Высококачественный усилитель на германиевых транзисторах

Эх, жалко пацанов – королевство маловато, разгуляться негде!
Ни ламповых тебе однотактников, ни гераниевых раритетов. Что ещё остаётся пытливому уму неоперившегося меломана?
Разве что брейкануть под японское хокку, да кайфануть для большего эффекта под уханье бумбокса.

«Кремний – всему голова» – крикнут яростные члены на форумных дебатах.
«Не надо впаривать нам этот шняга-силикатный экстракт» – вторят им другие, «для начала послушайте своими руками, а потом делайте свои тупоголовые выводы».

На самом деле, слушать надо!
Перелопатить определённое количество разномастной усилительной аппаратуры – тоже надо.
Не обязательно быть музыкантом со стажем, но таить в себе зачатки какого-никакого слуха – опять же, надо.
И тогда любой пацак, владелец старого пепелаца, сможет авторитетно заявить: «Однако разница в звуке есть, и она весьма существенна!»

На этой странице поговорим об УНЧ на германиевых транзисторах.

Своеобразие германиевого звучания, как правило, сводится к двум устойчивым постулатам:
1. Усилители на германиевых транзисторах отличаются музыкальностью,
2. Звук похож на звук ламповика.
И если первый пункт у меня возражений не вызывает, то со вторым мнением коллег позволю вежливо не согласиться – не похож, абсолютно разное звучание.

Электрофон сетевой транзисторный "Вега-101-стерео" с усилителем на германиевых транзисторах, выпускаемый Бердским радиозаводов с начала 1972 по 1982 год, заложил в головы современников основы понимания того, каким должен быть высококачественный стереофонический звук.
Время шло, появлялись на свет и более продвинутые вертушки с магнитными звукоснимателями, и значительно более мощные УНЧ на кремниевых транзисторах с незаурядными характеристиками.
Однако душещипательные воспоминания о том, как звучали в конце 70-ых простенькие Веги с их примитивной схемотехникой открыли историю ожесточённой борьбы человечества с феноменом транзисторного звучания.

Ну да и ладно, пора переходить на новый уровень – нарисовать пару-тройку принципиальных схем усилителей низкой частоты на германиевых транзисторах, но для начала озадачусь вопросом: Что любит и что не любит германий?
1. Германий любит простоту и не приемлет наворотов. Дифференциальный каскад с источником тока в цепи эмиттера – уже является буржуазным излишеством.
2. Германий не любит перегрева, легко может напустить дыма и отправиться к праотцам электроники Амперу и Ому в ответ на потерю бдительности в процессе настройки схемы.

А теперь обещанные схемы.

Рис.1

Номинальная мощность усилителя при коэффициенте гармоник на частоте 1000Гц менее 0,1% – 1 Вт, максимальная – 1,5Вт, чувствительность по входу – 0,2 В.
Усилитель сохраняет работоспособность при понижении напряжения питания до 9В.
Подбором номинала резистора R8 устанавливается значение напряжения на эмиттерах выходных транзисторов, равное половине напряжения питания.
Подбором номинала резистора R2 устанавливается значение напряжения на коллекторе транзистора V1, равное половине напряжения питания.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2 – для эстетов, желающих порадовать свой слуховой аппарат ни с чем не сравнимым звуком однотактного усилителя, работающего в чистом режиме А.
Для настройки усилителя следует подбором номинала резистора R9 установить ток покоя выходного транзистора – 150мА.

Рис.3

На рис.3 показана принципиальная схема универсального усилителя НЧ, собранного на девяти транзисторах и развивающего выходную мощность до 10 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и входном напряжении около 10 мВ.
При налаживании устройства подстроечным резистором R2 устанавливают выходное напряжение в точке соединения транзисторов VT8 и VT9 равным половине напряжения питания.

Схема более мощного усилителя приведена на Рис.4. Усилитель рассчитан на подключение электрогитары и микрофона, но может быть использован также совместно с проигрывателем, магнитофоном или радиоприёмником.
Основные технические данные, приведённые автором:
Номинальная выходная мощность – 30 Вт.
Максимальная выходная мощность – 40 Вт.
Сопротивление нагрузки 3,5-5 Ом.
Полоса рабочих частот 30-16000 Гц.
Коэффициент нелинейных искажений – не более 1,5%.
Чувствительность с выхода микрофона – 10 мВ.
Чувствительность с выхода электрогитары – 0,1 В.
Напряжение 15 В на коллекторе транзистора Т10 устанавливают резистором R19.
Ток покоя всего усилителя не должен превышать 170 мА.

Рис.5

На Рис.5 приведена схема простого и мощного усилителя на германиевых транзисторах DTG110B. При подключении к его входу любого УНЧ мощностью 1,5-2 Вт устройство выдаёт на 8-ми омную нагрузку около 50 Вт чистого германиевого звука.
Согласующий трансформатор Т1 выполнен на железе Ш24 (толщина пакета 20-25мм) и содержит 3 одинаковые обмотки по 120 витков, намотанных на картонном каркасе проводом ПЭВ-1 или ПЭВ-2 диаметром 0,5-0,7мм.
Налаживание устройства заключается в подборе значений резисторов R2 R4 для достижения на выходе схемы нулевого потенциала и тока покоя транзисторов – 120-150 мА.
При снижении напряжения питания на каждом плече до 30В транзисторы DTG110B без каких-либо колебаний могут быть заменены на отечественные П210А.

Рис.6

Схема, представленная на Рис.6, является переработанным под «германий» вариантом усилителя НЧ из статьи Николая Трошина журнале Радио №8 за 1989г (стр. 51-55). Творцом переработки является сам автор статьи. Вот что он пишет на страннице сайта http://vprl.ru:

«Выходная мощность этого усилителя 30 Вт при сопротивлении нагрузки акустических систем 4 Ома, и примерно 18 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
Напряжение питания усилителя (U пит) двухполярное ±25 В;
Диапазон рабочих частот 20Гц…20кГц:

Транзисторы МП40А можно заменить на транзисторы МП21, МП25, МП26. Транзисторы ГТ402Г – на ГТ402В; ГТ404Г – на ГТ404В;
Выходные транзисторы ГТ806 можно ставить любых буквенных индексов. Применять более низкочастотные транзисторы типа П210, П216, П217 в этой схеме не рекомендую, поскольку на частотах выше 10кГц они здесь работают плоховато (заметны искажения), видимо, из-за нехватки усиления тока на высокой частоте.

Площадь радиаторов на выходные транзисторы должна быть не менее 200 см2, на предоконечные транзисторы не менее 10 см2.
На транзисторы типа ГТ402 радиаторы удобно делать из медной (латунной) или алюминиевой пластины, толщиной 0,5 мм, размером 44х26.5 мм.

Настройка правильно собранного из исправных элементов усилителя сводится к установке подстроечным резистором тока покоя выходного каскада 100мА (удобно контролировать на эмиттерном резисторе 1 Ом – напряжение 100мВ).
Диод VD1 желательно приклеить или прижать к радиатору выходного транзистора, что способствует лучшей термостабилизации. Однако если этого не делать, ток покоя выходного каскада от холодного 100мА до горячего 300мА меняется, в общем-то, не катастрофично.

Важно: перед первым включением необходимо выставить подстроечный резистор в нулевое сопротивление.
После настройки желательно подстроечный резистор выпаять из схемы, измерить его реальное сопротивление и заменить на постоянный».

Германиевый усилитель мощности

Германиевый усилитель мощности — многие радиолюбители, которые в силу своего возраста не застали эпоху «германиевого звука» и часто спрашивают: «Что такого особенного есть в усилителях мощности собранных на германиевых транзисторах?». Если не особенно вдаваться в подробности, то можно ответить так: У таких аппаратов необычный звук, очень похожий на ламповый, большой динамический диапазон и та самая скорость нарастания. Впрочем, это на любителя, есть такие кто например ненавидит лампы. Но качественные усилители выполненные на кремневых транзисторах обладают всеми этими характеристиками в том же объеме. Так же германиевые полупроводники имеют несколько больший акустический КПД, то есть звучание у них громче, чем у кремневых на выходе и для высоко комфортного прослушивания вполне хватит небольшой выходной мощности.

Первыми транзисторами в радиотехнике, после электровакуумных ламп были германиевыми, которые произвели настоящий фурор в радиоэлектронной сфере. Конечно нет смысла спорить, что приобрели почитатели музыки отказавшись от лампового варианта в пользу германиевых приборов. По этому поводу до сих пор существует много разных мнений. В настоящее время германиевые транзисторы не производит ни одна страна и упоминание о них встречаются довольно редко. И напрасно. Германиевый усилитель мощности и если взять для примера кремниевый транзистор, какой он бы не был, биполярный, полевой или предназначенный для работы на высоких и низких частотах и так далее. Так вот он в отличии от германиевого полупроводника менее подходящий для воспроизведения звука высокого качества.

В общем, чтобы сейчас не углубляться в рассмотрение физических свойств германиевых транзисторов, при необходимости вы можете эти данные легко найти в интернете. Поэтому перейдем непосредственно к изучению принципиальных схем построенных на транзисторах с германиевым кристаллом. Сразу хотелось бы отметить несколько важных правил без соблюдения которых, очень сложно получить высококачественное звучание.

• Во первых в используемой схеме устройства, принципиально нужно отказаться от применения кремниевых полупроводников.
• Компоновку и последующую сборку выполнять только навесным монтажом, при этом как можно больше использовать сами выводы электронных компонентов. В случае применения печатных плат для монтажа, то вы должны знать, что в таком случае качество звучания будет существенно хуже.
• При конструировании усилителя старайтесь рассчитать схему так, чтобы количество транзисторов в устройстве должно быть как можно меньшим.
• Прежде чем производить монтаж, необходимо провести подбор комплементарных пар транзисторов не только для каждого плеча выходного тракта структуры PNP и NPN, но и обязательно для обоих каналов. Особое внимание при подборе электронных элементов стоит обратить на параметры статического коэффициента передачи тока, которое должно быть более 100 и как можно меньшим обратным током коллектора.
• Силовой трансформатор должен быть собран на магнитопроводе из Ш-образных пластин с площадью сечения более 15см². Также нужно при изготовлении трансформатора не забыть сделать один ряд экранирующей обмотки с последующим ее заземлением.

Германиевый усилитель мощности — схема №1

Показанный здесь германиевый усилитель мощности и его схемотехника можно сказать легендарная и в свои лучшие годы была очень популярна. Такая топология схемы усилителя одна из немногих конфигураций, которая соответствует аудиофильским нормам. Хотя эта схема и очень простая, но тем не менее способна воспроизводить высококачественное звучание при этом затраты на комплектующие совсем небольшие и под силу любому радиолюбителю. Автор этой конструкции усилителя в этом случае всего лишь приспособил ее к современным запросам High End Audio.

Настраивать германиевый усилитель несложно. Вначале нужно переменным резистором R2 установить ровно половину питания на отрицательном отводе электролитического конденсатора С7. Далее необходимо подобрать постоянный резистор R13 таким образом, чтобы мультиметр, подключенный в цепь коллектора транзисторов оконечного каскада, показывал ток покоя в пределах 42 — 52 мА, но не больше. Когда начнете подавать сигнал на вход усилителя, то обязательно нужно проверить наличие либо отсутствие самовозбуждения, хотя возникновение такого процесса бывает исключительно редко.

Но все таки если на осциллографе появились высокочастотные искажения, то в этом случае нужно будет заменить конденсатор С5 на емкость с большим номиналом. Для того, чтобы усилитель работал в стабильном и устойчивом режиме при повышении температуры на основание пары диодов D311 должна быть нанесена тепло-проводная паста и плотно закреплены на транзисторе выходного каскада. В свою очередь выходные транзисторы устанавливаются на радиаторах охлаждения с площадью рассеивания более 220см².

Схема модернизированная

В предыдущей штатной схеме выходной каскад был построен на транзисторах одной проводимости, так как в те далекие времена советская электронная промышленность не производила мощных комплементарных германиевых транзисторов. Когда много позднее появились германиевые транзисторы структуры PNP и NPN, то это дало возможность модернизировать схему оконечного каскада как показано на второй схеме. Но оказывается не все так просто как хотелось бы. Дело в том, что у названных выше полупроводников предельный коллекторный ток составляет всего около 3,4 А.

Например у П217В максимальный ток коллектора равен 7,5 A. В связи с этим использование их в схеме возможно только с условием параллельного включения по два в плечо. Вот такой вариант практически этим и имеет отличие от первой схемы. Ну и конечно у источника питания полярность противоположная. И транзистор для усиления напряжения ГТ 404Г, установлен n-p-n проводимости. Настройка модернизированной схемы идентична предыдущей. Ток покоя оконечного каскада имеет точно такие же значения.

Немного о блоке питания

Чтобы получить качественное звучание, желательно раздобыть где то две пары германиевых сплавных диода Д305. Устанавливать другие настоятельно не советую. Соединяются они по мостовой схеме, и ставятся шунты в виде слюдяных конденсаторов типа КСО, емкостью по 0,01µF, далее устанавливаем восемь емкостей по 1000µF с рабочим напряжением 63v, желательно фирменные, которые также шунтируются слюдяными конденсаторами. Увеличивать общую емкость не следует, так как сбалансированность низких, средних, и высоких частот снижается, теряется воздух.

Параметрические значения двух приведенных схем практически одинаковы: мощность на выходе составляет 20 Вт при работе на нагрузку 4 Ом. Безусловно, данные цифры почти ничего не скажут о звучании усилителя. Но об одном можно говорить с уверенностью — однажды прослушав правильно собранный усилитель по схемам приведенным выше, вы уже не так уверенно будете смотреть в сторону аппаратов собранных на кремниевых транзисторах.

В конце позапрошлого века немецкий химик К.А. Винклер открыл элемент, существование которого заранее было предсказано Д.И. Менделеевым. А 1 июля 1948 г. в подвале газеты «Нью-Йорк Таймс» появилась короткая заметка под заголовком «Создание транзистора». В ней сообщалось об изобретении «электронного прибора, способного заменить в радиотехнике обычные электровакуумные лампы».

Разумеется, первые транзисторы были германиевыми, и именно этот элемент произвел настоящий переворот в радиотехнике. Не будем спорить, выиграли ли ценители музыки при переходе от ламп к транзисторам— дискуссии эти уже успели порядком поднадоесть. Давайте лучше зададим себе другой, не менее актуальный вопрос: пошел ли на пользу звуку следующий виток эволюции, когда кремниевые приборы пришли на смену германиевым?

Век последних был недолог, и они не оставили после себя, подобно лампам, ощутимого звукового наследия. Сейчас германиевые транзисторы не выпускаются ни в одной стране, и о них уже вспоминают крайне редко. А зря. Я считаю, что любой кремниевый транзистор, будь он биполярный или полевой, высокочастотный или низкочастотный, мало сигнальный или мощный, менее пригоден для высококачественного звуковоспроизведения, чем германиевый. Для начала давайте рассмотрим физические свойства обоих элементов.*

Из таблицы видно, что подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, а также длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше у германия, а ширина запрещенной зоны ниже, чем у кремния. Известно также, что падение напряжения на переходе p-n составляет 0,1 — 0,3 В, а на n-p — 0, 6 — 0,7 В,из чего можно сделать вывод, что германий является гораздо лучшим «проводником», чем кремний, а следовательно, и каскад усиления на транзисторе p-n-p имеет значительно меньшие потери звуковой энергии, чем аналогичный на n-p-n. Возникает вопрос: почему же выпуск германиевых полупроводников был прекращен? Прежде всего потому, что по некоторым критериям Si намного предпочтительнее,поскольку может работать при температуре до 150 град. (Ge — 85), да и частотные свойства у него несравненно лучше. Вторая причина чисто экономическая. Запасы кремния на планете практически безграничны, в то время как германий — довольно редкий элемент,технология получения и очистки которого значительно дороже.

Между тем, для применения в домашней аудиотехнике упомянутые преимущества кремния абсолютно не очевидны, а свойства германия,наоборот, крайне привлекательны. Кроме того, в нашей стране германиевых транзисторов хоть завались, да и цены на них просто смешные.**

Итак, приступим к рассмотрению схем усилителей на германиевых полупроводниках. Но сначала несколько принципов, соблюдение которых исключительно важно для получения действительно высокого качества звучания.

1. В схеме усилителя не должно быть ни одного кремниевого полупроводника.

2. Монтаж производится объемным навесным способом, с максимальным использованием выводов самих деталей. Печатные платы значительно ухудшают звучание.

3. Количество транзисторов в усилителе должно быть минимально возможным.

4. Транзисторы следует отбирать попарно не только для верхнего и нижнего плеча выходного каскада,но и для обоих каналов.Стало быть, придется отобрать по 4 экземпляра с возможно близкими значениямиh21э (не менее 100) и минимальным Iко.

5. Сердечник силового трансформатора изготавливается из пластин Ш с сечением не менее 15 см2. Очень желательно предусмотреть экранную обмотку, которую следует заземлить.

Принцип не нов, такая схемотехника была весьма популярна в шестидесятые годы. На мой взгляд, это чуть ли не единственная конфигурация бестрансформаторного усилителя, соответствующая аудио-фильским канонам. Благодаря своей простоте позволяет добиться высокого качества звучания при минимальных затратах. Автором она была лишь адаптирована к современным требованиям High End Audio.

Настройка усилителя весьма проста. Сначала устанавливаем резистором R2 половину напряжения питания на «минусе» конденсатораС7. Затем подбираем R13 так, чтобы миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь выходных транзисторов, показал ток покоя 40 — 50 мА,не больше. При подаче сигнала на вход следует убедиться в отсутствии самовозбуждения, хотя оно и маловероятно. Если все же на экране осциллографа заметны признаки ВЧ-генерации, попробуйте увеличить емкость конденсатора С5. Для устойчивой работы усилителя при изменении температуры диоды VD1, 2, должны быть смазаны теплопроводной пастой и прижаты к одному из выходных транзисторов. Последние устанавливаются на теплоотводах площадью не менее 200 см2.

В первой схеме был квази-комплементарный выходной каскад, поскольку промышленность 40 лет назад не выпускала мощных германиевых транзисторов со структурой n-p-n. Комплементарные пары ГТ703(p-n-p) и ГТ705 (n-p-n) появились лишь в 70-х, что позволило усовершенствовать схему выходного каскада. Но мир далек от совершенства — у перечисленных выше типов максимальный ток коллектора всего 3,5 А (у П217В Iк max = 7,5 A). Поэтом уприменить их в схеме можно, лишь поставив по два в плечо. Этим,собственно,и отличается №2, разве что полярность блока питания противоположна.И усилитель напряжения (VT1), соответственно, реализован на транзисторе другой проводимости.

Настраивается схема точно так же, даже ток покоя выходного каскада такой же.

Коротко о блоке питания

Для получения высокого качества звучания придется поискать в закромах 4 германиевых диода Д305. Другие категорически не рекомендуются. Соединяем их мостом, шунтируем слюдой КСОпо 0,01 мкФ, а затем ставим 8 конденсаторов 1000 мкФ X 63 В (теже К50-29 или Philips), которые тоже шунтируем слюдой. Наращивать емкость не надо — тональный баланс уходит вниз, теряется воздух.

Параметры обеих схем примерно одинаковы: выходная мощность20 Вт на нагрузке 4 Ом при искажениях 0,1 — 0,2%. Разумеется,эти цифры мало что говорят о звучании. Уверен в одном — послушав грамотно сделанный по одной из этих схем усилитель, вы вряд ли вернетесь к кремниевым транзисторам.

Мы послушали у Жана прототип первого варианта усилителя. Первое впечатление — необычно. Звучание отчасти транзисторное (хороший контроль нагрузки, четкий бас, убедительный драйв), отчасти ламповое (отсутствие жесткости, воздух, деликатность, если хотите). Усилитель заводит, но не раздражает назойливостью.Мощности хватает, чтобы без малейших признаков клиппинга раскачать до невыносимой громкости напольную акустику с чувствительностью90 дБ. Что интересно — тональный баланс на разных уровнях, почти не меняется.

Это результат продуманной конструкции и тщательно подобранных деталей. Учитывая, что комплект транзисторов обойдется рублей в пятьдесят (хотя, если не очень повезет, для подбора пар, может потребоваться несколько десятков, смотря какая партия попадется),не экономьте на других элементах, особенно конденсаторах.

Буквально за пару часов на макетной плате был собран один канал усилителя для анализа схемы. На выходе устанавливались американские германиевые транзисторы Altec AU108 с граничной частотой 3 МГц. При этом полоса пропускания по уровню 0,5 дБ была10 Гц— 27 кГц, искажения на мощности 15 Вт примерно 0,2%. Доминировала3-я гармоника, но наблюдались выбросы и более высоких порядков,вплоть до 11-го. С транзисторами ГТ-705Д (Fгр. = 10 кГц)ситуация была несколько иной: полоса сузилась до 18 кГц,зато гармоник выше 5-й на экране анализатора вообще не было видно. Изменилось и звучание — оно как-то потеплело, смягчилось, но искрящееся прежде «серебро» поблекло. Так что первый вариант можно рекомендовать для акустики с «мягкими» пищалками, а второй — с титановыми или пьезо излучателями. Характер искажений зависит от качества конденсаторов С7 и С6 на схемах 1 и 2 соответственно. А вот их шунтирование слюдой и пленкой не очень заметно на слух.

К недостаткам схемы следует отнести малое входное сопротивление(около 2 кОм в верхнем положении регулятора громкости),которое может перегрузить выходной буфер источника сигнала.Второй момент — уровень искажений сильно зависит от характеристики режима первого транзистора. Чтобы повысить линейность входного каскада, имеет смысл ввести две вольт-добавки для питания коллекторной и эмиттерной цепи T1 [1]. Для этого делаются два дополнительных независимых стабилизатора с выходным напряжением 3 В.«Плюс» одного соединяется с шиной питания — 40 В (все пояснения даются для схемы 1, для другой схемы полярность меняется на противоположную),а «минус» подается на верхний вывод R4. Резистор R7 и конденсатор C6 из схемы исключаются. Второй источник включается так:«минус» на землю, а «плюс» — на нижние выводы резисторовR3 и R6. КонденсаторC4 при этом остается между эмиттером и землей. Возможно,стоит поэкспериментировать со стабилизированным питанием.Любые изменения в питании и самой схеме усилителя радикально влияют на звук, что открывает широкие возможности для твикинга.

[1]. Г.Левинзон, А.Логинов, «Высококачественный усилитель низкой частоты». М., «Энергия», 1977.

* Публикуется по H.J.Fisher, Transistortechnik fur Den Funkamateur.Перевод А.В. Безрукова, М., МРБ, 1966.

** Предвижу, что после выхода этой статьи цены на радио рынках могут подскочить, как это уже произошло с некоторыми типами ламп и микросхем — Прим. ред.