Первоначальная схема усилителя Лина, 1956 год. В авторском варианте использованы германиевые транзисторы 2N109 (V1, V2), 2N439 (V4) и 2N158 (V3, V5). Пары Дарлингтона (V2, V3) и Шиклаи (V4, V5) обведены пунктиром.
Усили́тель Ли́на
— первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Разработан Хун-Чан Лином в 1956 году, массово применялся в серийных УМЗЧ 1960-х и первой половины 1970-х годов. В начале 1970-х годов конструкторы развили базовую схему Лина до так называемого
модифицированного усилителя Лина
— трёхкаскадного усилителя с дифференциальным входным каскадом и комплементарным двухтактным выходным каскадом. Во всех вариантах усилителя Лина усиление напряжения возложено на единственный биполярный транзистор, работающий в режиме c общим эмиттером, при этом опорным («нулевым») уровнем этого каскада служит одна из шин питания.
Модифицированный усилитель Лина, фактически являющийся высоколинейным операционным усилителем (ОУ), абсолютно доминировал в схемотехнике дискретных и интегральных УМЗЧ и классических интегральных ОУ последней четверти XX века и начала XXI века[1][2]. В схемотехнике интегральных УМЗЧ малой мощности по-прежнему используются и варианты базовой схемы Лина[1].
Изобретение Лина[ | ]
Транзисторные усилители мощности 1950-х годов строились по унаследованной из ламповой схемотехники симметричной (пушпульной[комм. 1]) двухтактной схеме с двумя трансформаторами (входным и выходным)[3][4]. Эти усилители, развивавшие выходную мощность порядка нескольких сотен мВт, имели высокий коэффициент полезного действия (что обусловило их применение в переносных радиоприёмниках и слуховых аппаратах) при неустранимо высоких нелинейных искажениях[3]. Высокий уровень коммутационных искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покоя[3]. Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи, было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторах[3][5].
Для того, чтобы охваченный обратной связью усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы как минимум один из двух трансформаторов[3]. Функции согласования импедансов и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторы[6]. Дополнительную сложность представлял ограниченный ассортимент тогдашних, исключительно германиевых транзисторов: в слаботочных каскадах конструкторы могли использовать транзисторы и pnp-, и npn-структуры (пока ещё не комплементарные), в мощных — только pnp-транзисторы[6]. Решение задачи — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного УМЗЧ — было найдено разработчиком компании RCA Хун-Чан Лином и опубликовано в сентябрьском номере журнала Electronics
за 1956 год[6][1].
В классическом авторском варианте Лина — всего два каскада. Всё усиление напряжения сосредоточено в первом каскаде на транзисторе V1 (в схемотехнике УМЗЧ называемом каскадом усиления напряжения
, КУН). Выходной каскад Лина — квазикомплементарный двухтактный эмиттерный повторитель, в верхнем плече которого включён составной транзистор на паре Дарлингтона, а в нижнем — составной транзистор на паре Шиклаи[7]. Термостабилизация выходного каскада возложена на термистор VT. Усилитель охвачен
тремя
петлями обратной связи: вольтодобавка на конденсаторе С3 стабилизирует режим работы V1, петля ООС R8C5 в сочетании с выходным сопротивлением источника сигнала задаёт коэффициент усиления, делитель R1R2 стабилизирует напряжение средней точки эмиттерного повторителя и также участвует в задании коэффициента усиления[7][8]. С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 Вт[7]. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ пушпульных транзисторных схем[7].
Асимметрия вольт-амперных характеристик пар Дарлингтона и Шиклаи на кремниевых транзисторах
Простая, элегантная[1] и при этом хитроумная[6] схема Лина имела много недостатков. Выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искажения. Входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не большим, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора тока[3]. Первое можно было преодолеть, перейдя с однополярного питания на двухполярное, второе — включением на вход усилителя Лина дополнительного согласующего каскада. Намного серьёзнее была проблема теплового дрейфа выходного каскада: именно из-за неё массовое внедрение усилителя Лина началось лишь в середине 1960-х годов, когда на рынке появились кремниевые транзисторы[9]. Усилители, построенные на новейшей элементной базе, были достаточно надёжны, экономичны, не требовали наладки — но неблагозвучны. Асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи, малозаметная в каскадах на германиевых транзисторах, с переходом на кремниевые транзисторы оказалась недопустимо велика[10]. Конструкторы 1960-х годов, воспитанные в рамках ламповой схемотехники, были не готовы и не способны решить эту проблему; простейшее и наилучшее решение — использование комплементарных выходных транзисторов — было пока невозможно[11]. Мощные кремниевые транзисторы тех лет были доступны только в npn-структуре; мощные кремниевые pnp-транзисторы появились лишь в начале 1970-х годов, а комплементарные, симметричные пары npn- и pnp-транзисторов — ещё позже[12].
Несмотря на недостатки, схема Лина оказалась чрезвычайно долговечной. Последовательные, пошаговые усовершенствования её узлов и связей между ними продолжались десятилетиями; в начале 1970-х годов схема мутировала в модифицированный усилитель Лина
, абсолютно доминировавший в схемотехнике УМЗЧ последней четверти XX века, а затем и эта схема подверглась множеству больших и малых доработок. Главная причина успеха схемы кроется в непосредственной связи каскада усиления напряжения и выходного каскада. Усилитель Лина легко трансформируется в полноценный усилитель постоянного тока (УПТ) — для этого достаточно устранить выходной разделительный конденсатор и дополнить схему входным дифференциальным каскадом[13]. Низкоомное соединение баз и эмиттеров выходных транзисторов гарантирует щадящий режим работы даже при значительных обратных токах коллекторов (что было критично для несовершенных транзисторов 1960-х и 1970-х годов); верхний и нижний силовые транзисторы попеременно надёжно запираются[14]. Ни одно из этих достоинств, само по себе, не уникально для схемы Лина, но Лин сумел первым свести их воедино в простой, пригодной для массового выпуска и дальнейших усовершенствований конструкции[14].
Однотактный усилитель в классе А
Классические усилители класса ЗЕН вроде бы уже давно в прошлом, но радиолюбители в последнее время часто воспроизводят подобные схемы. Данный класс усилителей имеет превосходные частотно-динамические показатели. Знаменитый усилитель Марка Хьюстона дает отличный звук, хотя в некоторых своих роликах эту схему неоднократно рекомендовал не повторять.
Но с использованием хороших современных комплектующих картина сразу улучшается. Получается однотактный усилитель класса А, в котором усилительным элементом является достаточно мощный полевой транзистор. Мощность усилителя достигает до 5 ватт, думайте это мало? наоборот для усилителей класса А такая мощность очень велика. Желающие развеять сомнения могут собрать схему самостоятельно и убедиться.
Единственный недостаток схемы, как и всякого усилителя класса А – низкий КПД, величина которого составляет максимум 15-20%. Следовательно остаток первоначальной энергии расходуется на нагревание транзистора и ограничительного резистора.
Эту схему справедливо называют усилителем без деталей, так как ее элементная база содержит всего несколько компонентов, хотя несмотря на это придется много времени уделить магазинам электроники, чтобы их раздобыть. Основу работы понять нетрудно.
Самый «нагреваемый» элемент в схеме – резистор, расположенный на плюсовой шине, который рассеивает 60-65% суммарной мощности, выделяя тепло, поэтому его следует брать большой мощности, порядка 40 ватт. Используются полипропиленовый конденсатор и пленочный конденсатор параллельно выходному электролиту на 10 мкФ.
Усилитель настраивается переменным резистором на 100 кОм, задающим на затворе полевого транзистора напряжение смещения. Его рекомендуется взять многооборотным, поскольку даже незначительное отклонение от нужного сопротивления может привести к ненормальной работе усилителя мощности в целом.
Номинал резистора сопротивлением 15 Ом может на 5 Ом отклоняться в большую или меньшую сторону, но это не критично. Его эффективная мощность должна составлять не менее 40 Ватт, ибо основная часть начальной мощности (около 65%) рассеивается на этом резисторе в виде ненужного тепла, а остальное на транзисторе. Все остальные компоненты в схеме не перегреваются.
Силовым элементом, который также и является усилительным элементом является полевой транзистор. Его можно брать и низковольтным и высоковольтным. Если будете использовать низковольтные полевые транзисторы, то подойдут транзисторы серии IRFZ20, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46 и т.д.. А если будете использовать высоковольтные, что более предпочтительнее, то советую брать хотя бы на 200-250 Вольт.
В моем варианте использован полевой транзистор серии IRF630, можно заменить и на IRF640, который тоже отлично порекомендовал себя. Емкость входного конденсатора не принципиальна, может отклонятся в ту или иную сторону на 50%. Можно использовать конденсаторы пленочного типа, с емкостью от 0,1 мкФ до 2 мкФ.
Если на выходе поставить пленочный конденсатор емкостью 5 мкФ вместо 10 мкФ, качество работы усилителя не страдает от этого.
Выходной электролит желательно подобрать на напряжение 25 Вольт, но в принципе подойдет на 16 В. Напряжение на плюсе этого конденсатора должно быть 12 Вольт относительно земли.
Полевой ключ обязательно устанавливается на теплоотвод, возможно для схемы потребуется принудительный обдув, поскольку резистор очень сильно нагревается (на нем без шуток можно сварить чашечку кофе).
Питать такой усилитель от не стабилизированных источников питания крайне не рекомендую.
Автор; АКА Касьян
← Предыдущая запись
Следующая запись →
Оставить комментарий Отменить ответ
Эволюция схемы[ | ]
Последовательные усовершенствования схемы Лина в 1965-1972 годы[15]
Исходная схема Лина (упрощённо)
Стабилизация температуры диодными или транзисторными датчиками
Генератор стабильного тока в нагрузке КУН
Биполярное питание
Дифференциальный входной каскад
Комплементарный выходной каскад
Череда усовершенствований базовой схемы началась не позднее 1961 года, когда британцы Тоби и Динсдейл опубликовали собственную версию усилителя Лина[1]. В этом, трёхкаскадном варианте, схему дополнил входной каскад, согласующий низкое входное сопротивление КУН c выходным сопротивлением источника сигнала[1]. Термистор, регулировавший ток покоя выходных транзисторов, был заменён германиевым диодом; в остальном КУН и выходной каскад остались неизменными[1]. В конце 1960-х датчики на кремниевых диодах стали стандартным оснащением УМЗЧ[8], и примерно тогда же появились первые транзисторные датчики — умножители напряжения база-эмиттер[16]. К концу 1970-х годов транзисторные датчики вытеснили диодные[16].
В начале 1970-х годов конструкторы УМЗЧ освоили применение транзисторных генераторов стабильного тока (ГСТ), до того использовавшихся лишь в аналоговых интегральных схемах[8]. Замена нагрузочных резисторов КУН (R3, R4 в схеме Лина) на активный ГСТ позволила снизить рабочий ток КУН (в схеме Лина он был вынужденно высоким), увеличить его коэффициент усиления до практического максимума (в 1970-е годы составлявшего примерно 1000…3000[17]) и отказаться от вольтобавки[8]. Исключение конденсатора вольтодобавки С3 устранило потенциальный источник искажений и приблизило схему к идеалу — усилителю постоянного тока[8].
Примерно тогда же, по мере удешевления компонентов блоков питания, произошёл переход с однополярного питания УМЗЧ на двуполярное; с исключением из схемы разделительного конденсатора С4 она превратилась в полноценный УПТ[8]. В новой конфигурации условный «нуль» (потенциал эмиттера) входной цепи КУН более не совпадал с общим проводом — теперь он был привязан к подверженной всевозможным помехам шине питания (обычно отрицательной)[8]. Задача согласования опорных уровней и фильтрации помех на практике оказалась несложной: вначале её решали с помощью входного каскада на одиночном транзисторе, а на рубеже 1960-х и 1970-х годов конструкторы впервые применили дифференциальный входной каскад[8]. По странному стечению обстоятельств дифференциальный каскад, применявшийся в ламповых вычислительных машинах и промышленной автоматике с 1940-х годов, не использовался конструкторами звуковой аппаратуры до середины 1960-х годов, когда инженеры RCA популяризовали его применение в схемах на новейших кремниевых транзисторах[18]. Превосходство дифференциального каскада над предшествовавшими ему схемами было столь велико, что уже в первую половину 1970-х годов он вытеснил их и стал непременным, безальтернативным компонентом транзисторных УМЗЧ[18].
Параллельно конструкторы — по-прежнему связанные необходимостью использовать транзисторы одной полярности — искали способы линеаризовать от природы нелинейный, асимметричный выходной каскад схемы Лина[19]. Асимметрию можно было свести к минимуму использованием комплементарных пар мощных транзисторов. Первые практические схемы на таких парах разработали в 1967—1968 годы Барт Локанти и Артур Бейли, но необходимые для них pnp-транзисторы были пока дороги и ненадёжны. Конструкторы вынужденно продолжили совершенствование схемы, использовавшей лишь npn-транзисторы. В 1969 году на свет появились три альтернативные схемы, в которых асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи отчасти компенсировалась диодом, добавленным в пару Шиклаи; в том же году начался выпуск усилителей на «тройках Quad» — трёхступенчатых составных транзисторах[19].
Полностью подавить искажения, порождавшие «транзисторный звук», эти полумеры не могли; радикальным решением, в принципе исключавшим появление коммутационных искажений, был перевод выходного каскада в чистый режим А. По этому пути пошла британская компания Sugden и многочисленные любители-самодельщики, но для массового производства транзисторные
усилители в режиме A были запретительно до́роги[20]. Вскоре промышленность освоила выпуск недорогих и надёжных кремниевых транзисторов pnp-структуры, в практику вошли полностью комплементарные выходные каскады, и проблема асимметрии ушла в прошлое[21]. Так, не позднее 1972 года, сложилась структурная схема трёхкаскадного модифицированного усилителя Лина[21].
Налаживание УНЧ
Налаживание усилителя сводится к устранению (подстроечным резистором R17) постоянной составляющей напряжения на выходе, установке (подбором резистора R35) требуемого тока покоя выходного каскада и к проверке устойчивости работы усилителя (если взамен указанны на схеме применены транзисторы других типов).
Критерий устойчивой работы — отсутствие самовозбуждения при увеличении глубины любой ООС с выхода усилителя на 10 дБ. При недостаточной устойчивости необходимо подобрать конденсаторы С8, С9 и резистор R28.
Усилитель может работать на нагрузку сопротивлением 4 Ом. Для этого необходимо уменьшить напряжение питания выходного каскада до ± 24 В (потребляемый ток при этом увеличится примерно в 1,5 раза), а индуктивность катушки L4 — до 10 мкГн.
Источник: Борноволоков Э. П., Фролов В. В. — Радиолюбительские схемы.
Примечания[ | ]
- ↑ …….
Duncan, 1996, p. 96. - Данилов, 2004, с. 56—57.
- ↑ ……
Hood, 2006, p. 142. - Duncan, 1996, pp. 87, 88.
- Duncan, 1996, p. 88.
- ↑ ….
Hood, 2006, p. 143. - ↑ ….
Hood, 2006, p. 144. - ↑ ……..
Duncan, 1996, p. 98. - Hood, 2006, pp. 144—145.
- Hood, 2006, pp. 144—146.
- Hood, 2006, pp. 146—149.
- Hood, 2006, p. 150.
- Duncan, 1996, pp. 96—97.
- ↑ ..
Duncan, 1996, p. 97. - Duncan, 1996, pp. 96—104.
- ↑ ..
Duncan, 1996, pp. 99—100. - Полонников, 1983, с. 35.
- ↑ ..
Duncan, 1996, pp. 98—99. - ↑ ..
Hood, 2006, pp. 151—153. - Hood, 2006, pp. 154—155.
- ↑ ..
Duncan, 1996, p. 104.
