Собираем Простой усилитель Василича

В статье рассказано о сборке Простого усилителя Василича на собственных печатных платах с различными выходными транзисторами. Надеюсь, это кому-нибудь пригодится.

На эту простую схему с «заманчивыми» параметрами я обратил внимание уже давно, тем более, что у меня без дела лежали две пары латералов 2SK1058+2SJ162; отталкивало, разве что, наличие входного разделительного конденсатора C1 и отсутствие защиты выходных транзисторов от КЗ в нагрузке.

Были разработаны собственные печатные платы под маломощные SMD аудио транзисторы. На платах предусмотрена установка в основном SMD резисторов, а также мощных резисторов True Hole, электролитических и плёночных конденсаторов True Hole с возможностью их шунтирования SMD плёнкой PPS снизу платы. Влияние входного разделительного конденсатора удалось нивелировать за счёт использования качественного плёночного конденсатора Wima MKP2 0,33 мкФ, шунтированного SMD плёнкой PPS 0,033 мкФ. Простейшая защита от перегрузки и КЗ в нагрузке реализована с использованием датчиков тока на мощных низкоомных резисторах и транзисторных ключах. Размеры плат получились небольшими — 65x42 мм, что ненамного больше авторских 57x42 мм. Все платы усилителя изготавливались методом ЛУТ, однако для основных плат разработаны и полноценные варианты с герберами для заказа на производстве (архивы с рисунками печатных плат, схемами, даташитами, моделями MS14 и прочим прикреплены в конце статьи, включая приватные вложения).

Рассмотрим модернизированную схему усилителя:

Нумерация элементов схемы по возможности сохранена. Общий коэффициент усиления увеличен примерно до 13 за счёт увеличения номинала резистора R8. При повторении усилителя было решено не экономить на качестве комплектующих, чтобы можно в полной мере ощутить все его достоинства. Поэтому в конструкции применены в основном резисторы Thin FILM, плёночные конденсаторы WIMA MKP4, MKP2, SMD PPS, электролиты Nichicon FG, Nichicon KZ Muse, в выпрямителях — Cornell Dubilier SPLX (спасибо Александру за подарок). Аудиотранзисторы Q1..Q5 производства Toshiba рассчитаны на максимальное рабочее напряжение 50 В, что особенно критично для Q4,Q5. Резисторы R25, R26 — проволочные безындукционные типа BPR-56. Дроссель L1 намотан на резисторе R20 мощностью 2..3 Вт виток к витку проводом 0.71 мм (примерно 10 витков). Диоды VD1, VD2 выполняют функции защиты от переполюсовки и превышения питающих напряжений. Постоянное напряжение между затворами Q6,Q7 — порядка 1,8..1,9 В. Выходное сопротивление около 0,4 Ом.

Выходные транзисторы изолированы от радиатора керамическими прокладками из нитрида алюминия толщиной 0,6 мм (можно купить на Озоне) с тонким слоем термопасты Arctic MX-4.

Рассмотрим схему блока питания:

Красным цветом на схеме выделен необязательный узел для индикации режимов питания каждого канала. В нормальном рабочем состоянии, когда формируются все напряжения питания каждого канала, светодиоды HL1..HL4 на плате блока питания погашены, оптроны U1,U3 закрыты, а оптроны U2 открыты, и светодиоды HL1, HL2 на передней панели (см. схему «Плата светодиодов/индикации» внизу справа) светятся синим цветом. В случае перегорания одного из предохранителей в питании канала начинает мигать соответствующий светодиод HL1..HL4 на плате блока питания, и открывается один из оптронов U1.1, U1.2, U3.1, U3.2, подсвечивая красный светодиод HL1 (HL2) на передней панели. При этом оптроны U2.1 и U2.2 остаются частично открытыми за счёт наличия выходного напряжения одного из плеч, и светодиод HL1 (HL2) будет светиться малиновым цветом. В случае перегорания обоих предохранителей в питании канала соответствующий светодиод на передней панели HL1 (HL2) загорится красным цветом, так как выходного напряжения питания канала будет недостаточно для открывания стабилитрона VD13 (VD14) и оптрона U2, и синий светодиод HL1 (HL2) на передней панели погаснет.

Светодиоды HL5,HL6 на плате блока питания служат для контроля наличия напряжений питания на вторичных обмотках трансформатора для каждого из каналов. Вид собранной платы блока питания (ЛУТ) сверху:

Вид собранной платы блока питания (ЛУТ) снизу (с приклеенной платой узла индикации):

Описанный «навороченный» узел индикации (как и рассматриваемый ниже селектор входов) является опциональным, и был разработан исключительно под конкретный корпус с соответствующими отверстиями и надписями. В архивном вложении со схемами имеется упрощённый начальный вариант схемы и печатной платы блока питания для индикации состояния предохранителей одним мигающим светодиодом (который также необязателен к повторению).

В выпрямителях использованы две пары мощных сдвоенных диодов Шоттки с общим катодом (VD1,VD2,VD5,VD6) и общим анодом (VD3,VD4,VD7,VD8), что позволило сэкономить место на печатной плате.

Тороидальный трансформатор питания намотан вручную на магнитопроводе ОЛ 80x50x30 из электротехнической анизотропной стали (ГОСТ 32482-2013) марки T130-30S 0.3 мм, купленном на Озоне. Для первичной обмотки намотано 1540 витков провода ПЭТВ-2 0,25 (4 слоя виток к витку — примерно 142 м), для вторичных обмоток — по 4 x 168 витков провода ПЭВ-2 0,6 (в 4 провода 4 слоя виток к витку — примерно 4x20 м). Отдельные слои обмоток изолировались тонкой лентой шириной около 2 см, отрезанной от рукава для запекания, а для межслойной изоляции дополнительно использовалась лакоткань ЛКМ-105 толщиной 0,1 мм, купленная на Озоне. Параметры расчёта трансформатора приведены в виде файла Excel архивном вложении. Ток холостого хода трансформатора получился около 3 мА. Напряжения холостого хода на выходах выпрямителей без нагрузки — порядка ±31..32 В, при токе покоя усилителя 150 мА — порядка ±27..28 В, при работе усилителя на нагрузку ±22..25 В.

Питание на первичную обмотку силового трансформатора подаётся через EMI-фильтр (показан на схеме вверху справа), совмещённый с фильтром постоянной составляющей, что может быть необходимым при использовании тороидального трансформатора, не допускающего постоянного подмагничивания. При перегорании сетевого предохранителя на плате фильтра будет светиться светодиод HL1.

Усилитель включается очень тихо, а выключается вообще бесшумно, поэтому в его конструкции не требуется узлов задержки подключения динамиков, а за счёт применения в блоке питания «виртуальной» земли (отдельно для каждого канала) усилителю не требуется защита акустических систем от постоянного напряжения. Таким образом, конструкция получается предельно простой.

Примечание: в ходе первых экспериментов обнаружилась неприятная вещь (в обоих каналах одинаковая): в процессе разряда электролитов через несколько секунд после выключения на выходе было слышно затухающее возбуждение в виде скрипа или даже «визга», которое очень просто устранилось шунтированием входа усилителя (разъём X1) резистором номиналом 10 кОм. Таким образом, оставлять вход полностью «свободным» нежелательно — в моём случае достаточно было подключить на вход усилителя потенциометр регулятора громкости RK27 номиналом 10k.

Что же можно сказать о качестве звука? Он оказался просто потрясающим, чего я, честно говоря даже не ожидал. Наверное, это лучший по звуку усилитель, который мне довелось собрать!

Единственное, чем я был обескуражен — это небольшая выходная мощность на нагрузке 8 Ом — всего 12,5 Ватт. Как так? Моделирование с латералами показывает примерно те же результаты. Во-первых, напряжение питания ±30 В указано для режима холостого хода, реально и при моделировании нужно учитывать ±25 В. Дальнейшее же повышение напряжения питания требует ограничения напряжения на входных транзисторах Q4,Q5 (и Q1,Q2,Q3) с помощью стабилитронов, но я не стал этого делать, так как с моей акустикой чувствительностью 92 дБ даже полученной мощности было бы достаточно. Во-вторых, максимальная выходная мощность получается ниже ожидаемой из-за довольно низкой крутизны выходных транзисторов (0,7..1,4S по даташиту). Совсем незначительно поднять выходную мощность удалось повышением тока покоя ВК до 200..300 мА (так крутизна транзисторов выше). Видимо, латералы 2SK1058+2SJ162 больше подходят для мостовых усилителей (цирклотронов), где размах сигнала, подаваемого на затворы, заведомо больше. Или нужно включать транзисторы в параллель. Честно говоря, я бы оставил этот вариант с выходной мощностью 12,5 Ватт, но мысль попробовать другие транзисторы не давала мне покоя :)

Естественным продолжением экспериментов стала установка на выход транзисторов IRF620+IRF9630, указанных в авторской модели Multisim. Что же это за транзисторы? Да, это вроде как обычные MOSFET, но с невысокой крутизной. Так, например, для IRF620 её нижнее значение указано выше 1,5S, а для IRF9630 — выше 2,8S. Что интересно, пара IRF620+IRF9630 по основным параметрам (крутизна, максимальный ток стока) оказалась ближе, чем IRF620+IRF9620 или IRF630+IRF9630. Если внимательно посмотреть на параметры IRF620, то они вообще похожи на 2SK1529. Хорошо, пробуем связку IRF620+IRF9630:

Номинал потенциометра R14 пришлось увеличить до 500 Ом, а ограничительного резистора R14a — до 1 кОм. Ну и конечно же, нужно учитывать, что транзисторы в корпусах TO-220 и с другим расположением выводов. Для экспериментов я наращивал выводы транзисторов проводками, и запаивал их на плату для латералов. Во вложении есть и нарисованная плата под эти корпуса TO-220, и даже гербер-файл, но эта плата никем не проверялась!

И уже появился прогресс: мощность на нагрузке 8 Ом возросла до 16 Ватт, при этом качество звука не пострадало! Однако, «рывка» в увеличении выходной мощности не произошло, так как из-за высоких пороговых напряжений выходных транзисторов напряжение между затворами выходных транзисторов получилось около 8,3..8,4 В! Оно то и «съедает» максимальную амплитуду выходного сигнала. Выходное сопротивление усилителя близко к 0.

Интересно, а если попробовать снять АЧХ? Используем широкополосный DDS генератор и получаем довольно неожиданный результат в полосе частот 1 Гц..10 МГц:

Или для уровня -3 дБ получаем диапазон 8,5 Гц-1,1 МГц:

Как говорится, «пожалуйста допускайте 1..2 см разницы за счёт ручного измерения», но в целом картина ясна — получился очень линейный и широкополосный усилитель.

Для дальнейших экспериментов мне удалось купить две пары современных оригинальных латералов ECW20N20-W6+ECW20P20-W6 в корпусах TO-264 — в объявлении здесь на сайте у Юрия (Miron). Потом уже в объявление были добавлены ECX10N20-W6+ECX10P20-W6, которые тоже прекрасно подойдут и дешевле, но я уже не стал «дёргаться».

А в результате получилось то, что и показывало моделирование: выходная мощность возросла до 21,5 Вт на нагрузке 8 Ом при том же напряжении питания и при том же качестве звука. Ток покоя был снижен до 150 мА, чтобы уменьшить нагрев усилителя (корпус усилителя теперь чуть тёплый). Постоянное напряжение между затворами Q6,Q7 опустилось до 0,9..1,5 В, и номинал резистора R14a пришлось уменьшить. Моделирование показывает, что на нагрузке 6 Ом максимальная выходная мощность усилителя увеличится до 27..30 Вт.

Когда стало окончательно ясно, что этот усилитель обязательно нужно воплотить в виде законченной конструкции, по совету моего товарища AII было решено купить небольшой корпус с внешними размерами 263 x 221 x 98 мм и внутренними размерами 180 x 200 x 92 мм. Корпус пришёл с надписями, что для меня оказалось неожиданным, и попытка их «вытравить» не увенчалась успехом, поэтому чтобы ничего в корпусе не испортить, было решено оставить все надписи как есть, и просто доработать (усложнить) схему индикации. Левая кнопка переключает входы (их на задней панели два) — при нажатом положении выбираются входы 2, при отжатом — входы 1, с соответствующей подстветкой зелёным светодиодом (см. схему блока питания внизу справа — светодиоды HL3,HL4 на плате светодиодов передней панели / плате индикации). Питание селектора входов осуществляется от разъёма X8 (или X7) на плате блока питания.

Селектор входов собран на небольшой плате, которая прикреплена к задней стенке усилителя между входными разъёмами: