Конструкция самодельного усилителя
Это, пожалуй, был самый сложный момент в изготовлении, так как подходящего готового корпуса не нашлось и пришлось выдумывать возможные варианты :-)) Чтобы не лепить кучу отдельных радиаторов, решил использовать корпус-радиатор от автомобильного 4-канального усилителя, довольно больших размеров, примерно такой:
Все «внутренности» были, естественно, извлечены и компоновка получилась примерно такой (к сожалению фотографию соответствующую не сделал):
— как видно, в эту крышку-радиатор установились шесть плат оконечных УМЗЧ и плата предварительного усилителя-темброблока. Плата блока фильтров уже не влезла, поэтому была закреплена на добавленной затем конструкции из алюминиевого уголка (её видно на рисунках). Также, в этом «каркасе» были установлены трансформаторы, выпрямители и фильтры блоков питания.
Вид (спереди) со всеми переключателями и регуляторами получился такой:
Вид сзади, с колодками выходов на динамики и блоком предохранителей (поскольку никакие схемы электронной защиты не делались из-за недостатка места в конструкции и чтобы не усложнять схему):
Эта схема усилителя звука была создана всеми любимым британским инженером (электронщик-звуковик) Линсли-Худом. Сам усилитель собран всего на 4-х транзисторах. С виду — обыкновенная схема усилителя НЧ, но это лишь с первого взгляда. Опытный радиолюбитель сразу поймет, что выходной каскад усилителя работает в классе А. Гениально то, что просто и эта схема тому доказательство. Это сверхлинейная схема, где форма выходного сигнала не изменяется, то, есть на выходе мы получаем ту же форму сигнала, что на входе, но уже усиленный. Схема более известна под названием JLH — ультралинейный усилитель класса А, и сегодня я решил представить ее вам, хотя схема далеко не новая. Данный усилитель звука, своими руками собрать может любой рядовой радиолюбитель, благодаря отсутствию в конструкции микросхем, делающей его более доступным.
Выходные трансформаторы усилителя. Аспекты согласования трансформатора и громкоговорителя. Как должно быть и как есть на самом деле
Выходной трансформатор лампового усилителя — это важнейший компонент с точки зрения влияния на звук. От качества выходного транса и согласованности его с выходной лампой зависит частотный диапазон усилителя и его выходная мощность. Также вторичная обмотка выходного трансформатора должна быть согласована с сопротивлением катушки используемого громкоговорителя.
В транзисторных усилителях все проще — мы можем подключить к усилителю практически любой громкоговоритель, главное чтобы его сопротивление не было слишком мало, чтобы не превысить допустимый ток выходных транзисторов. От сопротивления динамика в транзисторном усилителе будет зависеть выходная мощность, в соответствии с формулой P = (U*U)/R где P — выходная мощность, U — действующее значение напряжения сигнала на громкоговорителе (RMS) а R — сопротивление его катушки (импеданс), измеренное на частоте тестирования динамика (обычно это 1000 Гц).
С ламповым усилителем все несколько сложнее. Приведенная формула тоже работает, но для того чтобы выходной трансформатор правильно работал и мог отдать динамику максимальную мощность, его вторичная обмотка должна быть согласована с сопротивлением динамика. То есть теоретически мы не можем просто взять и подключить к выходу трансформатора, рассчитанного для работы с динамиком на 4 Ома, динамик с сопротивлением 8 Ом. Я написал «теоретически», потому что на практике бывает так что у нас нет выбора. Есть какой-то готовый трансформатор и какие-то колонии с таким-то сопротивлением. И не всегда это будет совпадать. Ничего страшного не случится, усилитель будет работать. Но нам придется смириться с ухудшением характеристик усилителя. Обычно в случае несогласованности мы можем потерять в выходной мощности и в низких частотах.
Также было и в моем случае в 2006 году. У меня были в наличии два советских трансформатора, «выдранных» из старых телевизоров. Это были трансформаторы типа ТР-7. На трансформаторах написано «трансформатор звуковой частоты ТР-7» и приведены количества витков первичной и вторичной обмоток. Это 2000 витков ПЭЛ 0,18 и 100 витков ПЭЛ 0,58.
Трансформатор звуковой частоты ТР-7 от телевизора Рубин-102 для однотактного выходного каскада на лампе 6П14П
Фактически в ламповом усилителе выходной транс является трансформатором сопротивления, который преобразует сравнительно высокое сопротивление анодной нагрузки электронной лампы (несколько кОм) в низкое сопротивление для подключения динамика (несколько ом). Найдя в справочнике оптимальное сопротивление нагрузки для нашей лампы и зная сопротивление нашего динамика мы можем определить нужные параметры трансформатора.
Трансформаторы ТР-7 использовались в телевизорах Рубин-102 и использовались с как раз лампой 6П14П (а не с 6П1П как в первом варианте моего усилка). Для этой лампы оптимальное сопротивление нагрузки — 4,5 кОм. Коэффициент трансформации нашего транса K = 2000 / 100 = 20. Общее сопротивление катушек громкоговорителей в телевизоре Рубин-102 было 11 Ом. То есть 20*20*11=4400 Ом. То есть первичная обмотка трансформатора практически соответствует рекомендованному сопротивлению для лампы 6П14П и транс действительно рассчитан на нагрузку около 11 Ом. Сопротивление моих колонок равно 8 Ом. То есть усилитель работает не совсем в оптимальном режиме, но тем не менее работает хорошо. Оптимальное сопротивление анодной нагрузки для 6П1П еще больше — около 5 кОм. И здесь чаша весов склоняется в пользу версии на 6П14П, так как сейчас трудно найти готовый трансформатор сделанный именно под 6П1П. Таким образом, использовать 6П1П в наше время имеет смысл только в том случае, если они у вас есть.
Если бы я делал усилитель сейчас, я бы заказал выходные трансформаторы на Алиэкспресс. Они хороши тем, что их вторичные обмотки имеют отводы для подключения как колонок с сопротивлением 4 так и 8 Ом. И в любом случае усилитель с таким трансформатором будет работать в режиме, близком к идеальному.
Первое включение блока
Если БП собран на микросхеме, перед первым включением желательно проверить исправность обвязки. Для этого надо подать на микросхему напряжение питания от стороннего источника и осциллографом проверить наличие импульсов.
Подача напряжения питания от стороннего источника.
Если все нормально, можно подавать напряжение 220 вольт и приступать к наладке устройства. Первое включение в сеть (да и последующие после переделок или при наладке) надо делать через лампу накаливания на 220 вольт, включив ее в разрыв провода питания.
Если в схеме что-то не так, лампа вспыхнет, сигнализируя о неисправности. Если все в порядке, лампа гореть не будет или будет светиться в полнакала. На выходе надо нагрузить БП хотя бы одной автомобильной лампой на 12 вольт – без этого некоторые источники не запустятся.
Схема пробного включения БП.
Импульсный блок питания – не самое простое электронное устройство. Успех сборки и эксплуатации зависит от разных факторов, в том числе от конструктива устройства. На работоспособность влияют, например, тщательность изготовления намоточных деталей или топология разводки печатной платы. Рекомендуется сначала повторить уже опробованную конструкцию, и, по мере наработки опыта, творить что-то свое.
В завершении для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.
Реверс фазы
Проблема в вышеописанных условиях при постоянном токе возникает, когда оба напряжения, VCO и VEO, находятся дальше от земли, чем VCM. Если VCM превышает напряжение питания, может возникнуть ещё одна проблема. Чтобы избежать проблем в этом случае обычно достаточно добавить резистор для ограничения тока в цепи насыщенного входа. Однако некоторые операционные усилители подвержены проблеме реверса фазы, когда напряжение на их входе приближается к напряжению на одной из шин питания. Когда это происходит, выходное напряжение операционного усилителя перескакивает к напряжению на противоположной шине питания и остаётся там до тех пор, пока входной каскад не восстановится после насыщения. В схеме со следящим питанием шины питания операционного усилителя гуляют вместе с его выходом, оставляя вход далеко за пределами напряжений шин питания. В результате эта ситуация может привести к выходу операционного усилителя из строя.
Если выбран операционный усилитель, который подвержен реверсу фазы, следует обязательно ограничить амплитуду входного сигнала, чтобы входное напряжение VCM никогда не превышало диапазон допустимого синфазного входного напряжения операционного усилителя. Эта ситуация выглядит идентично вышеупомянутой проблеме в условиях постоянного тока, но проблема с усилением по постоянному току возникает, когда VCM ближе к земле, чем любая шина питания. Реверс фазы является проблемой, когда VCM находится дальше от земли, чем любая шина питания.
Коэффициент усиления
Полученная схема — это неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления сигнала определяют резисторы R1 и R2. Его точное значение определяется формулой:
Будем считать, что на вход мы подаем сигнал с линейного выхода. В таком случае коэффициента усилия по напряжению равного 3 будет с хорошим запасом. Поэтому на три и будем ровняться.
От точности резисторов R1 и R2 зависит насколько одинаковым будет усиление у каналов. Поэтому желательно, чтобы резисторы имели точностью не хуже ±1%.Далеко не всегда в магазинах или в домашних запасах можно найти большой ассортимент номиналов резисторов хорошей точности. Но в данном случае можно обойтись резисторами одного номинала.
Так, в закромах шкафа были найдены прецизионные резисторы по 7,5 кОм которые и стали резисторами R1. В качестве R2 было использовано по два резистора в 7,5 кОм, которые были включены последовательно. Аналогично можно сделать, включив параллельно два резистора по 15кОм в качестве R1, и один резистора на 15кОм в качестве R2.
Для изменения коэффициента усиления лучше менять резистор R2. Для звуковых схем на ОУ, обычно рекомендуется использовать резисторы номиналом 1÷50 кОм. Любой резистор вносит шум в аудио тракт и чем больше номинал этого резистора — тем больше вносимый им шум.
Влияние напряжения питания устройства
Интуитивно понятно, что при следящем питании для получения большого размаха сигнала лучше всего устанавливать напряжение питания операционного усилителя, VCO — VEO, около его максимального допустимого рабочего напряжения. Но чтобы явно показать, как напряжение питания устройства влияет на параметры, рассмотрим следующие конфигурации. Обе имеют системные питания ± 60 В и обе требуют усиления 10. Однако в одном случае питание устройства составляет 30 В, а в другом — 10 В (см. Таблицы 2 и 3 соответственно). Проектируя эти две схемы для получения желаемого напряжения питания устройства выбираем R1 и R2 используя уравнение 9. Затем выбираем RF и RG, чтобы получить максимально возможное усиление от VCM к VOUT и выполнить условия уравнений 14 и 15. Для этого примера предположим, что в обоих случаях запас по входу для усилителя составляет 1 В для каждой шины. Тогда уравнение 17 даёт нам отношение RIN/RB, которое приведёт к усилению 10 от VIN к VOUT, и расчёт двух схем завершён. Чтобы определить шумовое усиление каждой из них, используем значения компонентов в уравнении 21. Результаты этого упражнения показывают, что при уменьшении на треть напряжения питания устройства, выходная ошибка возрастает почти в четыре раза.
|
Таблица 2. Ключевые параметры для разработки конфигурации с 30 В устройством |
Таблица 3. Ключевые параметры для разработки конфигурации с 10 В устройством |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Структурная и принципиальная схема основных частей блока
Обобщенная структурная схема импульсного БП.
На входе блока питания устанавливается сетевой фильтр. Принципиально на работу самодельного или промышленного импульсного блока питания он не влияет – все будет функционировать без него. Но отказываться от схемы фильтрации нельзя – из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока импульсные источники интенсивно «сыплют» помехами в бытовую сеть 220 вольт. По этой причине работающие от этой же сети устройства на микропроцессорах и микроконтроллерах – от электронных часов до компьютеров – будут работать со сбоями.
Схема сетевого фильтра.
Назначение входного устройства — защита от двух видов помех:
- синфазной (несимметричной) – возникает между любым проводом и землей (корпусом) БП;
- дифференциальной (симметричной) – между проводами (полюсами) питания.
Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищен предохранителем F (плавким или самовосстанавливающимся). После предохранителя стоит варистор – резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Пока входное напряжение в норме, сопротивление варистора велико и он не оказывает никакого действия на работу схемы. Если напряжение повышается, сопротивление варистора резко просаживается, что вызывает увеличение тока и сгорание предохранителя.
Статья по теме: Из чего состоит блок питания компьютера
Конденсаторы Cx блокируют дифференциальные помехи на входе и выходе фильтра в диапазоне до 30 МГц. На частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому влияния на сетевое напряжение они не оказывают. Их емкость может быть выбрана от 10 до 330 нФ. Резистор Rd устанавливается для безопасности – через него разряжаются конденсаторы после отключения питания.
Синфазные помехи подавляет фильтр на Cy и L. Их значения для частоты среза f связаны формулой Томпсона:
f=1/(2*π*√L*C), где:
- f – частота среза в кГц (берется частота преобразования импульсника);
- L – индуктивность дросселя, мкГн;
- С – емкость Cy, мкФ.
Синфазный дроссель наматывается на ферритовом кольце. Обмотки одинаковые, мотаются на противоположных сторонах.
Конструктив синфазного дросселя.
В отличие от выходного фильтра, на расчет элементов фильтра защиты от помех номинальный ток БП не влияет, за исключением провода, которым наматывается дроссель.
После фильтра сетевое напряжение выпрямляется. В большинстве случаев используется стандартный двухполупериодный мостовой выпрямитель.
Подача питания
Поскольку усилители со схемой следящего питания чувствительны к защёлкиванию, в таких схемах необходимо уделять дополнительное внимание последовательности подачи напряжений питания. Например, если напряжение на положительной шине установится за несколько миллисекунд до напряжения на отрицательной шине, оно может отправить напряжения питания устройства, VCO и VEO, к положительной шине, в то время как вход остаётся вблизи потенциала земли, тем самым нарушая диапазон допустимого синфазного входного напряжения операционного усилителя
Лучший способ избежать условия защёлкивания, которое может возникнуть в этой ситуации, это удерживать вход вблизи потенциала земли и подавать напряжения питания одновременно (Рисунок 5).
Рисунок 5
Тщательное внимание к последовательности подачи питания может предотвратить защёлкивание при подаче питания
Что такое автоматическое и фиксированное смещение электронной лампы?
Отрицательное смещение на сетке лампы нужно для того, чтобы установить правильный режим работы, при котором лампа могла бы эффективно усиливать сигнал. Если на сетку не подавать отрицательное смещение относительно катода, то лампа всегда будет полностью открыта и через нее будет протекать всегда максимальный ток. Это значит, что в случае маломощной лампы. она просто не сможет усиливать сигнал, а в случае с мощной выходной лампой она даже может раскалиться и выйти из строя. Поэтому на сетку лампы должно быть подано некоторое отрицательное напряжение относительно ее катода, которое частично «закрывает» лампу, уменьшая ее ток покоя. В случае с фиксированным смещением катод лампы соединяется с «землей» (обычно через резистор сопротивлением 1 Ом для контроля тока через лампу) а на управляющую сетку лампы через дополнительный резистор подается отрицательное напряжение от отдельного выпрямителя. желательно также стабилизировать это напряжение и обеспечить его регулировку, чтобы иметь возможность подстраивать ток покоя ламп.
При автоматическом смещении все гораздо проще. Мы просто включаем в цепь катода дополнительный резистор небольшого сопротивления. В случае схемы нашего предварительного усилителя — это резистор R6. При этом ток, проходящий через лампу создает на этом резисторе некоторое небольшое напряжение, которое как бы «приподнимает» потенциал катода относительно «земли». Поскольку сетка лампы соединена с «землей» через резистор R2, то на сетке получается отрицательный потенциал относительно катода лампы (НЕ относительно земли, а именно относительно катода!). Сопротивление резистора R6 отличается для разных типов ламп, и берется из справочника по конкретной лампе. То есть номинал этого резистора — это фактически один из параметров лампы. если мы хотим использовать лампу 6Н23П то должны использовать резистор на 680 Ом. Для лампы 6Н23П нужно установить резистор на 1.5К.
При использовании рекомендованного резистора нужное напряжение смещения создается автоматически. Поэтому данный тип смещения и называется «автоматическое смещение». если по каким-то причинам начинает возрастать ток через лампу, одновременно увеличивается и падение напряжения на катодном резисторе, и лампа немного более закрывается, ограничивая ток.
Преимущества автоматического смещения перед фиксированным — это простота и дешевизна (не нужен дополнительный выпрямитель и дополнительная обмотка силового транса), и большая стабильность работы, автоматическая подстройка смещения при колебаниях напряжения питания. Поэтому такое включение всегда используется в маломощных каскадах предварительного усиления.
Недостатки заключаются в том, что мы вводим в цепь лампы дополнительное сопротивление. Это уменьшает максимальную выходную мощность. Если в усилителе небольшой мощности (как в этой статье) это практически не заметно, то в ламповых усилителях на 50 — 100 Вт это уже создает проблемы. Поэтому выходные каскады мощных ламповых усилителей всегда строятся по схеме с фиксированным смещением. Второе неудобство — необходимость каждый раз при замене ламп подстраивать их ток покоя, регулируя напряжение смещения специальными построечными резисторами.
Кроме того вводя в цепь катода лампы резистор, мы создаем местную отрицательную обратную связь по переменному току, которая сильно уменьшает усиление лампы. Для устранения этой обратной связи параллельно резистору включается конденсатор большой емкости. В нашей схеме это «электролит» С2. Он должен быть рассчитан на напряжение 16 — 25 вольт.
Блок питания усилителя
Схема выпрямителей блока питания и стабилизатор напряжения фиксированного смещения ламп
Выпрямитель анодного напряжения
Анодный выпрямитель не имеет каких либо особенностей. Диодный мостик собран из четырех советских диодов типа КД206. Можно с успехом использовать 4 диода типа 1N4007. При этом размеры выпрямителя будут меньше.
Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются пассивным фильтром, состоящим из конденсаторов С2, С4 и дросселя L1. Дроссель можно взять от старого телевизора или лампового приемника. В крайнем случае его можно заменить на обычный резистор сопротивлением 22 — 24 Ом и мощностью не менее 5 Вт.
Входное напряжение (от силового трансформатора) может быть в пределах 220 — 260 вольт.
Цепи накала
Цепи накала всех ламп используют переменное напряжение 6.3В. Параллельно проводам цепей накала включен подстроечный резистор R1, движок которого соединен с «землей». Такая схема в ламповых усилителях позволяет минимизировать наводки от цепей накала с частотой 50 Гц. Настраиваем его так: включаем усилитель, устанавливаем регулятор громкости в минимальное положение и прослушивая выходной сигнал, поворачиваем движок этого продстроечника. Добиваемся минимума проникновения фона с частотой сети.
Выпрямитель и стабилизатор отрицательного напряжения для фиксированного смещения оконечных ламп.
Этот узел нужен ТОЛЬКО если вы решили сделать усилитель с фиксированным смещением на лампах 6П1П. В остальных вариантах схемы усилителя этот узел не нужен.
Для получения напряжения смещения используется обмотка силового трансформатора с выходным напряжением 24 В. наша задача получить на выходе стабилизированное отрицательное напряжение в районе -22 вольта.
в 2006 году я использовал диодный мостик типа КЦ405. Здесь можно использовать любой диодный мостик китайского производства, либо 4 диода 1N4007. Все электролитические конденсаторы стабилизатора рассчитаны на напряжение 35 вольт. Стабилизатор выполнен на транзисторе VT1 типа BD140. Можно использовать отечественные транзисторы КТ814, КТ817 и другие средней мощности и структуры PNP.
Цепочка стабилитронов в базовой цепи транзистора должна быть на суммарное напряжение 22 вольта. Для подбора стабилитронов можно использовать вот такой тестер>>.
Подстроечные резисторы R5, R6 служат для регулировки напряжения смещения и соответственно тока покоя выходных ламп.
Подключение советских трансформаторов типа ТАН
В своем первом усилителе по этой схеме я использовал два силовых унифицированных трансформатора, которые были у меня в наличии. Об этом я уже рассказывал в начале статьи. Здесь я привожу схему того, как я соединил два трансформатора для получения нужных напряжений и нагрузочной способности. Более подробно об этих трансформаторах можно почитать в статье>>.
Схема включения двух силовых трансформаторов в моей первой версии усилителя
SA1 — это выключатель питания. SA2 — выключатель анодного напряжения. дело в том, что для увеличения срока службы ламп анодное напряжение лучше подавать только тогда, когда катоды лампы полностью прогреются. Если включать анод сразу, при холодных нитях накала, это ведет к разрушению активирующего слоя на катодах ламп. Поэтому сначала включаем SA1, ждем пару минут пока прогреются катоды ламп и только после этого включаем SA2.
Вы можете сделать также, либо попробовать использовать только один трансформатор типа ТАН16, однако он будет довольно серьезно нагреваться, так как для него это будет предельная нагрузка.
Другой совет — использовать хороший трансформатор с Алиэкспресс и отказаться от фиксированного смещения в пользу автоматического.
Запуск и настройка схемы
При первом запуске не вставляйте в панельки операционные усилители и после включения питания проверьте, что на каждой панельке имеются правильные напряжения питания. Потом уже можно всунуть их по местам. Потенциометр громкости должен быть закручен на минимум (до упора влево), а на вход надо подать сигнал с mp3-плеера или компьютера. Усилитель хорошо работает как с динамиками (колонками акустических систем) с сопротивлением 4, так и 8 Ом.
В роли выходных усилителей мощности работают микросхемы TDA2050, TDA2030 или TDA2040, обеспечивая выходную мощность, соответственно 14, 20 или 30 Ватт на канал. Не обязательно все микросхемы усилители должны быть одинаковые. Вы можете установить те что слабее в роли УНЧ стерео, а более мощный усилитель оставить для сабвуфера.
Стабилизаторы напряжения U1 и U2 обеспечивают симметричное двухполярное напряжение на уровне +/-15 В. Можно с успехом применить стабилизаторы на напряжение 12 В или даже 9 В. Это не вызовет изменений в работе предусилителя. Такая процедура будет необходима в случае, если мы хотим питать усилитель меньшим напряжением, чем +/- 18 В. Стабилизаторы 7815 и 7915 могут не хотеть нормально работать с малым падением напряжения. Скачать файлы печатных плат можно тут.
Форум по аудио
