单差分OCL功放电路理论计算及安装实战.docx
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单差分OCL功放电路理论计算及安装实战
50W单差分OCL功放电路理论计算及安装实战
原理图
根据设计目标输出功率,介绍所有元件所起的作用及推算出参数。
为方便定量计算,先假定V+与V-两个是理想电源,待计算出所有元件数值之后,再根据实际情况作出针对性调整。
输出功率设计目标:
配合CD音源,不加前级驱动8欧、4欧、乃至更低的2欧负载下,平均连续输出功率都能达到50W。
峰值功率为1.414×50=70.7W≈71W。
电源
当峰值输出功率和负载阻抗确定后,就已决定了对电源电压的要求。
根据欧姆定律,由最大负载阻抗计算出最大输出电压,由最小负载阻抗计算出最大输出电流。
正常音箱的阻抗在2—8欧之间,则:
通常在Vomax的基础上增加一个大约2--5V的三极管饱和压降(不同的三极管压降不同,本例因电源共用,取值5V),构成放大器所需的电源电压的基本值:
V=±(Vomax+5),实际制作电源时,还应计入电网电压的波动和电源的调整率。
无负载时的电源电压值通常高出有负载时的电源电压值15%左右,加上电网电压的波动通常按10%计算。
因此,最终的电源电压为:
V=±(Vomax+5)(1+15%+10%)=±36.25V≈±36V
换算为桥式整流前的交流电压为:
Vac=36.25÷1.3=27.88V≈28V (1.3为经验系数)
变压器必须留有一定余量,一般按峰值输出功率再除以0.75计算。
71÷0.75=94.6W
取值100W/声道,故2声道对变压器选型为:
200W,双AC28V。
输出管Q1、Q5
一般在使用三极管时都需要降额使用,保险系数一般取极限参数的0.5—0.75倍,大功率管因功耗大,余量需要适当留大一点,按0.5计,小功率管按0.75计。
所以对输出管的要求为:
Vceo>72V Ic>12A Pd>142W,Hfe-IC曲线在0—6A范围内尽量平直,综合价格因素及配对难度,决定用ON生产的音频三极管,Q5为NJW0281G,Q10为NJW0302G。
此管的极限参数及Hfe-Ic曲线如下:
推动管Q2、Q4
查输出管的PDF得知它的Hfe范围为75—150,(为保证理论计算的可信度,都取最小值计算,下同)。
所以在最大输出状态下输出管要从推动管取得的电流为:
Iomax÷75=6÷75=80mA,加上推动管本身的静态工作电流,按设计目标为50mA计,再留一倍余量,则要求推动管在260mA以内,Hfe-Ic曲线尽量平直,耐压要求同输出管,功率要求为:
P=UI=36×260mA=9.36W,留一倍余量,取值20W。
在网上搜索收集了下别人常用的推动管,再通过比较PDF资料中的Hfe-Ic曲线及考虑价格因素,最后决定使用东芝的2SC5171/2SA1930。
C5171极限参数及Hfe-Ic曲线如下:
电压放大级Q6
查PDF得Q2、Q4的Hfe范围为100--300,则Q2需要从Q6处取得的电流为:
130÷100=1.3ma。
Q6负责整个电路的主要电压增益,需要保证在整个设计范围内都工作在甲类状态,故静态电流取
值需远大于输出电流,方能保证在设计范围内,信号不失真。
此处静态电流取值10倍于输出电流,即13ma,在0—26ma之内,Hfe-Ic曲线尽量平直。
此管功耗较输出管小很多,耐压要求可适当放宽,按0.75倍的保险系数计,可算出耐压大于48V,功耗为36×26mA=0.936W,取整留一倍余量则为2W。
在不考虑安装散热片的情况下,这个功率会使管子温度比较高,综合价格以及配对等因素,决定使用日立的B649、D669。
它的极限参数及Hfe-Ic曲线如下:
电压放大级Q6的恒流源Q7
要求同Q6,为方便,选择与之配对的D669。
温度补偿兼静态电流调节管Q3
电流要求同Q6,对耐压几乎没有要求,只是必须安装固定方便,能与大功率管固定在同一个散热片上。
为方便,一样选择用D669。
输入差分级Q8、Q9
查PDF得知电压放大管Q6的Hfe范围为100--200,那么Q6的基极电流为13÷100=0.13mA,输入级的静态电流取值10倍于输出电流,即1.3ma,为方便计算可取1mA或者是1.5mA,功率要求为36*1.5mA=54mW,一倍余量,为108mW,基本TO92的管子都能胜任。
综合之下,要求hfe-Ic0-3ma平直,噪音系数要低,Cob要小,放大倍数要大,穿透电流要小。
相当多的要求,原本考虑用日立的低噪声管2SC2856/2SA1911对管,谁知满世界找不到,最后改用东芝的2SC2240/2SA970,极限参数及Hfe-Ic曲线如下:
差分输入级恒流管Q10
要求基本同Q8、Q9,为方便选择相同型号的管子即可。
元件作用及参数计算
输入级恒流源
由LED、Q10、R18、RV3组成Q8、Q9的恒流源,其恒流值为输入级之2只管子之和,本例为3mA实际调试时使恒流值在2—3mA即可。
发光指示灯兼恒压源LED
由LED的V-I曲线得出所选用的发光二极管在5ma时压降约为2V。
LED限流电阻R16
用于限制流过LED的电流,R16=(36V×2–4V)÷5mA=13.6kΩ,R2宜大不宜小,R2太小容易烧毁LED。
可在13K—20K之间取值。
RV3、R18
当R16确定后,可视为Vled=2V不变,则RV3+R18=(2-Vbe)÷3mA≈466.7Ω,这两只电阻的大小决定输入级的恒流值,根据输入静态电流的要求,两者之和可在470Ω--750Ω之间调整,在此,调整RV3即可调整电路输出中点电压,如调整到头还达不到0V的中点电压,可以适当增加或者减小R18的值。
R10
电压放大级反馈电阻
R10为Q6提供本级负反馈,此电阻取值过大会影响电路的最大输出,过小则反馈量太小起不了稳定电路的作用,一般取值在47Ω-200Ω之间,再根据实际电路情况调整。
R16、R11
差分输入级负载电阻,阻值大小直接影响电压放大级的工作电流,阻值大则电压放大级电流增大,反之则减小,并且与R10符合下式关系:
VR16×1.5ma(Q8静态电流)=VR10×13ma(Q6静态电流)+0.7(Q6Vbe压降)
当R10阻值确定时,R16、R11也随着确定。
一般在1K—2.2K范围之内取值,取值大则电压放大级的电流会随着增大,发热量也会增大。
R2、R3
推动管负载电阻,同时为输出管提供偏压。
按输出管的静态电流为50mA计算,则
VR2=Vbe+VR1=0.7+50mA×0.27=713.5mV
按推动级的静态电流25mA计算,则
R3=713.5÷25=28.54,取30Ω。
R1、R4
输出管反馈电阻,为本级提供负反馈,兼配合温度补偿管Q3起稳定静态电流作用。
此电阻取值过大会影响电路的最大输出,过小则反馈量太小起不了稳定电流的作用,一般取值在0.1欧—0.47欧之间,本例取值0.22欧,5W无感电阻。
R6、R7、RV1、Q3、C1
组成温度补偿兼静态电流调节电路,它所提供的偏压应该是推动管及输出管Vbe+射极电阻上的压降之和,假设Vbe=0.7V,按输出静态电流为50ma计,则偏压为:
Vce=4×0.7+0.05×0.27=2.8135V。
计算中被假设Vbe为恒定值,但实际电路中此值会随着温度上升而减小,大概是-2.6mV/℃,4只管子就是-10.4mV/℃的温度系数,如果调整管提供的偏压没有随温度上升而减小,那么输出管的静态电流会随着温度上升而上升,电流的上升又会加剧温度上升…….最坏的情况会导致烧毁输出管。
为避免这种情况发生,必须将Q3与输出管安装在同个散热片上,并且由它组成的偏压电路至少有-10.4mV/℃的温度系数,方能保证电路静态电流的稳定。
C1起稳定偏置电压作用,取值0.1uF—1uF。
用下图的简化电路为例,计算出R1与R2的比值。
假设
温度在25度时,三极管的Vbe值为0.7V,基极电流为Ib,
温度在35度时,三极管的Vbe值为0.7-0.026V=0.674V,
Ib会有一定变化但非常细微,忽略不计,故可认为Ib不变。
那么
Vcc1-Vcc2=10.4mV/℃×10℃=0.104V
Vcc1=(0.7÷R2+Ib)×R1+0.7
Vcc2=(0.674÷R2+Ib)×R1+0.674
代入得到
(0.7÷R2+Ib)R1+0.7–((0.674÷R2+Ib)R1+0.674)=0.104V
通过计算得到R1:
R2=3:
1。
图中Ic可视为放大级电路工作电流,由电压放大级的分析得知,此电流为13mA,Q1放大倍数按100计算,Ib=13mA÷100=0.13mA,I2取0.37mA,使I1=0.5mA,即能保证大部份电流经由Q1流过,又有能保证Q1有足够的基极电流。
R1=(2.8V-0.7V)÷0.5mA=4.2K R2=R1÷3=1.4K
故R1可根据实际情况在4.3K—5.6K内取值,R2在1.4K—2.2K内取值,R1与R2的比例决定了电路的静态电流及温度反馈系数。
RL、R17、C10
组成输出网络,起隔离喇叭反向电动势的作用,可有效提高电路稳定性。
L为用1.5mm的漆包线在6mm的笔上绕15-20圈即可,中间穿过一只10—22欧/1W的电阻,对声音小有影响。
R17与C10组成“茹贝尔网络”,电阻的阻值及功率大小可看出电路的稳定程度。
本例取10欧1/4W、104P
C8
输入耦合电容,隔直通交,用于信号传递,取值4.7uF—10uF。
R13、C7
输入端低通RC滤波电路,用于滤除信号中超高频成份,有利于提高电路稳定性。
R13取560--1K,C7取47P—330P。
R12
输入级偏置电阻,同时决定了电路的输入阻抗,取值范围20K—56K。
R5、R8、R9、C5、C9
组成反馈回路,同时决定了电路的整体放大倍数,值为:
1+R9/R8
按普通CD机输出信号为1V计算,Vomax=24V,则放大倍数最少为24倍
实际留一定余量可取值为28—36倍。
R8为反馈电阻,一般取与输入偏置电阻同值,取值范围20K—56K。
由R8的取值和放大倍数,可计算出R9的范围值为560—2K之间。
R8和R9的大小对声音整体取向有影响。
C9为反馈电容,一般取值在22uF—220uF之间,取值越大则低频下潜会越深,但中高频会相对暗点(不同品牌电容有不同效果)。
R5、C5组成超前反馈,用于消除方波响应的过冲现象。
对中高频影响较大
R5可在10K—56K间取值,C5在5P—33P间取值。
C2
防自激电容,在不自激的前提下,容量越小越好,一般取值在47P以下。
D5、D6、C11、C12、C16、C17
为输入级和电压放大级提供电源,防止大电流放大级对输入级和放大级造成影响。
D5、D6用4007,C11和C16选用50V100uF-330uF的电解电容,C12、C17选用50V0.1uF的CBB电容。
安装调试步骤
1:
照元件图焊接元件,暂时不安装输出管。
2:
通电确认电源电压正常,LED正常发亮,摸元件无明显温升。
3:
用万用表测量OUT与GND的电压,正常应该在100mv以内,而且调整RV3时,此电压会随着改变,并把此电压调整到接近1mv左右(因C9是有极性的电容,故适当偏正的电压为佳,如是无极电容,则可调整到为0)。
如无法调到0,则可适当增加或减小R18的值。
4:
确认3正常的情况下,万用表测量下图1、2与test间的电压,正常值在0.5V左右,而且调整RV1时,此电压会随着改变。
确认此电压正常后,逆时针调整RV1到阻值最大,使测得的电压最小。
5:
焊上输出管及输出电阻,最好在电源变压器前边串联一个220V60W的白炽灯泡,或者是在变压器次级到板上AC座之间,串上1欧,1/4W的小电阻。
通电,确认灯泡没有明显发亮,或者是所串电阻没有明显温升。
如不符合情况,则需重新确认上方调试第4点。
如符合,则可放心测量test点与test2点间的电压,调整RV1,使此电压在22mV,此时未级静态电压为100ma。
6:
拆掉灯泡或拆掉保护电阻,通电,再次确认无异常温升,摸电阻R17无温度。
则可接入炮灰喇叭,加入信号源试音。
7:
通电20分钟无异常现象,断开信号,反复调整RV1与RV3,使中点电压保持在0V,未级电流保持在100ma稳定。
8:
此时可以确认电路工作正常,RV1、RV3可拆掉用等值固定电阻代替,可杜绝因电位器故障而引起的电路不正常。
(极其少见,如焊好了确认了不会再折腾它时,建议这样做。
)
9:
可以接入正式音箱,正式试音。
注意要确保已经接了喇叭保护电路!
!
安装部分
6mm厚的铝板,摆放一下,定位,钻孔
钻孔完毕,折断了两个钻头,哎,质量真差滴说!
!
3.5mm直径
背面用6mm直径的钻头再钻到一半位置,这样可以使锣丝正好沉进去,不会露出来,使底面是平的,方便安装。
装上锣丝,铜柱
锣丝的样子
放上去YY一下。
感冒友的机箱,放进去摆一下,两种安装方法,一是变压器在后,功放板在前。
或者是功放板在后,变压器在前?
?
?
未决定使用哪种方法,左思右想中..........