Модернизация блока УНЧ-50-8: схема, компоненты и улучшение характеристик

УНЧ-50-8 — это классический советский усилитель мощности, широко применявшийся в аппаратуре того времени. Несмотря на надежность, его исходные характеристики, такие как коэффициент гармонических искажений (КГИ) на уровне 0,3%, далеки от современных стандартов Hi-Fi. В данной статье подробно описан процесс модернизации данной схемы для снижения искажений до уровня менее 0,01%, что позволяет значительно улучшить качество звучания. Для достижения таких результатов применяются проверенные решения из книги Дугласа Селфа «Проектирование качественных УМЗЧ».

В качестве примера усилителя, использующего схожие принципы построения, можно привести , где также заявляется КГИ не более 0,3%. Для транзисторной техники этого времени это многовато, если мы стремимся к чистому звуку без намеренных «ламповых» искажений. Наша цель — минимизировать внесение искажений в сигнал, оставив возможность коррекции тембра внешними устройствами, если это необходимо.

Постановка задачи и анализ исходной схемы

Блок УНЧ-50-8 представляет собой типовое схемотехническое решение для своего времени. Однако при детальном разборе выявляются две основные проблемы, влияющие на качество звука:

1. Несимметрия токов в плечах дифференциального каскада (VT2, VT4), несмотря на наличие источника тока.
2. Влияние эффекта Эрли на транзистор усилителя напряжения (VT10), приводящее к непостоянству тока базы.
3. Отсутствие качественного токового зеркала в дифференциальном каскаде (VT7, VT10), что ограничивает коэффициент усиления и стабильность.

Решение этих проблем позволяет снизить искажения в десятки раз. Более подробно теоретическая база изложена в книге Дугласа Селфа, на которую мы будем опираться при выборе компонентов. Для сравнения, в популярном усилителе также используется каскодная схема, что подтверждает эффективность данного подхода для получения качественного звука.

Планка искажений для нашей модернизации установлена на уровне менее 0,01%. Это значительно лучше требований к Hi-Fi аппаратуре (0,1%). Для понимания: нетренированный человек начинает различать гармонические искажения лишь начиная с 0,5%, поэтому достижение значений 0,01% гарантирует отсутствие слышимых артефактов.

Схема модернизации и цветовая маркировка изменений

Вариант доработанной схемы приведен ниже. Все изменения помечены цветом для удобства монтажа на родной плате.

Зеленая зона: Дифференциальный каскад

Для устранения нелинейных искажений второй гармоники введено токовое зеркало на транзисторах VT5 и VT6. Это решение, рекомендованное Дугласом Селфом, не только выравнивает токи в плечах (VT2, VT4), но и стабилизирует постоянную составляющую на выходе. В идеале постоянное напряжение на выходе должно составлять около 20 мВ. Если оно превышает 50 мВ, рекомендуется подобрать транзисторы по коэффициенту передачи тока (h21э).

Компоненты:

• R5, R8: 100–200 Ом, мощность > 0,125 Вт.
• VT5, VT6: любые n-p-n транзисторы с Uкэ > 50 В и h21э > 40. Для удобства монтажа на родной плате отлично подходят КТ961Б.

Бирюзовая зона: Каскодный усилитель напряжения

В этой части схемы используется классическая каскодная структура на VT7 и VT10 с генератором тока на VT8. Каскод позволяет значительно повысить входное сопротивление и линейность каскада. Резистор R16 подобран так, чтобы ток покоя каскада соответствовал оригинальной схеме (номинал можно составить параллельным соединением резисторов, например, 160 Ом).

Компоненты:

• VD7, VD8: любые маломощные диоды (КД522, 1N4148).
• VD9: стабилитрон 4,7–5,1 В, ток стабилизации от 5 мА. Симуляции в Multisim показывают, что минимальное напряжение стабилизации должно быть в этом диапазоне.
• R10: 30–51 кОм, мощность 0,125 Вт.
• R11: расчетный номинал около 3,7 кОм (мощность от 0,25 Вт).
• VT7, VT10: высоковольтные транзисторы (КТ940А, КТ961А).
• С4: конденсатор Миллера, 33–51 пФ.

Красная зона и прочие изменения

В выходном каскаде резисторы в эмиттерах (0,5 Ом) заменены на 0,33 Ом (параллельное включение 1 Ом) для снижения потерь. Цепочка Цобеля (R41, C13) заменена на более стандартную. Конденсатор обратной связи С3 увеличен до 470–500 мкФ (неполярный электролит) с параллельным подключением пленочного конденсатора 0,1 мкФ для улучшения ВЧ диапазона.

Практические советы по монтажу

Все изменения помещаются на родной плате, хотя монтаж требует аккуратности. Обратите внимание на следующие моменты:

1. Качество печатного монтажа на платах УНЧ-50-8 часто оставляет желать лучшего. Будьте осторожны при пайке, чтобы не оторвать дорожки.
2. Дорожка между эмиттерами выходных транзисторов и выходом блока слишком тонкая для рабочих токов. Рекомендуется усилить её проводом МГТФ.
3. Аналогично усильте дорожки в цепи релейной защиты.
4. Токи покоя выходных транзисторов (например, КТ805) могут сильно различаться из-за заводского разброса параметров. Обязательно подберите транзисторы и настройте ток покоя в указанном диапазоне.

Результаты и измерения

Теоретический расчет и симуляции в Multisim показывают, что данная доработка снижает гармонические искажения до 0,022% на частоте 20 кГц при мощности 25 Вт на нагрузку 4 Ом. Это сопоставимо с целевым значением 0,01% и значительно превосходит оригинальные 0,3%.

Для тех, кто интересуется дальнейшим развитием темы усилителей мощности, рекомендую ознакомиться с проектом Усилитель мощности «Оплеуха Микрухам» Mark 2.5, который демонстрирует современные подходы к проектированию.

Примечание: Данная модернизация подтверждена практикой на форумах радиолюбителей и является рабочей альтернативой оригинальной схеме.

Автор: Сидоров Дмитрий, г. Томск.