Журнал "Радио", номер 1, 2000г.
Автор: С. Агеев, г. Москва

    Чтобы при повторении усилителя уйти от проблем, вызванных использованием дефектных и некондиционных компонентов, рекомендуем обратить внимание на их проверку. Поиск неисправной детали в широкополосном усилителе с глубокой ООС и непосредственной связью десятков транзисторов почти наверняка потребует больше сил, чем предварительный контроль элементов.

    Проверка компонентов

    Несмотря на то, что схемотехника и конструкция представленного усилителя гарантирует получение заявленных характеристик (при настройке только одного параметра - тока покоя резистором R60), это отнюдь не означает, что компоненты не нуждаются в проверке перед установкой.

    Такая ситуация вызвана тем, что "растворение" небольшого количества бракованных изделий среди годной продукции практикуется отнюдь не только юго-восточными, но и многими западными фирмами, особенно при поставке в розничную сеть и в Россию. Отечественные предприятия также нередко "сбрасывают" в розничную продажу или на радиорынки наряду с годными и бракованные изделия.

    В результате вероятность покупки некондиционных элементов для частного лица, по оценкам и личному опыту автора, вряд ли ниже 2...4%. Иными словами, в среднем два-три элемента из сотни оказываются бракованными, и это при том, что в каждом канале усилителя более двухсот деталей.

    Если учесть, что поиск неисправных элементов в уже собранной конструкции отнимает массу времени и сил, а также то, что один неисправный элемент может повлечь за собой неисправность других, необходимость входного контроля компонентов становится очевидной.

    Проблема надежности осложняется тем, что в ТУ на многие как отечественные, так и зарубежные компоненты введен лишь небольшой (и зачастую недостаточный) набор параметров, удобных для контроля в массовом производстве. При этом ряд важных характеристик, например, таких, как критический ток и объемное сопротивление коллектора биполярных транзисторов, просто не нормируются и не проверяются при производстве, несмотря на то что их влиянием пренебрегать нельзя. Поэтому вполне возможна ситуация, когда, например, некий экземпляр транзистора формально исправен, но устанавливать его в конструкцию нежелательно, поскольку какой-либо из его параметров, не регламентированных в ТУ на поставку, оказывается намного хуже, чем в среднем для компонентов данного типа.

    Именно поэтому при сборке устройств высокого класса необходима тщательная проверка компонентов. Что касается основной части пассивных элементов (резисторов, конденсаторов малой емкости, диодов, стабилитронов), то их проверка не вызывает проблем. Резисторы проверяют омметром на допустимое отклонение от номинала, а также на надежность контакта (у отечественных резисторов типов С1-4 и ВС бывают некачественно навальцованы контактные колпачки). Кроме того, выводы отечественных резисторов зачастую требуют облуживания перед сборкой. Применять активные флюсы при этом недопустимо, а для зачистки выводов лучше использовать "чернильный" ластик. Рекомендуемые типы маломощных резисторов - МЛТ, ОМЛТ С2-23.

    Наиболее высокие требования предъявляются к резисторам R1, R2, R7, R20, R22 - R24, R29 - R31, R36, R40, R122, R123. Эти резисторы обязательно должны быть металлодиэлектрическими или, что еще лучше, металлопленочными (Metal Film) - МЛТ, ОМЛТ С2-23, С2-13, С2-26, С2-29В.

    При подборе резисторов, если они с допуском ±2% и более, желательно выдержать следующие соотношения:

    [(R23+R24+R122+R123)/(R30+R31)]x(R29/(R36+R40)]=1 - с отклонением не более 1...3%;

    [(R23+R24+R122+R123)/R30]x[R29/(R36+R40)]=2 - с отклонением не более 2...3%.

    Большинство продаваемых в России импортных резисторов являются углеродистыми (Carbon), поэтому при приобретении импортных резисторов вместо вышеупомянутых есть риск купить под видом металлодиэлектрических углеродистые или композиционные. При этом лучше ориентироваться на резисторы с допуском 1% и менее, которые бывают углеродистыми только в подделках. Основные недостатки углеродистых и композиционных резисторов - большая нелинейность (до 0,05...0,1%) и повышенный шум при протекании через них тока.

    Шумы резисторов складываются из термодинамического  и избыточного (токового) шума, проявляющегося при протекании тока через резистор и вызываемого флуктуациями сопротивления. В диапазоне звуковых частот величина этого шума у углеродистых резисторов может превосходить 10 мкВ (на декаду частоты при падении напряжения 1 В). Как правило, это на порядок и более превышает тепловой шум такого резистора.

    Из-за избыточного шума резисторов собственные шумы усилителя с увеличением уровня сигнала возрастают, и при использовании в качестве R1, R7, R22, R23, R24 углеродистых резисторов этот прирост может достигать 20..30 дБ! Применение металлопленочных резисторов снимает эту проблему: их шум составляет 0,1...0,5 мкВ/В, у металлодиэлектрических он несколько выше 0,5...2 мкВ/В.

    Резисторы R1, R2, R7, R20-R31, R35R40, R42-R46, R59, R63, R94-R109, R122, R123 желательно использовать металлодиэлектрические (МЛТ, ОМЛТ, С2-23). Желательно также попарно подобрать R38, R44 и R59, R63, чтобы они отличались не более чем на 2...3%.

    Требований к остальным резисторам значительно ниже. Так, резисторы R3-R6, R8-R19, R32, R34, R47-R58, R61, R62, R64-R93, R110-R117 и даже R33, R37, R39, R42, R43 могут быть углеродистыми без ущерба для характеристик усилителя. Подстроечный резистор R60 - керметный СПЗ-19а (из импортных также пригоден керметный или "полимерный"). Применять другие подстроечные резисторы, особенно открытой конструкции, не рекомендуется из-за низкой надежности. В качестве резисторов R118-R121 автором применены имевшиеся в наличии импортные (типа SQP), но они заменимы на С5-16 или параллельно соединенные двухваттные МЛТ С2-23 и т. п.

    Конденсаторы с емкостью до 1000 пФ целесообразно использовать керамические - К10-7в, К10-17, К10-43а, К10-47а, К10-506 (групп ТКЕ ПЗЗ-М75), из импортных - конденсаторы группы NPO. Конденсаторы менее термостабильных групп изготавливают из сегнетоэлектриков, обладающих нелинейными свойствами, пьезо- и пироэффектами и другими "достоинствами". Дурная слава керамических конденсаторов в звуковых цепях связана именно с этими особенностями. Конденсаторы с малым ТКЕ ведут себя, как правило, безупречно. Можно также использовать стеклоэмалевые конденсаторы СКМ, К22У-16, К22-5. Из пленочных конденсаторов малой емкости допустимо применение полистирольных (ПМ, К70-6) и аналогичных импортных, однако присущая им паразитная индуктивность может уменьшить запасы устойчивости.

    Контроль конденсаторов малой емкости сводится к проверке их сопротивления утечки (не менее 100 МОм), величины емкости (допуск до ±5%) и пробивного напряжения не менее 25 В (кроме С46, который должен выдерживать 50 В). Если используемый измеритель емкости позволяет определить добротность (или обратный ей тангенс угла потерь), то для исправных конденсаторов добротность на частотах 100 кГц - 1 МГц должна быть не менее 2000. Меньшие значения свидетельствуют о дефекте в конденсаторе. Рекомендуемые приборы - Е7-12, E7-14.

    Конденсаторы С6, С8, С10-С12, С15, С19, С25, С40-С44 - блокировочные, поэтому особых требований к ним не предъявляется. Тем не менее желательно использовать керамические конденсаторы КМ-5, К10-17, К10-23 и аналогичные с группой ТКЕ не хуже НЗО (X7R для импортных конденсаторов). Связано это с тем, что у конденсаторов групп Н70Н90 (Z5U, Y5V) на частотах выше нескольких мегагерц заметно падает реальная емкость. Проверять их имеет смысл только на отсутствие обрыва (наличия емкости) и пробоя при напряжении 25-30 В.

    Разделительный конденсатор С1 пленочный, лучше полипропиленовый, полистирольный или поликарбонатный (К78-2б, К71-4, К71-5, К71-7, К77-1, К77-2а). Однако габариты у них, кроме К77-2, весьма велики, и поэтому автор применил лавсановые конденсаторы К73-17, отобранные по добротности на частотах 100 Гц (не менее 700) и 1 кГц (не менее 200). Разница в емкости на частотах 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц не должна превышать 3%.

    К сожалению, вероятность брака у низковольтных К73-17 в отдельных партиях бывает весьма велика, поэтому при отсутствии измерительных приборов рекомендуется применять более высоковольтные (на 160 или 250 В). По той же причине в качестве С77, С78 использованы высоковольтные конденсаторы. Кстати, замечу, что исследование импортных конденсаторов популярных у аудиофилов марок (например, MIT, SOLEN) показало отсутствие преимуществ даже перед хорошими экземплярами К73-17, не говоря уже о К78-2 и особенно К71 -7.

    Номинал С1 выбран из условия получения частоты среза около 20 Гц, но при использовании усилителя с малогабаритной АС имеет смысл повысить частоту среза до 40...50 Гц во избежание перегрузки низкочастотных головок громкоговорителей. Качество, а зачастую и "количество" басов при этом даже улучшается за счет снижения искажений, вызываемых чрезмерным ходом диффузора. Разброс емкости конденсаторов С1 в каналах УМ не должен превышать 5%.

    Конденсаторы С5, С9, С31, С32, С35, С37, С39, С45, С47-С51, С77, С78 - лавсановые - К73-17 или аналогичные импортные (майларовые, полиэфирные). Основное требование к ним - малые габариты и умеренная паразитная индуктивность (не более 0,02...0,04 мкГн). После приобретения конденсаторов желательно проверить их эквивалентное сопротивление на высоких частотах (см. далее), поскольку встречается дефект контакта алюминиевой металлизации обкладок с торцевой заливкой конденсатора на основе цинка или оловянно-свинцового припоя. Наиболее это важно для С47 - С49, С77 и С78. Активная составляющая их сопротивления не должна превышать 0,2...0,3 Ом.

    Конденсаторы С52 и С79 - полипропиленовые, К78-2 или аналогичные импортные с малой индуктивностью (помехоподавляющие). Их замена на конденсаторы других типов нежелательна, емкость же некритична: номинал С52 - в пределах 4700-2200 пФ, С79 - 1500 - 3300 пф. Проверка сводится к контролю по допустимому напряжению (не менее 50 В), емкости и добротности (не менее 1000 на частоте 100 кГц или 1 МГц).

    Оксидные конденсаторы С2, С4, С13, С14, С20, С27, СЗО, СЗЗ, С53-С76, С80, С81 - отечественные К50-35, К50-68. При выборе импортных конденсаторов важен не столько изготовитель, сколько реальные их характеристики. Наилучшими являются конденсаторы с малой индуктивностью и малым эквивалентным последовательным сопротивлением - ЭПС (в импортных это группа "Low ESR"). В основном они предназначены для импульсных блоков питания. Подобные конденсаторы выпускаются многими изготовителями, но они дороже обычных и их приобретение нередко возможно только под заказ. Из обычных конденсаторов можно рекомендовать изделия Hitachi, Marcon, Nichihon, Rifa, Rubicon, Samsung. Кстати, внимательный анализ каталогов фирм-изготовителей оксидных конденсаторов показывает, что так называемые конденсаторы "For Audio" с большой емкостью в лучшем случае оказываются ничем иным, как конденсаторами группы "Low ESR" с измененной маркировкой.

    Проверка оксидных конденсаторов относительно малой емкости (С2, С4, С13, С14, С20, С27) сводится к замеру их тока утечки при номинальном напряжении (не более 10...20 мкА), а также оценке их индуктивности и ЭПС. Способ измерения тока утечки очевиден, а определение последовательного сопротивления и индуктивности проводят следующим образом.

    Через конденсатор, подключенный последовательно с непроволочным резистором сопротивлением R=300-750 Ом (0,5-1 Вт) к генератору синусоидального сигнала с выходным напряжением не менее 5 В, пропускается переменный ток различной частоты, а напряжение на нем измеряют милливольтметром или осциллографом. График зависимости напряжения на конденсаторе от частоты в диапазоне 1 кГц...1 МГц строят в логарифмических координатах по обеим осям (рис. 8). Обычно он имеет вид тупого угла вершиной вниз, причем ход левой ветви определяется эффективной емкостью конденсатора, рост напряжения на более высоких частотах связан с паразитной индуктивностью конденсатора, а "острота" угла зависит от последовательного сопротивления.

    Эти величины с достаточной для практики точностью можно определить по графику следующим способом.

    Во-первых, находят напряжение U₁, соответствующее минимуму кривой. Во-вторых, строят касательные к поднимающимся вверх "ветвям" кривой и отмечают точку их пересечения (рис.8). Напряжение и частота, соответствующие точке пересечения, обозначают как U₂ и f_o соответственно.

    После этого нетрудно найти ЭПС, эффективную емкость и паразитную индуктивность конденсатора по формулам:

    R_эп=R·U₁/U_G;

    С_эфф=2··f_o·R·U_G/U₂;

    L_ПАР=R·U₂/(2··f_o·U_G);

    где R_эп - ЭПС, U_G - напряжение генератора.

    Естественно, график достаточно построить только для одного-двух экземпляров конденсаторов, импеданс остальных проверяют в двух-трех точках на частотах, соответствующих минимуму последовательного сопротивления, и на частоте около 1 МГц. Допустимая величина ЭПС - не более 0,1...0,15 Ом для конденсаторов на 4700 и 3300 мкф и не более 1,5 Ом для конденсаторов на 220 мкф. Их допустимые индуктивности - соответственно не более 0,02...0,05 мкГн.

    При невозможности проверки оксидных конденсаторов большой емкости для "подстраховки" их можно зашунтировать пленочными или керамическими на соответствующее напряжение с номиналом в несколько микрофарад.

    Проверка маломощных диодов, кроме контроля прямого напряжения (не более 0,7 В при токе 20 мА), сводится к оценке их тока утечки при небольшом обратном напряжении - 3...6 В. Для этой цели подходит, например, стрелочный вольтомметр с пределом измерения не менее 100 МОм, например, ВК7-9, ВК7-15. Так, у ВК7-9 на пределе 100 МОм ток полного отклонения стрелки составляет 60 нА, а заметное ее отклонение возникает уже при токе 1 нА. При измерении обратного тока диоды надо защищать от света.

    Наиболее жесткие требования в отношении тока утечки предъявляются к VD1, VD2, VD15, VD16 (не более 2...3нА при температуре +60...80°С); для VD9-VD14 допустим ток не более 10... 15 нА. Особо стоит отметить требования к диодам VD26, VD27 - это прямое падение напряжения не более 0,7В (при температуре 20°С и токе 20мА), и ток утечки не более 3...5мкА при обратном напряжении 120В и температуре +60...80°С. В отношении остальных малосигнальных диодов достаточно ограничиться простой проверкой с помощью омметра.

    Выпрямительные диоды VD28 - VD31, и особенно VD36-VD41, должны быть проверены на пробивное обратное напряжение - не менее 100 и 150В соответственно (при величине обратного тока до 100 мкА и температуре +60...80°С). Кроме того, необходимо проверить прямое напряжение на диодах VD36-VD41 при протекании импульса тока 50.. .60 А.

    Схема для такой проверки приведена на рис.9. Наблюдаемая на осциллографе величина прямого напряжения на диодах для моста VD38-VD41 не должна превышать 1,3...1,5 В. Для диодов VD36, V037 это напряжение допускается большим до 2 В. Выпрямительные диоды с завышенным падением напряжения на предельных токах являются потенциально ненадежными.

    Стабилитроны VD22-VD25 проверяют обычным способом на напряжение стабилизации при токе 7...8 мА.При установке стабилитронов в усилитель желательно, чтобы напряжение стабилизации VD23 было равным или примерно на 70... 100 мВ большим, чем у VD24.

    Транзисторы VT1-VT10, VT44, VT45 достаточно проверить на коэффициент передачи тока базы и пробивное напряжение U_кэ Коэффициент h_21Э для VT1-VT4 должен быть в пределах 80...600, VT5-VT12 - в пределах 50...250 при токе коллектора 5...10 мА. Пробивное напряжение для VT1 -VT4 при отключенной базе и температуре 80...100°С должно быть не менее 25 В, для VT5, VT8, VT9, VT10, VT44, VT45 - не менее 80 В, а у VT6, VT7 - не менее 40 В. Критерием начала пробоя считается увеличение тока свыше 50 мкА. При выборе транзисторов экземпляры с наибольшим коэффициентом h_21Э лучше использовать в качестве VT6, VT7. Транзисторы VT11, VT12 и VT15 должны иметь h_21Э не менее 50 и начальный ток коллектора I_кэо не более 5 мкА при температуре 60...80°С и напряжении U_кэ=6...10 В.

    Коэффициент передачи тока для VT13, VT14 некритичен; важно лишь, чтобы при токе коллектора 10 мА и U_кэ=6...10 В он был больше 40. Требования к транзисторам VT16-VT19 более жесткие - их h_21э при токе коллектора около 10 мА и U_кэ=5 В должен быть не менее 60 (лучше 70...100). Аналогичное требование предъявляется и к VT20-VT27. Подбирать транзисторы по коэффициенту h_21э нет надобности, достаточно, если разброс не превышает 50...80%.

    Для выходных транзисторов (VT28-VT43) коэффициенты h_21э должны быть не менее 40 при токе 1 А. Применять транзисторы с h_21э>80 нежелательно, поскольку их область безопасной работы меньше. Напряжение пробоя U_кэо при отключенной базе должно быть не менее 100 В при токе 20 мкА для VT13, VT14, VT1 б-VT19 и не менее 80 В для VT20 - VT43 (при токе начала пробоя 0,2 мА для VT20-VT27 и 2 мА для VT28-VT43). Температура проверки напряжения U_кэо-60...80°С.

    Для VT13, VT14, VT16-VT43 требуется более тщательная проверка. Это связано с тем, что дефекты в любом из этих транзисторов с большой вероятностью приводят к выходу из строя ряда других.

    В связи с этим у них дополнительно желательно проверить критический ток и объемное сопротивление коллектора. Чрезмерно высокое сопротивление (характерное для высоковольтных транзисторов) приводит к раннему входу транзистора в режим квазинасыщения. Транзистор в этом режиме сохраняет работоспособность, но его усилительные и частотные свойства резко снижаются: граничная частота падает на один, а то и на два порядка, уменьшается коэффициент передачи тока и возрастает эффективная емкость коллектора.

    Столь резкое увеличение инерционности транзисторов, помимо ухудшения характеристик усилителя, приводит к риску его самовозбуждения на частотах 0,6...2 МГц с последующим выходом из строя изза перегрева сквозными токами.

    В связи с этим попадание транзисторов VT13, VT14, VT16-VT42 в режим квазинасыщения исключено за счет выбора их режимов с относительно малыми рабочими токами. Дальнейшее уменьшение токов приведет к снижению скорости нарастания и запаса устойчивости усилителя.

    Тем не менее, поскольку разброс объемного сопротивления коллектора изготовителями транзисторов не нормируется, необходима проверка. В любительских условиях она заключается в определении зависимости h_21э от напряжения U_кэ.

    Методика состоит в установке заданного тока коллектора транзистора при напряжении U_кэ=5...10 В регулировкой тока базы и последующем снижении этого напряжения до величины, соответствующей снижению тока коллектора на 10...15% (при том же токе базы). Это напряжение, при котором начинается резкое падение тока коллектора, и будет пороговым для начала квазинасыщения транзистора (при данном токе коллектора).

    Пороговое напряжение транзисторов КТ9115 должно быть не более 5 В при токе коллектора 14 мА, а КТ969 - 3 В при том же токе. В качестве VT13 желательно использовать транзисторы с наименьшим напряжением порога квазинасыщения. Величину h_21э принимаемую за начальную, для них нужно измерять при U_кэ=10...12В.

    Транзисторы КТ961 и КТ639 проверяют на токе 100...150 мА, измеряя начальный коэффициент h_21э при U_кэ=5В. Пороговое напряжение при этом токе не должно превышать 1,5 В для КТ639 и 1,2 В для КТ961.

    Транзисторы КТ818 и КТ819 проверяют при токе 2 А, при этом начальный h_21э нужно измерять при U_кэ= 5 В, а пороговое напряжение не должно превышать 1,8 В для КТ818 и 1,5 В для КТ819.

    Проверка критического тока для транзисторов КТ818 и КТ819 состоит в измерении h_21э при U_кэ=5 В и двух значениях тока коллектора: 1 А и 3 А. Уменьшение h_21э измеренного на токе 3 А, допустимо до 65% от значения, соответствующего току 1 А.

    Транзисторы КТ818 и КТ819 с индексами Г1 являются точными аналогами КТ818ГМ и КТ819ГМ и отличаются только типом корпуса (пластмассовый - КТ43-1).

    Поскольку при проверке транзисторов и токах более 50 мА на них выделяется достаточно большая для нагрева мощность, измерения нужно производить либо очень быстро (в течение нескольких секунд), либо установив транзисторы на теплоотвод.

    Проверка ОУ DA1, DA3, DA4 состоит в следующем.

    Частотные и скоростные характеристики проверяют в схеме на рис.10 с помощью осциллографа и генератора. Критерием годности является скорость нарастания и спада прямоугольного сигнала большой амплитуды (5 В на входе) не менее 60 В/мкс и отсутствие видимых искажений формы синусоидального сигнала амплитудой 4 В вплоть до частоты 1,5...2 МГц. Ток потребления ОУ без сигнала (измеряется по падению напряжения на резисторах фильтра питания) должен быть в пределах 5...10 мА, амплитуда максимального выходного напряжения на частоте 20 кГц - не менее ±14 В. Выход из ограничения не должен сопровождаться переходными процессами.

    Шумы и напряжение смещения проверяют при короткозамкнутом входе и замыкании контактов S1 и S2, переводящих ОУ в режим масштабного усилителя с коэффициентом передачи, равным 50 дБ (включение S2 ограничивает полосу шума до 50 кГц). Напряжение шума на выходе не должно превышать 1,4 мВ (7 мВ от пика до пика на экране осциллографа), а смещение по постоянному току - не более ±1,5 В.

    Проверку ОУ DA2 проводят, включив его по схеме, показанной на рис. 11. Критерием годности является присутствие на выходе постоянного напряжения не более 200 мВ и появление на выходе ОУ сигнала наводок при касании рукой вывода 3 DA2.

    ОУ DA5 проверяют по аналогичной схеме. На его выходе в установившемся режиме (через 1-2 мин) постоянное напряжение не должно превышать 80 мВ, а размах напряжения шума на экране осциллографа - не более 1 мВ (от пика до пика). При измерении шумов должна быть обеспечена хорошая экранировка.

    Продолжение следует.