Обратная связь ОУ
Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.
С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.
Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно. В операционном усилителе все происходит подобным образом
В операционном усилителе все происходит подобным образом.
Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?
Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.
Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь
Да, в операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.
Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать. Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.
С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).
А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость. В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.
При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.
Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.
↑ Несколько слов о примененных в схеме деталях
Силовой трансформатор от какой то старой ламповой радиолы. У него есть накальная обмотка на 6.3 вольта с током примерно 3.5А и высоковольтная с напряжением 250в и током примерно в 200мА. В принципе можно подобрать унифицированный трансформатор из серии ТАН с подходящими параметрами. Конденсаторы в фильтре впаяны с плат компьютерных блоков питания, тех самых от которых взяты и корпуса. Можно вместо двух последовательно включенных конденсаторов на 200в применит один на напряжение 400-450в вдвое меньшей емкости. Параллельно им подключены пленочные неполярные конденсаторы. Это пусковые конденсаторы для электродвигателей. Они же являются и крепежными элементами для электролитов. Дроссель взят от телевизора. Он имеет индуктивность 0.4Гн и рассчитан на ток 350мА. Можно взять любой другой дроссель с большей индуктивностью и рассчитанный на ток не менее 200 мА.Выходные трансформаторы. Я в качестве выходных использовал трансформаторы ТВК110-ЛМ от кадровой развертки телевизоров. Трансформатор иметт сердечник ШЛ16х25. Первичная обмотка содержит 2480 витков провода диаметром 0.15мм и две вторичные обмотки одна 240 витков 0.15 и вторая 148 витков провода диаметром 0.6мм. Если у вас акустика имеет сопротивление 16 Ом (например на динамиках 4А32 или 4А28) то можно использовать этот трансформатор без переделки. Для подключения более низкоомной акустики его надо переделать. Разбирается этот трансформатор без проблем. После разборки я отматал от вторичной обмотки примерно 50 витков и после этого снова собрал трансформатор. В катоде выходной лампы включенконденсатор 10000мкФ . Параллельно ему включены пара бумажных конденсаторов общей емкостью 4мкф (я взял старые Тесловские бумаго-масляные конденсаторы на напряжение 160в). Бумажные конденсаторы служат еще и как опорные элементы для большого электролита. В катоде драйверной лампы стоят конденсаторы Rubycon 3300мкФ выпаянные из горелой материнской платы. Они зашунтированы неполярными конденсаторами К73-1 емкостью 1 мкФ.Разделительные конденсаторы С4 и С5 — «бутерброд» из бумаги со слюдой. Резистор R8 – задает смещение выходной лампы. Конструктивно он состоит из постоянного резистора на 100 Ом и проволочного переменного на 150 Ом. Остальные детали никаких особенностей не имеют и взяты первые попавшиеся под руку с подходящими номиналами.
Схема блока питания двухтактного усилителя на Гу-50
Примечание редакции: Рекомендуем
2 варианта исполнения выходного трансформатора. Первый вариант на
железе ОСМ-0,25: ШЛ32х50, габарит намотки 68×15. Первичная обмотка:
провод 0,25 по меди, в изоляции 0,3 мм, секция 225 витков. Намотка
по слоям 2-4-4-ср. точка-4-4-2, по виткам
450+900+900-ср.точка-900+900+450, всего витков 2×2250, соединение
секций последовательное. Вторичная обмотка для нагрузки 8 Ом — 110
витков, провод 0,53-0,55 по меди, в изоляции 0,6 мм. 5 секций по 110
витков в один слой мотаются между секциями первичной обмотки,
соединение секций параллельное. Прокладки: калька или бумага для
выпечки 0,05 мм межслойная 1 слой, межсекционная 2 слоя. Пропитка
в смеси парафин-воск для устранения дребезга витков и
магнитострикции железа. Второй вариант — на железе от
унифицированного ТС-180. Первичная обмотка: провод 0,3, в изоляции
0,34 мм, 2×2000 витков, 4 секции по 500 витков на каждой катушке, в
секции два слоя по 250 витков. Соединение секций по Z. Вторичная
обмотка для нагрузки 8 Ом: 100 витков в один слой провод 0,75, по
изоляции 0,82 мм, 6 секций между секциями первичной обмотки, по три
секции на каждой катушке, соединены параллельно. Между слоями калька
или бумага для выпечки 0,05 мм, между секциями тоже в 2-3 слоя.
Пропитка в смеси парафин-воск для устранения дребезга витков и
магнитострикции железа. Ультралинейный отвод для подключения
экранирующих сеток пентодов делать от первых секций первичной
обмотки, считая от средней точки.
↑ Моя схема усилителя на лампах 6П3С
Мой усилитель имеет ряд изменений. Драйвер работает в более токовом режиме. В катодах ФИ применен составной резистор, позволяющий легко регулировать смещение ламп. Разница между напряжением на аноде первой лампы и на катодах ФИ должна быть 4-5 В. Это и есть напряжение смещения для ламп ФИ. Ток через эти лампы определяем по падению напряжения на нагрузочных резисторах этих ламп. Эти резисторы не случайно имеют разный номинал, 24к и 27 кОм. Кус плеч разный, поэтому нагрузочные резисторы разные — 24 кОм и 27 кОм. Точная настройка симметрии сигнала заключается в подборе этих резисторов. Будем играться резистором на 24 кОм, контролируя уровень сигнала на анодах ламп фазоинвертора. Подаем на вход усилителя сигнал. Напряжение замеряем тестером через небольшой конденсатор (0,22 — 1 мкФ), который отсечет от прибора постоянку. Перед каждым (!) замером конденсатор разряжаем. Иначе остаточный потенциал будет портить показания. Я впаял в анод резистор на 22 кОм, заготовил добавочные резисторы от 300 Ом до 4,7 кОм и подобрал номинал, при котором уровень сигнала на анодах стал практически одинаков. Резистор можно оставить составным. Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.
В выходном каскаде еще больше непривычного.
Лампы работают в пентоде. Вторая сетка стабилизирована не относительно земли, а относительно анодного питания. Так проще реализовать применение газоразрядного стабилитрона. Это понравится ортодоксальным лампостроителям. Лампе особо по барабану, относительно чего будет стабилизирована сетка. Гасящим резистором служит внутренее сопротивление лампы.
Резистор на 100к устраняет щелчок при запуске стабилитрона. Можно собрать традиционный стабилизатор, на каменном стабилитроне, на микросхеме, относительно массы, анодного, как кто хочет. Но сетку желательно стабилизировать. Звук тогда динамичней, точнее.
Выходной трансформатор.
Железо ОСД-03 (аналог ОСМ-0,16), первичка – 2500 с отводом от середины, намотана проводом 0,4. Вторичка для акустики 8 Ом – 96 витков. Получаем приведенка – 6к, активное сопротивление 55 Ом, индуктивность 30Гн. Трансформатор мотался для 6С4С. Несмотря на свою «триодность» очень хорошо прижился в этой конструкции.
↑ Настройка усилителя
Тут я полностью цитирую Манакова: Первый каскад настраивается по падению постоянного напряжения 1,8-2 В в контрольной точке на катодном резисторе подбором номинала этого резистора. Второй каскад настраивается по падению постоянного напряжения в контрольных точках на катодных резисторах 1 Ом ламп выходного каскада, путём регулировки напряжения смещения на управляющих сетках этих ламп. Падение напряжения на них должно быть 0,035-0,04 В, что соответствует току анода каждой лампы 35-40 мА. Наиболее «экономные» могут снизить токи выходных ламп до 25-30 мА. Я думаю, излишне напоминать о том, что все эти настройки нужно производить в режиме молчания. По переменному напряжению фазоинверсный каскад настраивается при подаче переменного напряжения около 0,5 В с частотой 3 кГц на сетку левого триода лампы 6Н9С, подстроечным резистором в цепи сетки правого триода лампы выставляется одинаковое по величине переменное напряжение на анодах лампы. При этом нужно пользоваться вольтметром с входным сопротивлением не менее 1 мегОм.
Добавлю лишь, что при использовании ламп EL34, токи покоя можно (и нужно!) смело поднимать примерно до 56 — 60 мА, при анодном напряжении около 350 В.
Блок питания
Если к блоку питания не предъявлять жестких требований по стабильности напряжения и уровню пульсаций, что характеризует, в частности, описанный выше усилитель мощности, то в качестве источника питания можно использовать обычный двухполярный блок питания, принципиальная схема которого показана на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема Стабилизированного двуполярного блока питания для УМЗЧ на +- 44В.
Мощные составные транзисторы VT7 и VT8, включенные по схеме эмиттерных повторителей, обеспечивают достаточно хорошую фильтрацию пульсаций напряжения питания с частотой сети и стабилизацию выходного напряжения благодаря установленным в цепи стабилитронов VD5. VD10.
Элементы L1, L2, R16, R17, С11, С12 устраняют возможность возникновения высокочастотной генерации, склонность к которой объясняется большим коэффициентом усиления по току составных транзисторов.
Величина переменного напряжения, поступающего от сетевого трансформатора, выбрана такой, чтобы при максимальной выходной мощности УМЗЧ (что соответствует току в нагрузке 4 А) напряжение на конденсаторах фильтра С1. С8 снижалось примерно до 46. 45 В. В этом случае падение напряжения на транзисторах VT7, VT8 не будет превышать 4 В, а рассеиваемая мощность транзисторами составит 16 Вт.
При уменьшении мощности, потребляемой от источника питания, увеличивается падение напряжения на транзисторах VT7, VT8, но рассеиваемая на них мощность остается постоянной из-за уменьшения потребляемого тока. Блок питания работает как стабилизатор напряжения при малых и средних токах нагрузки, а при максимальном токе — как транзисторный фильтр.
В таком режиме его выходное напряжение может снижаться до 42. 41 В, уровень пульсаций на выходе достигнет значения 200 мВ, КПД равен 90%. Как показало макетирование, плавкие предохранители не могут защитить усилитель и блок питания от перегрузок по току из-за своей инерционности.
По этой причине было применено устройство быстродействующей защиты от короткого замыкания и превышения допустимого тока нагрузки, собранное на транзисторах VT1. VT6.
Причем функции защиты при перегрузках положительной полярности выполняют транзисторы VT1, VT2, VT5, резисторы R1, R3, R5, R7. R9, R13 и конденсатор С9, а отрицательной — транзисторы VT4, VТЗ, VТ6, резисторы R2, R4, R6, R10. R12, R14 и конденсатор С10.
Рассмотрим работу устройства при перегрузках положительной полярности. В исходном состоянии при номинальной нагрузке все транзисторы устройства защиты закрыты. При увеличении тока нагрузки начинает расти падение напряжения на резисторе R7, и, если оно превысит допустимое значение, начинает открываться транзистор VТ1, а вслед за ним и транзисторы VТ2 и VТ5.
Последние уменьшают напряжение на базе регулирующего транзистора VТ7, а значит, и напряжение на выходе блока питания. При этом за счет положительной обратной связи, обеспечиваемой резистором R13, уменьшение напряжения на выходе блока питания приводит к ускорению дальнейшего открывания транзисторов VТ1, VТ2, VТ5 и быстрому закрыванию транзистора VТ7.
Если сопротивление резистора положительной обратной связи R13 мало, то после срабатывания устройства защиты напряжение на выходе блока питания не восстанавливается даже после отключения нагрузки.
В этом режиме необходимо было бы предусмотреть кнопку запуска, отключающую, например, на короткое время резистор R13 после срабатывания защиты и в момент включения блока питания.
Однако, если сопротивление резистора R13 выбрать таким, чтобы при коротком замыкании нагрузки ток не был равен нулю, то напряжение на выходе блока питания будет восстанавливаться после срабатывания устройства защиты при уменьшении тока нагрузки до безопасной величины.
Практически сопротивление резистора R13 выбирается такой величины, при которой обеспечивается надежное включение блока питания при ограничении тока короткого замыкания значением 0,1 . 0,5 А. Ток срабатывания устройства защиты определяет резистор R7. Аналогично работает устройство защиты блока питания при перегрузках отрицательной полярности.
Сборка УНЧ
Теперь сборка. На шасси пошла одна боковина от старого компьютерного корпуса, на днище – вторая. По задуманной конструкции, ламповые панели должны быть приподняты над шасси, поэтому в последнем были вырезаны прямоугольные отверстия, которые я закрыл платами из фольгированного стеклотекстолита со впаянными в них ламповыми панелями.
В первоисточнике было еще вот такое замечание.
Поэтому нужно было придумать задержку анодного напряжения. Ставить тумблер на анодное не захотел, поскольку не люблю резких переходных процессов в виде бросков анодных и сеточных токов. С учетом вышесказанного (и показанного), схема блока питания и софтстарта получилась вот такая.
