15W纯甲类功放设计制作
15w纯甲类功放制作
纵观目前市场上的hi－fi功放，输出功率在100w以上的以甲乙类放大产品居多，50～100w的功放中甲类放大产品占有相当的比例。从高保真的角度来看，功率储备大些当然是好，但若从节省能源的角度来看，就值得考虑了。由于纯甲类功放的效率很低，所以在您欣赏美妙音乐的同时，约有百分之七八十以上的电能变成热量散发掉了。一台每声道输出功率为50w的纯甲类功放，若以30％计其效率，则静态功耗就有 330w之大，说句玩笑话，简直是“守着火炉吃西瓜”。笔者在帮人选购功放时就经常遇到这样的情况：很多人虽然为纯甲类功放的音色所倾倒，但也往往因其 “发高烧”的工作状态而忍痛割爱。功耗大也是电子管功放的致命弱点。市场经济是无情的。国内几家有名的生产胆机的厂家，如斯巴克、欧博、大极典也先后推出了自己的晶体管功放，就证明了这一点。
根据我国国情，一般工薪阶层的居室面积多在二十平方米以下，并且通常以客厅或卧室兼作听音室。若音箱的灵敏度在89db以上，则10～20w的纯甲类功放就可满足一般欣赏要求。如果在歌舞厅里那样的环境中让我们的耳朵长期承受大音量，听力就会逐渐减退。再说，吵得左邻右舍不得安宁,也不合适。所以说，如果生产一些功率在15w左右的音质音色较好的功放，静态功耗在100w以下，肯定会有市场。可惜这类功放是个空白。日本金嗓子有一款a20，每声道纯甲类功放20w，音质有口皆碑，但价钱却令人望而却步。现在，国内生产功放的厂家似乎在攀比，功率越做越大，重量越做越重，但销路却不见得很好。何不制作一些 “好吃不贵”的功放来投放市场呢？本着这个思想，我们设计了这台15w纯甲类功放，试图在这方面做一些尝试。
一 电路原理
1、功放电路
由vt1、 vt2组成差动放大电路，每管静态电流约为0.5ma。r3为vt1的集电极负载电阻，vt1与推动级vt4之间为直接耦合。输出级由两只型号相同的 npn型大功率晶体管vt5、vt6组成，而没有采用互补对称推挽电路。输出管vt6对于负载（扬声器）来说是共发射极电路，而vt5则是射极输出电路，因此是不对称放大。但实验测试表明，整个放大电路在取消大环负反馈（将r5短路）时的开环失真却很小，而且主要是偶次谐波失真。这个功劳应该归功于推动级电路。推动电路是本机最具特色的电路，它的作用和效果与传统的rc自举电路相比，有过之而无不及。vt4为集－射分割式倒相电路，分别由其集电极和发射极输出一对大小相等、方向相反的信号。vt4对于输出管vt6来说为射极输出电路，电压放大倍数小于1。从vt4集电极输出的信号通过交流电阻很小的发光二极管vd1，加到输出推动管vt3的基极。vd1的正向导通压降约为1.9v左右，可看作一个噪声很小的稳压二极管，它使得vt3的发射极电阻r7两端的直流电压uec基本不变，约比vd1的稳压值小0.7v。对交流信号而言，r7是与vt3的发射结电阻相并联的。vt3和vt5组成同极性达林顿式复合管。因此推挽放大的上臂是由一级共射放大电路（vt4）和二级射极输出电路（vt3、vt5）构成的，而推挽电路的下臂是则由一级射极输出电路（vt4）和一级共射放大电路（vt6）构成，可见是不对称的推挽放大电路。故在选择放大管时，这几只管子的电流放大系数也不必配对。这一点在工厂大批量生产时尤为重要，可以大大降低成本。该样机各管β值如下：β1=β2=110， β3=50，β4=90，β5=70，β6=90。也就是说，要把β值较大的管子优先安排为vt4和vt6。该功放电路的开环电压放大倍数约为504，闭环电压放大倍数由r4和r5决定，约为15.7。甲类推挽功率放大电路的理论最高效率为50％，该样机实测最大不失真输出电压的有效值为11v，折合成输出功率约为15w（8ω），静态功耗约为40w，因此最高效率为37.5％。当无信号输入时，效率为零，40w功率几乎全部消耗于两只输出管上，因此要加上足够面积的散热器，并且保证通风情况良好。
总之，该功放有以下特点：
功率输出管的电流放大系数不需配对； 用笔者设计的推动电路取代了传统的自举电路，频率响应好； 输出电压幅度大； 电路简单、调整容易、便于制作。 2、稳压电源
由于功放为ocl电路，输出端与扬声器直接耦合，故一般应加装延时保护电路，但由于该机采用了具有短路保护及软启动功能的±17v双路稳压电源，故省略了这部分电路。正负稳压电路均采用集电极输出式调整电路，效率高且具有短路保护功能，但不能够自启动。vt7、vt9组成复合电源调整管。vt11为取样放大管。由于vt11的基极接地，故发射极电位必须为－0.7v才能使它工作于放大状态。所以r19的下端不能接地，而是接至－17v。所以，如果万一负输出电源对地短路，将会使 vt11的发射极与基极间的电压为零，从而使vt11截止，这样调整管vt9、vt7因得不到基极电流也截止，结果使得正输出电源电压为零。由于正、负稳压电路是对称的，故当正电源对地短路时，也会使负电源电压为零。功放电路的输出端省却了扬声器保护电路的原因也在于此，万一有一只输出管发生击穿短路，另一只输出管也会由于上述保护功能而得不到电源电压，这样扬声器中就不会有大的直流电流通过，从而有效地保护了扬声器。
该电源的输出电压基本上由vd4、vd5两只稳压管的稳压值决定，约比它们的稳压值低0.7v左右（即减去vt11、vt12的发射结直流压降），故对两只稳压管要仔细挑选配对。
输入端滤波电容器每边采用两只4700μf的电解电容器并联使用，而输出端的滤波电容器每边仅采用一只10μf的无极性电容器。通过样机实测，当输出电流为2.4a（满载）时的纹波电压很小：正电源侧为0.8mv，负电源侧为1.25mv。此外，波形并非100hz的锯齿状，而是频谱较宽的噪声状。
该电源的稳压性能之所以较好，一是由于集电极输出式稳压电路的调整管具有一定的电压放大倍数，二是由于取样电路的取样比等于1，输出端的电压变化直接通过vd4、vd5耦合到了取样放大管vt11、vt12的发射极。
为了消除一般ocl电路开机时通过扬声器的冲击电流造成的“噗”声，该电源还设计了软启动电路。其工作原理如下：开机后，滤波电容器c3上的正电压通过 r10向c5充电，c5上的电压按指数规律上升。该电压通过r12及vd2加到正电源输出端，同时通过r16为vt12的发射极提供电流，使负电源也同时启动。电源电压达到正常值后，正输出电压通过r14给单向可控硅vd3提供触发电压而使它导通。vd3导通后，其阳极电压降低到0.7v以下，故二极管 vd2截止。c5上的电压通过r12和vd3放电。延迟时间由r10、c5时间 常数决定，本例中此常数为0.33秒，开机时音箱中一点儿声响都没有。
该电源的效率很高，调整管集电极和发射极之间电压降至1v时，输出电压仍可保持稳定。若市电交流电压为220v时，稳压电路的输入电压设定为±22v （带额定负载），则可以使稳压电源在市电变化±10％时，仍工作在最佳状态。若以调整管压降为7v计算，在满负荷2.4a时的管耗约17w，因此只需较小的散热器，此时效率在70％以上。当调整管压降为3v时，效率为85％。
总之，该电源电路特点是：具有软启动功能；具有正负电源分别短路或同时短路的保护功能，可省去扬声器保护电路；高效率，约70～85％以上；低纹波系数。
二、制作与调整要点
1.元器件的选择
功率输出管vt5、vt6选用东芝的2sc3281，β在70～110之间。实验时也曾选用过三肯的2sc 2922，但发现容易产生高频自激。推动管vt4选用nec的2sd401，β值为70～90，vt3也用2sd401，β在50～70之间。当输出管的 β值在100以上时，vt3、vt4也可选用国产管3dg130（3dg12）。输入级vt1、vt2可选用9012或9015等，β值在100左右，不宜太高，但要求配对；也可选用p沟道结型场效应晶体管，但耐压应不低于40v(因手头无此类管子，故未曾实验)。电阻的功率r6、r10应选1w以上， r7、r16、r19应选1／2w以上，其余不作要求。电阻 r9采用两只1w、0.51ω电阻并联，作为测量时取样使用。稳压管vd4、vd5应选1w以上功率的。单向可控硅可选1a电流的任何型号。
电源部分的vt7、vt8选用mj2955和2n3055或其它互补配对管，要求β大些，最好大于80。推动管vt9、vt10选用中功率管 3ck9、3dk9等，β值在50～80之间。取样放大管vt11、vt12选用9014和9015，β值大于100。还要注意正负电源各对应管的β值应该相近，即大致配对。电容c1、c6、c7选用涤纶或聚丙烯电容。稳压电源输入滤波电容c3、c4采用四只4700μf35v优质电解电容两两并联使用。
电源变压器功率容量应不小于100va，次级交流电压双18v，电流3a以上。整流管可用1n5401。
2.调整要点
电源部分几乎不需要调整。如果电源不能自启动，则应适当减小r10的数值，但应在满载时能够自启动的前提下尽量大一些，以增大延迟时间。功放部分的调整可归结为两项；一是调整r2使输出端电位等于零；二是调整r6使r9上的压降等于0.3v，此时末级静态电流约为1.18a。注意一开始可将电流调得稍小些，如0.9a，等预热一段时间以后再调到上述规定的数值。
3.电路的变通
该功放电路稍加改动即可变为 otl电路，此时稳压电路可以省去负电源部分。otl电路虽然技术指标的测试结果不及ocl电路，但音色却别有风味。otl电路由于使用了输出电容器，虽然会影响频率特性，但却使扬声器的安全得到了保障。限于篇幅，此处不再赘述。
三、主要技术指标
该功放的主要技术指标如下：最大输出功率为15w（8ω）；频率响应为5hz ～ 44khz (－1db,10w,8ω）；电压增益为24db；输入灵敏度为0.7v(rms)。
经过反复试听对比，大家一致认为该功放在播放人声时，嗓音显得宽厚圆润，流畅自然，能将演唱者的感情表达得很好。小提琴的表现不毛不燥，解析力很高。但对于动态范围较大的交响乐来说，本功放则显得有些力不从心，但觉得低频量感比较适中，能将各种乐器的轮廓刻画出来。虽在大动态时显得逊色一些，因为它毕竟只有15w的有效值功率。因此它作为家庭欣赏音乐用极为合适，达到了预期的设计目的 。
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一 电路原理
1、功放电路
由vt1、 vt2组成差动放大电路，每管静态电流约为0.5ma。r3为vt1的集电极负载电阻，vt1与推动级vt4之间为直接耦合。输出级由两只型号相同的 npn型大功率晶体管vt5、vt6组成，而没有采用互补对称推挽电路。输出管vt6对于负载（扬声器）来说是共发射极电路，而vt5则是射极输出电路，因此是不对称放大。但实验测试表明，整个放大电路在取消大环负反馈（将r5短路）时的开环失真却很小，而且主要是偶次谐波失真。这个功劳应该归功于推动级电路。推动电路是本机最具特色的电路，它的作用和效果与传统的rc自举电路相比，有过之而无不及。vt4为集－射分割式倒相电路，分别由其集电极和发射极输出一对大小相等、方向相反的信号。vt4对于输出管vt6来说为射极输出电路，电压放大倍数小于1。从vt4集电极输出的信号通过交流电阻很小的发光二极管vd1，加到输出推动管vt3的基极。vd1的正向导通压降约为1.9v左右，可看作一个噪声很小的稳压二极管，它使得vt3的发射极电阻r7两端的直流电压uec基本不变，约比vd1的稳压值小0.7v。对交流信号而言，r7是与vt3的发射结电阻相并联的。vt3和vt5组成同极性达林顿式复合管。因此推挽放大的上臂是由一级共射放大电路（vt4）和二级射极输出电路（vt3、vt5）构成的，而推挽电路的下臂是则由一级射极输出电路（vt4）和一级共射放大电路（vt6）构成，可见是不对称的推挽放大电路。故在选择放大管时，这几只管子的电流放大系数也不必配对。这一点在工厂大批量生产时尤为重要，可以大大降低成本。该样机各管β值如下：β1=β2=110， β3=50，β4=90，β5=70，β6=90。也就是说，要把β值较大的管子优先安排为vt4和vt6。该功放电路的开环电压放大倍数约为504，闭环电压放大倍数由r4和r5决定，约为15.7。甲类推挽功率放大电路的理论最高效率为50％，该样机实测最大不失真输出电压的有效值为11v，折合成输出功率约为15w（8ω），静态功耗约为40w，因此最高效率为37.5％。当无信号输入时，效率为零，40w功率几乎全部消耗于两只输出管上，因此要加上足够面积的散热器，并且保证通风情况良好。
总之，该功放有以下特点：
功率输出管的电流放大系数不需配对； 用笔者设计的推动电路取代了传统的自举电路，频率响应好； 输出电压幅度大； 电路简单、调整容易、便于制作。 2、稳压电源
由于功放为ocl电路，输出端与扬声器直接耦合，故一般应加装延时保护电路，但由于该机采用了具有短路保护及软启动功能的±17v双路稳压电源，故省略了这部分电路。正负稳压电路均采用集电极输出式调整电路，效率高且具有短路保护功能，但不能够自启动。vt7、vt9组成复合电源调整管。vt11为取样放大管。由于vt11的基极接地，故发射极电位必须为－0.7v才能使它工作于放大状态。所以r19的下端不能接地，而是接至－17v。所以，如果万一负输出电源对地短路，将会使 vt11的发射极与基极间的电压为零，从而使vt11截止，这样调整管vt9、vt7因得不到基极电流也截止，结果使得正输出电源电压为零。由于正、负稳压电路是对称的，故当正电源对地短路时，也会使负电源电压为零。功放电路的输出端省却了扬声器保护电路的原因也在于此，万一有一只输出管发生击穿短路，另一只输出管也会由于上述保护功能而得不到电源电压，这样扬声器中就不会有大的直流电流通过，从而有效地保护了扬声器。
该电源的输出电压基本上由vd4、vd5两只稳压管的稳压值决定，约比它们的稳压值低0.7v左右（即减去vt11、vt12的发射结直流压降），故对两只稳压管要仔细挑选配对。
输入端滤波电容器每边采用两只4700μf的电解电容器并联使用，而输出端的滤波电容器每边仅采用一只10μf的无极性电容器。通过样机实测，当输出电流为2.4a（满载）时的纹波电压很小：正电源侧为0.8mv，负电源侧为1.25mv。此外，波形并非100hz的锯齿状，而是频谱较宽的噪声状。
该电源的稳压性能之所以较好，一是由于集电极输出式稳压电路的调整管具有一定的电压放大倍数，二是由于取样电路的取样比等于1，输出端的电压变化直接通过vd4、vd5耦合到了取样放大管vt11、vt12的发射极。
为了消除一般ocl电路开机时通过扬声器的冲击电流造成的“噗”声，该电源还设计了软启动电路。其工作原理如下：开机后，滤波电容器c3上的正电压通过 r10向c5充电，c5上的电压按指数规律上升。该电压通过r12及vd2加到正电源输出端，同时通过r16为vt12的发射极提供电流，使负电源也同时启动。电源电压达到正常值后，正输出电压通过r14给单向可控硅vd3提供触发电压而使它导通。vd3导通后，其阳极电压降低到0.7v以下，故二极管 vd2截止。c5上的电压通过r12和vd3放电。延迟时间由r10、c5时间 常数决定，本例中此常数为0.33秒，开机时音箱中一点儿声响都没有。
该电源的效率很高，调整管集电极和发射极之间电压降至1v时，输出电压仍可保持稳定。若市电交流电压为220v时，稳压电路的输入电压设定为±22v （带额定负载），则可以使稳压电源在市电变化±10％时，仍工作在最佳状态。若以调整管压降为7v计算，在满负荷2.4a时的管耗约17w，因此只需较小的散热器，此时效率在70％以上。当调整管压降为3v时，效率为85％。
总之，该电源电路特点是：具有软启动功能；具有正负电源分别短路或同时短路的保护功能，可省去扬声器保护电路；高效率，约70～85％以上；低纹波系数。
二、制作与调整要点
1.元器件的选择
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电源变压器功率容量应不小于100va，次级交流电压双18v，电流3a以上。整流管可用1n5401。
2.调整要点
电源部分几乎不需要调整。如果电源不能自启动，则应适当减小r10的数值，但应在满载时能够自启动的前提下尽量大一些，以增大延迟时间。功放部分的调整可归结为两项；一是调整r2使输出端电位等于零；二是调整r6使r9上的压降等于0.3v，此时末级静态电流约为1.18a。注意一开始可将电流调得稍小些，如0.9a，等预热一段时间以后再调到上述规定的数值。
3.电路的变通
该功放电路稍加改动即可变为 otl电路，此时稳压电路可以省去负电源部分。otl电路虽然技术指标的测试结果不及ocl电路，但音色却别有风味。otl电路由于使用了输出电容器，虽然会影响频率特性，但却使扬声器的安全得到了保障。限于篇幅，此处不再赘述。
三、主要技术指标
该功放的主要技术指标如下：最大输出功率为15w（8ω）；频率响应为5hz ～ 44khz (－1db,10w,8ω）；电压增益为24db；输入灵敏度为0.7v(rms)。
经过反复试听对比，大家一致认为该功放在播放人声时，嗓音显得宽厚圆润，流畅自然，能将演唱者的感情表达得很好。小提琴的表现不毛不燥，解析力很高。但对于动态范围较大的交响乐来说，本功放则显得有些力不从心，但觉得低频量感比较适中，能将各种乐器的轮廓刻画出来。虽在大动态时显得逊色一些，因为它毕竟只有15w的有效值功率。因此它作为家庭欣赏音乐用极为合适，达到了预期的设计目的 。
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