Схемотехника усилителя мощности на примере Musatoff PA-20

[Мусатов Константин]

Тепло в металлах, особенно в меди и латуни распространяется очень быстро.

Быстро - это не цифра. Время прогрева кристалла транзистора от долей до единиц миллисекунд. Время прогрева корпуса транзистора уже сотни мс. Скорость распространения тепла равна скорости звука в среде. Но нельзя забывать про тепловую инерцию. Температура накапливается с постоянной времени соотношения теплоемкости и теплопередачи.

А почему транзистор нельзя нагреть из вне до некоторой температуры, чтобы колебания температуры перехода от изменения сигнала было не столь заметно?

А не важно абсолютное значение температуры. Важно изменение температуры перехода. Смещение перехода имеет коэффициент 2.5 мВ на градус.

Или например вместо одного транзистора на 10 Вт использовать 10 параллельно соединенных транзисторов.

По сути, современные транзисторы так и устроены. Если у 10-и транзисторов суммарная масса подложки будет больше, чем у одного мощного, то это улучшит тепловую динамку. Но тепловая модуляция изменится не сильно. При прочих равных, объем перехода будет примерно тем же, поскольку он определяется плотностью тока.

[Игорь Тихомиров]

При прочих равных, объем перехода будет примерно тем же, поскольку он определяется плотностью тока.

Если применить 10 мощных транзисторов дав им приличный ток покоя. Переменная составляющая тока ведь уменьшится в 10 раз.

[Мусатов Константин]

Если применить 10 мощных транзисторов дав им приличный ток покоя. Переменная составляющая тока ведь уменьшится в 10 раз.

Да и вообще были варианты ставить на вход мощные транзисторы. Характер звука меняется при этом на более жирный, что характеризует большие постоянные времени тепловых искажений. Но при этом теряется детальность, портятся частотные характеристики.

[Владимир R-V-A]

Так обычно и поступают уже лет 40-50 - в выходных усилителях тока по десять или даже по двадцать комплементарных пар транзисторов мощностью по 60-150 Вт в каждом канале, работающих фактически параллельно. А в эмиттерах токоограничительные резисторы не по 0,2-0,5 Ом, а по 1 Ом и графит, а не проволока. В диф каскадах тоже можно ставить мощные транзисторы, например вместо кт3102 (кт315 или микро сборки примерно с такими же параметрами) можно ставить более мощные транзисторы кт602. И проблема решена...

- - - Добавлено - - -

Ставил на входе в диф каскаде и кт602 и кт605 - звук лучше, чем у кт315. Была идея попробовать СВЧ типа кт 606 - 930, но, что-то так и не собрался.

[Мусатов Константин]

Ставил на входе в диф каскаде и кт602 и кт605 - звук лучше, чем у кт315.

Да. Вот только моя задача не "лучше", а практически исключить влияние

[Владимир R-V-A]

Да. Вот только моя задача не "лучше", а практически исключить влияние

ВАУ!

А я вот ближе к старости решил звезд с неба не хватать - скоро расскажу и покажу графики как сделать работу одной из самых дешевых микросхем TDA2005, как у лампового (триодного) УНЧ той же мощности с помощью только диодов, ну может еще и пары резисторов и/или конденсаторов - чтобы этими действиями получить весь возможный спектр звучания триодных ламповых УНЧ по цене дороже раз в сто, чем можно сделать такой же на слух УНЧ на типовых отечественных и импортных микросхемах - УНЧ.

А может и не расскажу - еще не определился - ну, какая мне при этом будет выгода в этом мире не совсем понятно. Спасибо на хлеб не намажешь и в замках у берега самого синего моря, где чайки летят над волною, жить будут другие изобретатели.

Да, Константин!?

[Мусатов Константин]

Владимир. Сколько я раз вас просил не располагать рекламу своих решений по всем веткам, делайте ее исключительно в своих.

[Владимир R-V-A]

Я хотел как лучше. С детства мне внушили, что реклама - двигатель прогресса.

[Карабас]

Да. Вот только моя задача не "лучше", а практически исключить влияние

С этой точки зрения входной каскад сделан довольно изящно. Постоянство рассеиваемой мощности входных транзисторов обеспечено практически на 100%. Немного разочаровывает сложность входного каскада. Нужно будет подумать (мне), как достичь похожего эффекта более простыми средствами. С током покоя выходного каскада, видимо, тоже не все просто. Схема смещения, кажется, экспериментально отрабатывалась для стабилизации тока связки полевой-биполярный транзистор.

[Мусатов Константин]

Схема смещения, кажется, экспериментально отрабатывалась для стабилизации тока связки полевой-биполярный транзистор.

Не, схема была синтезирована при проектировании. Поскольку примененные полевики термостабильные, то задача смещения - подстраиваться только под смещение выходных транзисторов. Тепловой датчик TC1047 имеет фиксированный коэффициент и его резисторами согласовал с работой шунтового стабилизатора TL431.

[Игорь Тихомиров]

Да и вообще были варианты ставить на вход мощные транзисторы.

А с выходным так разве нельзя сделать. Ну и чтобы исключить тепловую модуляцию высоких частот низкими надо разделить полосы усиления хотя бы на две части. Меня вообще удивляет почему от широкополосного усиления до сих пор не отказались. Ведь многополосное усиление решает много проблем.

[Мусатов Константин]

С выходными транзисторами такой проблемы нет. Они охвачены внешней ООС, которая минимизирует тепловые эффекты очень хорошою Остается только вопрос снижения модуляции начального тока импульсами сигнала. Но вот с эти как раз хорошо борются диоды, стоящие на том же кристалле, что и транзистор. Они на схеме между базами. Собственно, благодаря им удалось не применять эмиттерные резисторы.

[Владимир R-V-A]

Тогда не понятно, как вы собираетесь снижать эти искажения дальше, если все, что можно придумать уже есть, а быстро греть транзисторы и их p-n переходы внешними источниками тепла вы не хотите? Если инерционность внешних нагревателей вас не устраивает, можно на одном кристалле, прямо в корпусе одного транзистора, сделать два транзистора, стоящих рядом или напротив друг друга через общий тепло проводящий материал. Один будет работать по полезному сигналу, а другой, с помощью специальной схемы - обвеса, будет его максимально точно греть в противофазе по энергии сигнала, чтобы температура всегда была постоянной. Я как бы других вариантов тут не вижу.

Ну, это уже в области новых разработок микроэлектроники, а не схемотехники.

Про результаты своих исследований относительно расширения возможностей типовых микросхем - УНЧ, которые выпускают транснациональные корпорации мира сообщу в другой ветке, чтобы не отклоняться от основной темы этого поста.

[Игорь Тихомиров]

сделать два транзистора, стоящих рядом или напротив друг друга через общий тепло проводящий материал. Один будет работать по полезному сигналу, а другой, с помощью специальной схемы - обвеса, будет его максимально точно греть в противофазе по энергии сигнала, чтобы температура всегда была постоянной.

Греть в противофазе это сильно сказано
По моему надо просто сделать внешний подогрев пп приборов до, скажем, 60^о установив их на теплопроводную подложку с нагревательным элементом. Тогда в маломощных пп приборах нагрев переходов от сигнала не будет заметен. Не понимаю, почему так нельзя сделать.

[Мусатов Константин]

Один будет работать по полезному сигналу, а другой, с помощью специальной схемы - обвеса, будет его максимально точно греть в противофазе по энергии сигнала, чтобы температура всегда была постоянной. Я как бы других вариантов тут не вижу.

Да, это то же один из вариантов решения. Еще вариант использование полевиков JFET в точке термостабилизации. У части таких полевиков точка термостабильности попадает в область нормальных режимов. При достаточно глубокой ООС уровень сигнала оказывается мал, что бы заметно вывести мгновенный режим из области термостабильности.

Про результаты своих исследований относительно расширения возможностей типовых микросхем - УНЧ, которые выпускают транснациональные корпорации мира сообщу в другой ветке, чтобы не отклоняться от основной темы этого поста.

ТАкие фирмы, как ТИ и АналогДевайсис вопросы тепловых процессов в микросхемах прошли в конце 80-х и 90-х годах. В микросхемах есть дополнительные возмущающие факторы, в виде выходных транзисторов, стоящих на тех же кристаллах. Тепловые волны от них возмущают работу входных каскадов. Потому у них в топологии родились такие решения, как разделение входных транзисторов на несколько экземпляров и распределение их по краям кристалла. А выходные транзисторы по центру. Тогда тепловые полны одновременно достигают обоих транзисторов во входном диффкаскаде и эффект снижается.

По моему надо просто сделать внешний подогрев пп приборов до, скажем, 60о установив их на теплопроводную подложку с нагревательным элементом. Тогда в маломощных пп приборах нагрев переходов от сигнала не будет заметен. Не понимаю, почему так нельзя сделать.

Вы не поняли. Не важно абсолютное значение температуры. Если мощность теплорассеяния изменилась на dP, то температура изменится на dT=dP / Rt, где Rt - тепловое сопротивление конструкции кристалла. Смещение транзистора изменится на dT * 2.5 mV/K. Получается, что не важно, изменится температура с -20 до -19 или с 100 до 101 градуса, изменение смещение будет одинаковым.

[Игорь Тихомиров]

dT=dP / Rt, где Rt - тепловое сопротивление конструкции кристалла.

Так в диф. каскаде один транзистор открывается другой запирается. Если транзисторы на рядом на одном кристалле, то тепловое сопротивление между ними маленькое. Кроме того для маломощных схем Р маленькая, то и dP по абсолютной величине тоже маленькое. По моему для маломощных схем проблема преувеличена.

[Мусатов Константин]

По моему для маломощных схем проблема преувеличена.

Что бы она не была преувеличена - посчитай. Два транзистора на одном кристалле действительно греют друг друга. Но и тут есть временной лаг. Хотя это реально лучше, чем два отдельных кристалла. Потому я применяю сборки с идентичными транзисторами.

[Карабас]

На самом деле есть еще одна возможность температурной стабилизации кристалла. Нужно выполнить условие dV/V=dI/I для входного каскада с одиночным транзистором. Тогда при изменении тока на величину dI получим изменение мощности, рассеиваемой кристаллом равное малой величине 2-го порядка dI*dU, причем со знаком минус и при увеличении и при уменьшении тока. Остается сделать небольшую схемную прибамбасину для нейтрализации этой малой величины и проблема решена.

[Мусатов Константин]

Остается сделать небольшую схемную прибамбасину для нейтрализации этой малой величины и проблема решена.

Эта схемная прибамбасина называется резистор, падение напряжения на котором равно падению напряжения на транзисторе. Девиация становится параболической, но не нулевой. Чем меньше падение напряжения на транзисторе и резисторе, тем меньше девиация мощности. Попытки сделать более продвинутую схему к результату не приводят, вылазят эффекты от разброса базовых токов.

[Карабас]

Можно, конечно подобрать и резистор, в первом приближении. А для одиночного транзистора разброс тока выражается, видимо, только в Эффекте Эрли.

[Владимир R-V-A]

Греть в противофазе это сильно сказано
По моему надо просто сделать внешний подогрев пп приборов до, скажем, 60^о установив их на теплопроводную подложку с нагревательным элементом. Тогда в маломощных пп приборах нагрев переходов от сигнала не будет заметен. Не понимаю, почему так нельзя сделать.

Вы не поняли дополнительный транзистор тоже высокочастотный и он просто работает как быстрый нагреватель (без существенной задержки - это не спираль как у лампочки). Он к схеме, собственно, усиления сигнала никакого отношения вообще не имеет - просто греет рабочий транзистор так, чтобы у него температура кристалла перехода практически не менялась.

[Мусатов Константин]

Вы не поняли дополнительный транзистор тоже высокочастотный и он просто работает как быстрый нагреватель (без существенной задержки - это не спираль как у лампочки). Он к схеме, собственно, усиления сигнала никакого отношения вообще не имеет - просто греет рабочий транзистор так, чтобы у него температура кристалла перехода практически не менялась.

Не хватит скорости. Даже транзисторы на одном кристалле в сборке имеют временной лаг воздействия друг на друга. Хотя он уже может быть не таким серьезным: сотни микросекунд. А вот даже сжатые подложками транзисторы дадут задержку в десятки и сотни миллисекунд и это уже гарантированно выпадает за характерные времена распознавания звуковых источников мозгом в районе 1 мс.

[Владимир R-V-A]

Не хватит скорости. Даже транзисторы на одном кристалле в сборке имеют временной лаг воздействия друг на друга. Хотя он уже может быть не таким серьезным: сотни микросекунд. А вот даже сжатые подложками транзисторы дадут задержку в десятки и сотни миллисекунд и это уже гарантированно выпадает за характерные времена распознавания звуковых источников мозгом в районе 1 мс.

Это не проблема в век цифровых технологий. Просто на схему транзисторов нагревателей сигнал подается раньше, чем на усилительные каскады (с оптимальной задержкой, например, 0,05 - 3 ms). Причем эту задержку (точней как бы время опережения) можно сделать не постоянной величиной, а как функцию любых других параметров, например частоты и/или уровня сигнала. Если нужно уж совсем в ноль свести тепловые искажения, то можно использовать в качестве нагревателей не один, а два или несколько транзисторов, работающих как бы каждый в своей полосе частот, чтобы снизить инерционность и неточность нагрева кристалла рабочего транзистора.

Решение?

У меня похожие решения описаны в одном из патентов РФ, где в обратной связи стоят не обычные пассивные R, C, L элементы, а компьютер с АЦП, ЦАП и специальной программой. Условно такой УНЧ можно назвать - Умный УНЧ. И там примерно так же можно делать всякие упреждающие регулировки и настройки сигнала на входе УНЧ, например, когда надо и вовремя можно подключать дополнительные цепи - усилителей тока в выходных каскадах УНЧ, повышать рабочее напряжение выходных каскадов. И, если УНЧ уже не тянет уже по мощности, то вводить мягкое (ламповое) ограничение входного сигнала переводя работу УНЧ в режим как бы своеобразного компрессора.

[Мусатов Константин]

Это не проблема в век цифровых технологий. Просто на схему транзисторов нагревателей сигнал подается раньше, чем на усилительные каскады (с оптимальной задержкой, например, 0,05 - 3 ms).

А если мы слушаем винил или магнитофон? Мне кажется это слишком сложное решение.

[Игорь Тихомиров]

А если наряду с звуковым сигналом замешать АМ сигнал с ВЧ несущей и огибающей противоположной фазы звуковому сигналу