УНЧ с двойной термостабилизацией;
2. Применение ОУ ОРА552 в домашнем УНЧ; Волков И.Ю.

Успехов в творчестве и да прибудет с нами совершенство! Волков Игорь, г. Пермь. 2024 г. Volkus159@yandex.ru.