Poniżej przedstawiony został schemat wzmacniacza mocy:

Konstrukcja jest podobna do Projektu nr 68 ze stron Roda Elliotta. Od pierwowzoru różni się zastosowaniem lustra prądowego w obciążeniu pary różnicowej (tranzystory Q1 i Q5) oraz zastosowaniem statycznego źródła prądowego (tranzystor Q8) zamiast źródła typu bootstrap.

Ciekawie zaprojektowany jest stopień mocy. Tranzystory Q9 i Q11 oraz Q10 i Q12 pracują w stopniu przeciwsobnym w konfiguracji typu Sziklai (Complementary Feedback Pair). Diody D2 i D3 polaryzują ten stopień do pracy w płytkiej klasie AB (prąd spoczynkowy przepływający przez R11 i R12 jest rzędu 10 mA). Dla poprawnej kompensacji termicznej stopnia diody D2 i D3 oraz tranzystory Q9 i Q10 powinny być zamontowane na wspólnym niewielkim radiatorze. Przy niewielkich amplitudach sygnału prąd dostarczany do obciążenia wzmacniacza pochodzi wyłącznie z tego stopnia wzmacniacza.

Przy większych amplitudach sygnału wyjściowego (od około 0.5 V) do pracy włączają się właściwe tranzystory mocy (Q13 - Q16) zasilane przez prąd tranzystorów Q11 i Q12. Właściwy stopień mocy pracuje więc w czystej klasie B (a nawet można powiedzieć, że w płytkiej klasie C), przyczyniając się do dobrej sprawności całego wzmacniacza. Cały stopień mocy (tranzystory Q9 - Q16) pracuje w klasie AB, więc nie wprowadza nadmiernych zniekształceń skrośnych. Co do zasady jest to uproszczona wersja słynnego układu "current dumping circuit" firmy QUAD.

Projektowana moc wzmacniacza to 200 W rms sinus, co dla obciążenia nominalnego 4 W wymaga amplitudy sygnału wyjściowego równej 40 V. Potrzebne będzie zasilanie wzmacniacza wynoszące ±45 V w warunkach pełnego obciążenia. W zasilaczu pracował będzie transformator toroidalny o mocy 300 W i napięciu wtórnym równym 2 x 35 V.

Jednym z najważniejszych elementów wzmacniaczy mocy jest odpowiedniej wielkości radiator. Nie istnieje w tego typu układach coś takiego, jak zbyt duży radiator. Łatwo natomiast wyobrazić sobie skutki zastosowania zbyt małego radiatora.

Zamierzam zastosować w układzie dwa radiatory przedstawione na poniższej fotografii:

Czy jednak radiatory te okażą się wystarczające dla wzmacniacza o tak dużej mocy? Korzystając z arkusza kalkulacyjnego oszacowałem rezystancję termiczną radiator-otoczenie moich radiatorów na Rsa=0.775 C/W. Dla zastosowanych tranzystorów mocy otrzymuję rezystancję złącze-obudowa równą Rjc=0.7 C/W (obudowa TO-3) oraz rezystancję obudowa-radiator równą Rcs=0.5 C/W (podkładka mikowa z pastą termoprzewodzącą). Przy założeniu temperatury otoczenia Ta=25 C otrzymuję następujące temperatury w poszczególnych punktach w funkcji mocy wyjściowej sygnału:

Powyższy wykres przedstawia rozkład temperatury radiatora (Ts), obudowy tranzystorów mocy (Tc) oraz złącza tranzystorów mocy (Tj) w zależności od mocy sygnału wyjściowego. Ponieważ wzmacniacz pracuje w klasie B, maksymalna moc tracona na tranzystorach mocy występuje przy wysterowaniu wzmacniacza do około 66% mocy maksymalnej (ze względu na nieco wyższe od wymaganego napięcie zasilania w tym przypadku jest to punkt Pwy=111 W przy mocy traconej na tranzystorach równej 130 W). Maksymalne temperatury wynoszą wówczas: Ts=74.6 C, Tc=90.6 C oraz Tj=113 C. Nie są to jeszcze temperatury niebezpieczne, gdyż dopuszczalna temperatura obudowy tranzystorów MJ15003 i MJ15004 przy mocy traconej 32.5 W (czyli 130 W na czterech tranzystorach) wynosi około 175 C.

Gdyby wzmacniacz miał pracować w sposób ciągły przy mocach przekraczających 50 W, wskazane by było zastosowanie nieco większych radiatorów dla obniżenia temperatury pracy. Jednak w typowym sygnale muzycznym można spodziewać się, że uśredniona moc skuteczna najniższych dźwięków jest znacznie niższa od maksymalnej mocy skutecznej sygnału. Potwierdza to poniższa tabelka, w której wykorzystałem fragmenty muzyczne wymienione na stronie Zespół głośnikowy.

Szczytowa moc sygnału (sinus), to moc, jaką posiada sygnał sinusoidalny o amplitudzie równej maksymalnej zanotowanej amplitudzie badanego fragmentu muzycznego.

Maksymalna moc skuteczna, to maksymalny zanotowany poziom mocy skutecznej zmierzony w oknie o szerokości 50 ms. Warto zwrócić uwagę na to, że w większości przypadków poziom ten będzie nieco niższy od wyliczonej mocy sinusoidy o odpowiadającej amplitudzie. Jednak dla niektórych fragmentów muzycznych (szczególnie we fragmencie nr 4), gdzie odnotowano sporo energii sygnału poniżej częstotliwości 30 Hz, chwilowa moc rms przefiltrowanego sygnału może być większa od mocy sinusoidy.

W ostatniej kolumnie odnotowałem zmierzoną moc skuteczną sygnału uśrednioną w czasie trwania całego fragmentu muzycznego. To ta wartość mówi nam, jakiego rzędu moce wydzielą się w obciążeniu i końcówce mocy. Jak widać uśredniona moc skuteczna sygnału nie przekracza kilku watów, więc temperatura obudowy tranzystorów mocy nie powinna znacząco przekroczyć 50 ºC. Są to więc radiatory w pełni nadające się do tej aplikacji.

Powyższe zdjęcie przedstawia zmontowany układ wzmacniacza mocy bez dołączonych tranzystorów Q11-Q16 (tranzystory te zostaną zamontowane na głównym radiatorze wzmacniacza).

Przy maksymalnym wysterowaniu wzmacniacza szczytowy prąd płynący do obciążenia może wynieść 10 A. Wymaga to stosowania odpowiednio szerokich ścieżek w obwodzie drukowanym.
Zaletą stopnia mocy w układzie Sziklai jest łatwa i skuteczna kompensacja temperaturowa układu. Elementy odpowiedzialne za kompensację (tranzystory Q9 i Q10 oraz diody D2 i D3) znajdują się na osobnym niewielkim radiatorze w dobrym kontakcie termicznym.

Zastosowana przeze mnie konfiguracja stopnia mocy ma również tę zaletę, że można uruchomić wzmacniacz bez dołączania tranzystorów mocy (Q13-Q16). Ostateczne sprawdzenie układu nastąpi po zamontowaniu wzmacniacza na płycie z radiatorami.

Wszelkie prawa zastrzeżone - © Marcin Sławicz 2008