Сборка усилителя на КТ805 с расчётом эмиттерного резистора и подбором радиатора под реальные 10 Вт

Транзистор КТ805 давно стал чем-то вроде старого мастера в радиолюбительской мастерской. Его перестали выпускать массово, но он по сей день живёт на платах, в запасниках и в схемах, которые собирают те, кто ценит понятную рассыпную электронику больше, чем безликие микросхемы. И это не ностальгия. Это осознанный выбор: КТ805 предсказуем, доступен, держит до 30 Вт на коллекторе с радиатором и работает до 20 МГц, чего для звуковых частот более чем достаточно. Вопрос только в том, как собрать на нём усилитель на 10 Вт так, чтобы он не перегревался, не искажал и не требовал постоянной подстройки.

Что нужно знать о КТ805 прежде чем браться за расчёт номиналов

КТ805 выпускается в нескольких вариантах корпуса. Версии А и Б в металлостеклянном корпусе, версии АМ и БМ в пластиковом TO-220 (отечественное обозначение КТ-28). Для усилителя предпочтителен именно пластиковый корпус: он легче крепится к радиатору и обеспечивает лучший тепловой контакт через штатное отверстие под винт М3.

Ключевые параметры, которые определяют всю логику расчёта: максимальный ток коллектора 5 А постоянный и 8 А импульсный, максимальное напряжение коллектор-эмиттер 60 В (для версии А и АМ), максимальная рассеиваемая мощность 30 Вт при температуре корпуса не выше 50 градусов Цельсия, тепловое сопротивление кристалл-корпус 3.3 градуса на ватт. Коэффициент передачи тока h21э у КТ805 не блещет: паспортное значение начинается от 15 и реально редко превышает 30-40 у конкретного экземпляра. Это означает, что транзистор потребует заметного тока базы и хорошей предварительной раскачки.

Граничная частота 20 МГц выглядит скромно на фоне современных транзисторов, но для воспроизведения звука в диапазоне 20-20000 Гц запас по частоте колоссальный. Здесь КТ805 чувствует себя абсолютно уверенно.

Класс А или АВ и что реально получается на практике с КТ805

Выбор между классом А и классом АВ для усилителя на КТ805 мощностью 10 Вт определяется одним конкретным вопросом: какой радиатор готов использовать собирающий эту схему. Не абстрактным рассуждением о качестве звука, а именно физическим размером теплоотвода.

В классе А транзистор проводит ток непрерывно, весь полупериод. КПД однотактного усилителя класса А теоретически не превышает 25%, а реально составляет 15-20%. Это значит: для получения 10 Вт полезной мощности усилитель потребляет от источника питания 50-65 Вт. Из них 40-55 Вт превращаются в тепло на коллекторе транзистора. При тепловом сопротивлении кристалл-корпус 3.3 градуса на ватт и тепловом сопротивлении корпус-радиатор около 0.5 градуса на ватт температура кристалла при рассеивании 40 Вт и температуре окружающего воздуха 25 градусов составит ориентировочно 25 + 40 × (3.3 + 0.5 + Rрадиатора). Чтобы кристалл не вышел за предельные 150 градусов, тепловое сопротивление радиатора должно быть не выше 2.5-3 градуса на ватт. Это радиатор площадью не менее 400-500 квадратных сантиметров суммарной поверхности. Примерно 15 на 15 сантиметров при толщине рёбер 1.5 мм. Это немало.

Класс АВ выглядит разумным компромиссом. КПД двухтактного усилителя в классе АВ достигает 60-70%, рассеиваемая тепловая мощность при 10 Вт выходной мощности составит 4-7 Вт на транзистор. Радиатор площадью 100-150 квадратных сантиметров вполне справится с задачей. Искажения типа "ступенька" на переходе через ноль устраняются небольшим током покоя через выходные транзисторы, который устанавливается в диапазоне 50-150 мА.

Расчёт эмиттерного резистора для выходного каскада

Эмиттерный резистор в выходном каскаде усилителя несёт двойную нагрузку. С одной стороны, он стабилизирует рабочую точку транзистора при изменении температуры. С другой, при параллельном включении нескольких транзисторов обеспечивает равномерное распределение тока между ними.

Для однотранзисторного каскада на КТ805 в классе АВ с питанием от двухполярного источника плюс-минус 20 В расчёт эмиттерного резистора проводится так. Напряжение питания одного плеча 20 В. Нагрузка 8 Ом. Для получения 10 Вт на нагрузке амплитуда тока через нагрузку составит примерно 1.58 А. С учётом потерь на эмиттерном резисторе и насыщения транзистора ток коллектора в пике достигнет 1.7-1.8 А, что укладывается в допустимые 5 А с запасом.

Падение напряжения на эмиттерном резисторе выбирается в пределах 0.3-0.6 В. Это значение обеспечивает стабилизацию без существенных потерь мощности. При токе покоя 100 мА и желаемом падении 0.4 В сопротивление эмиттерного резистора составит 0.4 / 0.1 = 4 Ом. На практике берут стандартное значение 0.33 Ом или 0.47 Ом при мощности 2-5 Вт. Проволочный резистор или отрезок нихромовой проволоки подходящего сечения справляется с этой задачей лучше, чем угольный: он меньше шумит и стабильнее держит сопротивление при нагреве.

Расчёт мощности, рассеиваемой на эмиттерном резисторе: при максимальном токе 1.8 А и сопротивлении 0.47 Ом мощность составит 1.8² × 0.47 = 1.52 Вт. Резистор берётся с двукратным запасом, то есть рассчитанный на 3 Вт.

Практическая схема усилителя АВ на КТ805 с двухполярным питанием

Рабочая схема усилителя класса АВ на КТ805 для мощности 10 Вт на нагрузке 8 Ом с двухполярным источником питания плюс-минус 20 В включает следующие ключевые узлы.

Входной дифференциальный каскад строится на паре транзисторов КТ315 или КТ3102. Они задают усиление по напряжению и обеспечивают глубокую отрицательную обратную связь. Предварительный усилитель напряжения на транзисторе средней мощности КТ815 (для плеча NPN) раскачивает базу выходного КТ805 до нужного уровня. Выходной каскад содержит пару КТ805 (NPN) и КТ837 или КТ818 (PNP) как комплементарную пару, включённых по схеме эмиттерного повторителя с эмиттерными резисторами 0.33-0.47 Ом в каждом плече.

Смещение на базах выходных транзисторов, обеспечивающее ток покоя класса АВ, задаётся диодами или транзистором-умножителем напряжения Vbe. Последний способ предпочтителен: он автоматически компенсирует температурный дрейф тока покоя, поскольку управляющий транзистор крепится к тому же радиатору, что и выходные. При нагреве радиатора напряжение смещения снижается, ток покоя остаётся стабильным. Без этой меры ток покоя с ростом температуры начинает расти, транзисторы нагреваются сильнее, ток растёт ещё, и процесс заканчивается тепловым пробоем.

Ток покоя выходного каскада устанавливается подстроечным резистором в цепи умножителя Vbe и контролируется миллиамперметром в разрыве цепи коллектора одного из выходных транзисторов. Норма для класса АВ на КТ805 при нагрузке 8 Ом составляет 50-100 мА на плечо. Настройка производится на прогретой схеме, не ранее чем через 15-20 минут после включения без сигнала.

Расчёт площади радиатора и реальные тепловые ограничения для КТ805

Тепловой расчёт для класса АВ при мощности 10 Вт на нагрузке. Два транзистора КТ805 вместе рассеивают приблизительно 6-8 Вт при максимальной выходной мощности. В режиме покоя при токе 100 мА и питании 20 В каждый транзистор рассеивает 20 × 0.1 = 2 Вт, итого 4 Вт в покое. Радиатор должен держать температуру корпуса транзисторов ниже 80 градусов при температуре окружающего воздуха 40 градусов и рассеиваемой мощности 8 Вт.

Тепловое сопротивление радиатора должно быть не выше: (80 - 40) / 8 = 5 градусов на ватт. Для пластинчатого алюминиевого радиатора без принудительного обдува это соответствует площади поверхности около 150-200 квадратных сантиметров. Пластина 10 на 10 сантиметров с обеих сторон даёт 200 квадратных сантиметров и тепловое сопротивление около 4-5 градусов на ватт. Это минимально достаточный радиатор для режима АВ при 10 Вт.

Для режима А с той же мощностью радиатор потребуется площадью не менее 400-600 квадратных сантиметров: пластина примерно 15 на 20 сантиметров с развитыми рёбрами или готовый экструдированный профиль типа U-образного. Без учёта этого требования транзистор просто уйдёт в тепловой пробой через несколько минут работы.

Между транзистором и радиатором обязательно прокладывается теплопроводящая прокладка: слюда с термопастой или готовая полиимидная прокладка толщиной 0.05-0.1 мм. Она обеспечивает электрическую изоляцию при тепловом сопротивлении около 0.5-1 градус на ватт. Без прокладки корпус транзистора и радиатор окажутся под потенциалом коллектора, что при двухполярном питании создаёт прямой путь к короткому замыканию через шасси.

Настройка и первое включение без неприятных сюрпризов и тепловых пробоев

Первое включение усилителя проводится через резистор 100 Ом в цепи питания, который ограничивает ток при возможных ошибках монтажа. Ток через этот резистор при исправной схеме составит несколько миллиампер в покое. Если при включении ток сразу велик и резистор греется, схема выключается и ищется ошибка.

После проверки тока покоя и его установки в норму резистор-ограничитель убирается, подключается нагрузка (резистор 8 Ом мощностью 20 Вт вместо реального динамика на первом этапе) и на вход подаётся синусоидальный сигнал 1 кГц с уровнем, соответствующим половине максимальной мощности. Осциллограф на выходе покажет, есть ли ограничение, симметрично ли оно, нет ли паразитных колебаний. КТ805 с его граничной частотой 20 МГц склонен к самовозбуждению на частотах 5-15 МГц при неудачной разводке. Лечится это резистором 10-47 Ом в базовой цепи каждого выходного транзистора и конденсатором 100 пФ в цепи обратной связи.

КТ805 десятилетиями доказывал, что хороший усилитель не требует дорогих комплектующих. Он требует понимания физики: теплового баланса, режима работы транзистора и роли каждого резистора в схеме. Тот, кто прошёл этот путь с карандашом и калькулятором, получает не просто работающую схему, а инструмент, который звучит предсказуемо и живёт долго.