50W 单差分OCL功放电路理论计算及安装实战

haluo

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Vo max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=±(Vo max+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=±(Vo max+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AC 28V。

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 > 72 V  Ic >12A  Pd >142 W，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：Io max÷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-Ic 0-3ma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V led＝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：

V R16×1.5ma(Q8静态电流)=V R10 ×13 ma（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

V R2=Vbe+V R1=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-10.4 mV/℃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-10.4 mV/℃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=10.4 mV/℃×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50V 100uF-330uF的电解电容，C12、C17选用50V 0.1uF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..........


未完待续....

haluo

占个沙发留位编辑。

ananss

进来学习一下!

输入电龙

q9,q8应该是场管。

最后的发烧

不错，说得那是相当的精采啊，
声音应该也不错的说，起码比起集成3886，7393等好N倍，当然是说在装得好的情况下！

海鸡

研究一下也好啊！

haluo

原帖由 输入电龙 于 2009-8-9 13:00 发表
q9,q8应该是场管。

这里用场管也是行的，手头没有，呵呵。

最后的发烧

相片拍得太黑了，
暴光时间短了，应该买个脚架，不用闪光拍出来的照片才有质感

haluo

原帖由 最后的发烧 于 2009-8-9 13:01 发表
不错，说得那是相当的精采啊，
声音应该也不错的说，起码比起集成3886，7393等好N倍，当然是说在装得好的情况下！

测试的时候声音已经完胜IC类的了，就噪声方面还不大满意，希望装箱后能处理好。

haluo

还没装好，不好谈声音

haluo

原帖由 最后的发烧 于 2009-8-9 13:21 发表
相片拍得太黑了，
暴光时间短了，应该买个脚架，不用闪光拍出来的照片才有质感

对于相机，我完全是门外汉，瞎拍的。

LaMer

这种文章应该加精

yuyong

好

zjh036

先顶了再慢慢学习

拖把

强贴留名！

nkl

普通功放最常用的电路

sanfo

推理有据，分析详实，对很多人有很好的实践参考价值，建议加精。

WWWDIY

顶你

wpjsp

这帖必须顶,很翔实,难得

worm83

这帖子好 从构思到设计过程到制作过程都有 能指导大家diy的思路啊 应该+精~