Транзистор – усилитель. Ч.13. Усилитель Лина

Было бы совершенно несправедливо приписывать изобретение приведённых ранее схемотехнических решений себе. Это глупо и бессмысленно. Я – не РАДИОинженер и не РАДИОконструктор, а просто РАДИОлюбитель. Я не имею специального радио- или электротехнического образования. Кстати, далеко не многие РАДИОинженеры и РАДИОконструкторы могут сказать, что они в этой области изобрели нечто принципиально новое. Изобретает, как правило, кто-то один, а многие, подключаясь к творческому процессу, доводят идею «до ума», реализуют её практически во многих вариантах и с бесчисленными вариациями. Так было с усилителем Лина.

Далее материал из Википедии с некоторыми корректировками. К сожалению, я не смог найти ФОТО Хун-Чан Лина – американского РАДИОинженера китайского происхождения. Имею в виду, что я не смог найти такой источник, чтобы с уверенностью утверждать, что это именно его фото. И это весьма странно. Может быть кто-то поделится ссылкой на соответствующий источник? Буду весьма признателен.
Итак, вперёд, в прошлое.

Изобретение Лина
Транзисторные усилители мощности 1950-х (и последующих) годов строились по симметричной (РР) двухтактной схеме с двумя трансформаторами. Например, на схеме УНЧ транзисторного радиоприёмника «VEF-201» –  согласующий Тр1 и выходной Тр2:

На фото – часть платы этого радиоприёмника (1973 год); красными стрелками показаны согласующий (на переднем плане) и выходной (на заднем плане) трансформаторы УЗЧ:

Такие усилители, развивавшие выходную мощность порядка нескольких сотен мВт, имели высокий коэффициент полезного действия (что обусловило их применение в переносных радиоприёмниках) при неустранимо высоких нелинейных искажениях. Конечно, были и трансформаторные УЗЧ мощностью порядка 10 Вт. Высокий уровень искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покоя. Снизить его, охватив усилитель петлёй ОС, было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторах.

Для того чтобы охваченный ОС усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы, как минимум, один из двух трансформаторов. Функции согласования и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторы.

Примечание. Об этом шла речь в ч.9 – фазоинверторы.

Дополнительную сложность представлял ограниченный ассортимент тогдашних, исключительно Ge-транзисторов: в слаботочных каскадах конструкторы могли использовать транзисторы и PNP-, и NPN-структуры (пока ещё не комплементарные), в мощных — только PNP-транзисторы.

Решение задачи — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного УМЗЧ — было найдено разработчиком компании «RCA» Хун-Чан Лином и опубликовано в сентябрьском номере журнала «Electronics» за 1956 год.
Усилитель Лина – так его назвали – массово применялся в серийных УМЗЧ 1960-х и первой половины 1970-х годов.
Во всех вариантах УМЗЧ Лина усиление напряжения возложено на единственный биполярный транзистор, работающий в режиме c общим эмиттером, при этом опорным («нулевым») уровнем этого каскада служит одна из шин питания.

Примечание. Я пытался найти ОРИГИНАЛ схемы усилителя Лина, но (пока) безуспешно. Продолжаю попытки.
Первоначальная схема усилителя Лина, 1956 год:

В авторском варианте использованы германиевые транзисторы 2N109 (V1, V2), 2N439 (V4) и 2N158 (V3, V5). Пары Дарлингтона (V2, V3) и Шиклаи (V4, V5) обведены пунктиром.

Примечание. По-моему, не совсем верно утверждать, что V2+V3 и V3+V4 – это пары Дарлингтона и Шиклаи. В исходной схеме усилителя Лина (1956 год), как я понимаю, был применены отдельные транзисторы, как и нарисовано на этой схеме. Инженер Дарлингтон изобрёл и запатентовал транзистор, состоящий из двух биполярных и выполненный на одном кристалле кремния. Но об этом подробнее смотрите в разделе  «РАДИОкомпоненты».

В классическом авторском варианте схема Лина содержит всего два каскада. Всё усиление напряжения сосредоточено в первом каскаде на транзисторе VT1 (в схемотехнике УМЗЧ называемом каскадом усиления напряжения, КУН). Выходной каскад — квазикомплементарный двухтактный эмиттерный повторитель, в верхнем плече которого включён составной транзистор на паре Дарлингтона…

Примечание. Снова сомневаюсь я, однако. Мне, как неспециалисту, не понятно, почему автор статьи в Википедии утверждает, что в исходной схеме усилителя Лина стоит именно транзистор Дарлингтона? Там ведь ДВА отдельных транзистора, соединённых по схеме Дарлингтона. И почему автор теперь не утверждает, что в нижнем плече стоит транзистор Шиклаи? Но вернёмся к теме.

Термостабилизация выходного каскада возложена на термистор RT.
Усилитель охвачен тремя петлями обратной связи: 
1) вольтодобавка на конденсаторе С3 стабилизирует режим работы V1;
2) петля ООС R8C5 в сочетании с выходным сопротивлением источника сигнала задаёт коэффициент усиления;
3) делитель R1R2 стабилизирует напряжение средней точки эмиттерного повторителя и также участвует в задании коэффициента усиления.

С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 Вт. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ трансформаторных двухтактных транзисторных схем.

Простая, элегантная и при этом хитроумная схема Лина имела, оказывается, много недостатков. Выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искажения. Входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не больши́м, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора тока.

Первое можно было преодолеть, перейдя с однополярного питания на двухполярное, второе — включением на вход усилителя Лина дополнительного согласующего каскада.

Намного серьёзнее была проблема теплового дрейфа выходного каскада: именно из-за неё массовое внедрение усилителя Лина началось лишь в середине 1960-х годов, когда на рынке появились Si-транзисторы. Усилители, построенные на новейшей элементной базе, были достаточно надёжны, экономичны, не требовали наладки — но неблагозвучны.
Асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи, малозаметная в каскадах на Ge-транзисторах, с переходом на Si-транзисторы оказалась недопустимо велика:

Конструкторы 1960-х годов, воспитанные в рамках ламповой схемотехники, были не готовы и не способны решить эту проблему. Простейшее и наилучшее решение — использование комплементарных выходных транзисторов — было тогда ещё невозможно. Мощные кремниевые транзисторы тех лет были доступны только в NPN-структуре. Мощные кремниевые PNP-транзисторы появились лишь в начале 1970-х годов, а комплементарные пары NPN- и PNP-транзисторов — ещё позже.

В качестве эксперимента можно попробовать собрать УНЧ для аудиоплеера. Сайт указан на картинке, цитирую дословно - - ->

Схема стереоусилителя для аудиоплеера

В наши дни радиолюбительство переживает "повальный бум" увлечения интегральными усилителями. Любой несложный усилитель от аппаратуры, не требующей высокого качества, до Hi-Fi пытаются воспроизвести на ИМС, содержащей в кристалле 1-4-х канальный УЗЧ с минимумом навесных элементов.

Возможно, это и хорошо, но не стоит забывать и о простых схемах транзисторных усилителей, которым тоже свойственны преимущества. Одно из них — цена (ИМС интегральных УМЗЧ обычно не дешевы, к тому же ИМС УЗЧ низкой ценовой категории часто продаются бракованными), второе — доступность элементной базы.

На рисунке в этой статье представлена схема простого и многократно проверенного УМЗЧ, который может быть собран как самостоятельная конструкция, и на малогабаритные АС озвучивать сигнал, поступающий от аудиоплеера, проигрывателя CD или CD-ROM персонального компьютера. Кроме того, этот усилитель можно использовать как схему для ремонта простой китайской аппаратуры (магнитол, радиоприемников).

Усилитель, при питании от источника напряжением 6 В развивает мощность до 2-3 Вт. В режиме покоя двухканальный усилитель потребляет общий ток около 50 mА.

Усилитель выполнен по простой схеме. Каждый канал — двухкаскадный. На транзисторе VT1 (VT2) выполнен предварительный усилитель напряжения НЧ. На остальных транзисторах — двухтактный усилитель мощности на транзисторах, включенных по составной схеме. Все связи между каскадами гальванические, что позволяет обойтись самым минимумом навесных элементов и налаживать усилитель подбором всего одного резистора — R3 (R4).

Сигнал ЗЧ с выхода источника сигнала (аудиоплеера) поступает на стандартный 3-мм аудио-разъем. Громкость регулируется в каждом канале раздельно — при помощи переменных резисторов R1 и R2.

Выходной сигнал снимается с разделительных конденсаторов С3 и С4. Через разъемы Х1 и Х2 (аналогичные Х3, но с не подключенным одним из контактов, или двухконтактные) выходной сигнал поступает на выносные акустические системы, состоящие из китайских трехваттных динамиков, применяющихся в недорогих китайских автомагнитолах.

Питается усилитель от сетевого адаптера, выдающего выходное напряжение 6 В, или другого источника напряжения 6 В. В усилителе можно использовать любые транзисторы серий КТ502, КТ503, КТ814, КТ815, но важно, чтобы транзисторы VT3-VT6, VT7-VT10 и VT1-VT2 были с одинаковыми буквенными индексами. Кроме того, вместо КТ815 и КТ814 можно использовать КТ817 и КТ816.
Транзисторы VT7-VT10 должны быть установлены на небольшие пластинчатые металлические радиаторы. При этом, для транзисторов VT7-VT8 можно использовать один общий радиатор, соединенный с общим минусом питания, а для транзисторов VT9-VT10 один общий радиатор, соединенный с плюсовой шиной питания. Конечно, можно использовать и один общий радиатор, связанный с общим минусом, но это потребует изолирования металлических частей транзисторов VT9 и VT10 от радиатора при помощи слюдяных прокладок.

Налаживание заключается в подборе сопротивлений резисторов R3 и R4, чтобы на положительных обкладках конденсаторов С3 и С4 (соответственно) было напряжение, равное половине напряжения питания.

<- - - Конец цитаты.

Как видим, данный УЗЧ, без вольтдобавки и петли ООС, практически повторяет схему Лина. Терморезистор заменён диодами. На выходе – «составные» транзисторы из соответствующих пар по схеме Дарлингтона.
Ну, что? Паяльник в руки!

©SEkorp 5_октябрь_2020

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 или на РАДИОзвук