Простейший усилитель на транзисторах может быть хорошим пособием для изучения свойств приборов. Схемы и конструкции достаточно простые, можно самостоятельно изготовить устройство и проверить его работу, произвести замеры всех параметров. Благодаря современным полевым транзисторам можно изготовить буквально из трех элементов миниатюрный микрофонный усилитель. И подключить его к персональному компьютеру для улучшения параметров звукозаписи. Да и собеседники при разговорах будут намного лучше и четче слышать вашу речь.
Частотные характеристики
Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах - музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.
Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Причем делает оно это максимально равномерно. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин - практически прямая линия. Если же на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются, как правило, на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.
Классы работы звуковых усилителей
Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:
- Класс «А» - ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
- В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
- Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
- В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
- Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно - чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД - свыше 90 %.
Наличие искажений в различных классах НЧ-усилителей
Рабочая область транзисторного усилителя класса «А» характеризуется достаточно небольшими нелинейными искажениями. Если входящий сигнал выбрасывает импульсы с более высоким напряжением, это приводит к тому, что транзисторы насыщаются. В выходном сигнале возле каждой гармоники начинают появляться более высокие (до 10 или 11). Из-за этого появляется металлический звук, характерный только для транзисторных усилителей.
При нестабильном питании выходной сигнал будет по амплитуде моделироваться возле частоты сети. Звук станет в левой части частотной характеристики более жестким. Но чем лучше стабилизация питания усилителя, тем сложнее становится конструкция всего устройства. УНЧ, работающие в классе «А», имеют относительно небольшой КПД - менее 20 %. Причина заключается в том, что транзистор постоянно открыт и ток через него протекает постоянно.
Для повышения (правда, незначительного) КПД можно воспользоваться двухтактными схемами. Один недостаток - полуволны у выходного сигнала становятся несимметричными. Если же перевести из класса «А» в «АВ», увеличатся нелинейные искажения в 3-4 раза. Но коэффициент полезного действия всей схемы устройства все же увеличится. УНЧ классов «АВ» и «В» характеризует нарастание искажений при уменьшении уровня сигнала на входе. Но даже если прибавить громкость, это не поможет полностью избавиться от недостатков.
Работа в промежуточных классах
У каждого класса имеется несколько разновидностей. Например, существует класс работы усилителей «А+». В нем транзисторы на входе (низковольтные) работают в режиме «А». Но высоковольтные, устанавливаемые в выходных каскадах, работают либо в «В», либо в «АВ». Такие усилители намного экономичнее, нежели работающие в классе «А». Заметно меньшее число нелинейных искажений - не выше 0,003 %. Можно добиться и более высоких результатов, используя биполярные транзисторы. Принцип работы усилителей на этих элементах будет рассмотрен ниже.
Но все равно имеется большое количество высших гармоник в выходном сигнале, отчего звук становится характерным металлическим. Существуют еще схемы усилителей, работающие в классе «АА». В них нелинейные искажения еще меньше - до 0,0005 %. Но главный недостаток транзисторных усилителей все равно имеется - характерный металлический звук.
«Альтернативные» конструкции
Нельзя сказать, что они альтернативные, просто некоторые специалисты, занимающиеся проектировкой и сборкой усилителей для качественного воспроизведения звука, все чаще отдают предпочтение ламповым конструкциям. У ламповых усилителей такие преимущества:
- Очень низкое значение уровня нелинейных искажений в выходном сигнале.
- Высших гармоник меньше, чем в транзисторных конструкциях.
Но есть один огромный минус, который перевешивает все достоинства, - обязательно нужно ставить устройство для согласования. Дело в том, что у лампового каскада очень большое сопротивление - несколько тысяч Ом. Но сопротивление обмотки динамиков - 8 или 4 Ома. Чтобы их согласовать, нужно устанавливать трансформатор.
Конечно, это не очень большой недостаток - существуют и транзисторные устройства, в которых используются трансформаторы для согласования выходного каскада и акустической системы. Некоторые специалисты утверждают, что наиболее эффективной схемой оказывается гибридная - в которой применяются однотактные усилители, не охваченные отрицательной обратной связью. Причем все эти каскады функционируют в режиме УНЧ класса «А». Другими словами, применяется в качестве повторителя усилитель мощности на транзисторе.
Причем КПД у таких устройств достаточно высокий - порядка 50 %. Но не стоит ориентироваться только на показатели КПД и мощности - они не говорят о высоком качестве воспроизведения звука усилителем. Намного большее значение имеют линейность характеристик и их качество. Поэтому нужно обращать внимание в первую очередь на них, а не на мощность.
Схема однотактного УНЧ на транзисторе
Самый простой усилитель, построенный по схеме с общим эмиттером, работает в классе «А». В схеме используется полупроводниковый элемент со структурой n-p-n. В коллекторной цепи установлено сопротивление R3, ограничивающее протекающий ток. Коллекторная цепь соединяется с положительным проводом питания, а эмиттерная - с отрицательным. В случае использования полупроводниковых транзисторов со структурой p-n-p схема будет точно такой же, вот только потребуется поменять полярность.
С помощью разделительного конденсатора С1 удается отделить переменный входной сигнал от источника постоянного тока. При этом конденсатор не является преградой для протекания переменного тока по пути база-эмиттер. Внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база вместе с резисторами R1 и R2 представляют собой простейший делитель напряжения питания. Обычно резистор R2 имеет сопротивление 1-1,5 кОм - наиболее типичные значения для таких схем. При этом напряжение питания делится ровно пополам. И если запитать схему напряжением 20 Вольт, то можно увидеть, что значение коэффициента усиления по току h21 составит 150. Нужно отметить, что усилители КВ на транзисторах выполняются по аналогичным схемам, только работают немного иначе.
При этом напряжение эмиттера равно 9 В и падение на участке цепи «Э-Б» 0,7 В (что характерно для транзисторов на кристаллах кремния). Если рассмотреть усилитель на германиевых транзисторах, то в этом случае падение напряжения на участке «Э-Б» будет равно 0,3 В. Ток в цепи коллектора будет равен тому, который протекает в эмиттере. Вычислить можно, разделив напряжение эмиттера на сопротивление R2 - 9В/1 кОм=9 мА. Для вычисления значения тока базы необходимо 9 мА разделить на коэффициент усиления h21 - 9мА/150=60 мкА. В конструкциях УНЧ обычно используются биполярные транзисторы. Принцип работы у него отличается от полевых.
На резисторе R1 теперь можно вычислить значение падения - это разница между напряжениями базы и питания. При этом напряжение базы можно узнать по формуле - сумма характеристик эмиттера и перехода «Э-Б». При питании от источника 20 Вольт: 20 - 9,7 = 10,3. Отсюда можно вычислить и значение сопротивления R1=10,3В/60 мкА=172 кОм. В схеме присутствует емкость С2, необходимая для реализации цепи, по которой сможет проходить переменная составляющая эмиттерного тока.
Если не устанавливать конденсатор С2, переменная составляющая будет очень сильно ограничиваться. Из-за этого такой усилитель звука на транзисторах будет обладать очень низким коэффициентом усиления по току h21. Нужно обратить внимание на то, что в вышеизложенных расчетах принимались равными токи базы и коллектора. Причем за ток базы брался тот, который втекает в цепь от эмиттера. Возникает он только при условии подачи на вывод базы транзистора напряжения смещения.
Но нужно учитывать, что по цепи базы абсолютно всегда, независимо от наличия смещения, обязательно протекает ток утечки коллектора. В схемах с общим эмиттером ток утечки усиливается не менее чем в 150 раз. Но обычно это значение учитывается только при расчете усилителей на германиевых транзисторах. В случае использования кремниевых, у которых ток цепи «К-Б» очень мал, этим значением просто пренебрегают.
Усилители на МДП-транзисторах
Усилитель на полевых транзисторах, представленный на схеме, имеет множество аналогов. В том числе и с использованием биполярных транзисторов. Поэтому можно рассмотреть в качестве аналогичного примера конструкцию усилителя звука, собранную по схеме с общим эмиттером. На фото представлена схема, выполненная по схеме с общим истоком. На входных и выходных цепях собраны R-C-связи, чтобы устройство работало в режиме усилителя класса «А».
Переменный ток от источника сигнала отделяется от постоянного напряжения питания конденсатором С1. Обязательно усилитель на полевых транзисторах должен обладать потенциалом затвора, который будет ниже аналогичной характеристики истока. На представленной схеме затвор соединен с общим проводом посредством резистора R1. Его сопротивление очень большое - обычно применяют в конструкциях резисторы 100-1000 кОм. Такое большое сопротивление выбирается для того, чтобы не шунтировался сигнал на входе.
Это сопротивление почти не пропускает электрический ток, вследствие чего у затвора потенциал (в случае отсутствия сигнала на входе) такой же, как у земли. На истоке же потенциал оказывается выше, чем у земли, только благодаря падению напряжения на сопротивлении R2. Отсюда ясно, что у затвора потенциал ниже, чем у истока. А именно это и требуется для нормального функционирования транзистора. Нужно обратить внимание на то, что С2 и R3 в этой схеме усилителя имеют такое же предназначение, как и в рассмотренной выше конструкции. А входной сигнал сдвинут относительно выходного на 180 градусов.
УНЧ с трансформатором на выходе
Можно изготовить такой усилитель своими руками для домашнего использования. Выполняется он по схеме, работающей в классе «А». Конструкция такая же, как и рассмотренные выше, - с общим эмиттером. Одна особенность - необходимо использовать трансформатор для согласования. Это является недостатком подобного усилителя звука на транзисторах.
Коллекторная цепь транзистора нагружается первичной обмоткой, которая развивает выходной сигнал, передаваемый через вторичную на динамики. На резисторах R1 и R3 собран делитель напряжения, который позволяет выбрать рабочую точку транзистора. С помощью этой цепочки обеспечивается подача напряжения смещения в базу. Все остальные компоненты имеют такое же назначение, как и у рассмотренных выше схем.
Двухтактный усилитель звука
Нельзя сказать, что это простой усилитель на транзисторах, так как его работа немного сложнее, чем у рассмотренных ранее. В двухтактных УНЧ входной сигнал расщепляется на две полуволны, различные по фазе. И каждая из этих полуволн усиливается своим каскадом, выполненном на транзисторе. После того, как произошло усиление каждой полуволны, оба сигнала соединяются и поступают на динамики. Такие сложные преобразования способны вызвать искажения сигнала, так как динамические и частотные свойства двух, даже одинаковых по типу, транзисторов будут отличны.
В результате на выходе усилителя существенно снижается качество звучания. При работе двухтактного усилителя в классе «А» не получается качественно воспроизвести сложный сигнал. Причина - повышенный ток протекает по плечам усилителя постоянно, полуволны несимметричные, возникают фазовые искажения. Звук становится менее разборчивым, а при нагреве искажения сигнала еще больше усиливаются, особенно на низких и сверхнизких частотах.
Бестрансформаторные УНЧ
Усилитель НЧ на транзисторе, выполненный с использованием трансформатора, невзирая на то, что конструкция может иметь малые габариты, все равно несовершенен. Трансформаторы все равно тяжелые и громоздкие, поэтому лучше от них избавиться. Намного эффективнее оказывается схема, выполненная на комплементарных полупроводниковых элементах с различными типами проводимости. Большая часть современных УНЧ выполняется именно по таким схемам и работают в классе «В».
Два мощных транзистора, используемых в конструкции, работают по схеме эмиттерного повторителя (общий коллектор). При этом напряжение входа передается на выход без потерь и усиления. Если на входе нет сигнала, то транзисторы на грани включения, но все равно еще отключены. При подаче гармонического сигнала на вход происходит открывание положительной полуволной первого транзистора, а второй в это время находится в режиме отсечки.
Следовательно, через нагрузку способны пройти только положительные полуволны. Но отрицательные открывают второй транзистор и полностью запирают первый. При этом в нагрузке оказываются только отрицательные полуволны. В результате усиленный по мощности сигнал оказывается на выходе устройства. Подобная схема усилителя на транзисторах достаточно эффективная и способна обеспечить стабильную работу, качественное воспроизведение звука.
Схема УНЧ на одном транзисторе
Изучив все вышеописанные особенности, можно собрать усилитель своими руками на простой элементной базе. Транзистор можно использовать отечественный КТ315 или любой его зарубежный аналог - например ВС107. В качестве нагрузки нужно использовать наушники, сопротивление которых 2000-3000 Ом. На базу транзистора необходимо подать напряжение смещения через резистор сопротивлением 1 Мом и конденсатор развязки 10 мкФ. Питание схемы можно осуществить от источника напряжением 4,5-9 Вольт, ток - 0,3-0,5 А.
Если сопротивление R1 не подключить, то в базе и коллекторе не будет тока. Но при подключении напряжение достигает уровня в 0,7 В и позволяет протекать току около 4 мкА. При этом по току коэффициент усиления окажется около 250. Отсюда можно сделать простой расчет усилителя на транзисторах и узнать ток коллектора - он оказывается равен 1 мА. Собрав эту схему усилителя на транзисторе, можно провести ее проверку. К выходу подключите нагрузку - наушники.
Коснитесь входа усилителя пальцем - должен появиться характерный шум. Если его нет, то, скорее всего, конструкция собрана неправильно. Перепроверьте все соединения и номиналы элементов. Чтобы нагляднее была демонстрация, подключите к входу УНЧ источник звука - выход от плеера или телефона. Прослушайте музыку и оцените качество звучания.
Анализ писем радиолюбителей, позволил придти к следующим выводам. Во-первых (и это естественно), все высказываются за создание простых в схемотехническом отношении усилителей мощности ЗЧ (УМЗЧ); во-вторых, чем проще схема усилителя, тем менее подготовленные радиолюбители берутся за его сборку; в-третьих, даже опытные конструкторы нередко игнорируют известные правила монтажа, что приводит к неудачам при повторении УМЗЧ на современной элементной базе.
Исходя из сказанного, был разработан УМЗЧ (см. рис. 1). Его основные особенности - использование ОУ в малосигнальном режиме, что расширяет полосу частот сигналов, воспроизводимых без превышения скорости нарастания выходного напряжения ОУ; транзисторов выходного каскада - в схеме ОЭ, а предоконечного - с разделенной нагрузкой в цепях эмиттеров и коллекторов. Последнее, кроме очевидного конструктивного преимущества - возможности размещения всех четырех транзисторов на общем теплоотводе, дает определенные преимущества по сравнению с выходным каскадом, в котором транзисторы включены по схеме ОК.
Основные технические характеристики УМЗЧ:
Номинальный диапазон частот при неравномерности АЧХ 2 дБ: 20 – 20000 Гц
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом: 30 Вт
Максимальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом: 42 Вт
Номинальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом: 15 Вт
Максимальная выходная мощность на нагрузке сопротивлением 8 Ом: 21 Вт
Коэффициент гармоник при номинальной мощности в номинальном диапазоне частот: не более 0,01 %
Номинальное (максимальное) входное напряжение: 0,8 (1) В
Входное сопротивление: 47 кОм
Выходное сопротивление: не более 0,03 Ом
Относительный уровень шума и фона: -86 дБ
Амплитуда всплесков выходного напряжения при включении и выключении УМЗЧ: не более 0,1 В
ОУ DA1 питается через транзисторы VT1 и VT2, которые снижают напряжения питания до требуемых значений. Токи покоя транзисторов создают падения напряжения на резисторах R8 и R9, достаточные для обеспечения необходимого напряжения смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6. При этом напряжения смещения для транзисторов оконечного каскада выбраны такими (0,35…0,4 В), чтобы они оставались надежно закрытыми при повышении напряжения питания на 10…15 % и перегреве на 60…80 °С. Снимаются они с резисторов R12, R13, которые одновременно стабилизируют режим работы транзисторов предоконечного каскада и создают местные ООС по току.
Соотношение между сопротивлениями резисторов R11 и R4 цепи ООС выбрано из условия получения номинального входного напряжения, равного 0,8 В. Включение цепей внешней коррекции и балансировки ОУ для простоты на схеме не показано (об этом будет сказано в разделе, посвященном налаживанию усилителя).
ФНЧ R3C2 и ФВЧ C3R10 с частотами среза в области 60 кГц предотвращают работу сравнительно низкочастотных транзисторов VT3-VT6 на более высоких частотах во избежание их пробоя. Конденсаторы С4, С5 корректируют ФЧХ предоконечного и оконечного каскадов, предотвращая их самовозбуждение при неудачном монтаже.
Катушка L1 повышает стабильность работы УМЗЧ при значительной емкостной нагрузке.
УМЗЧ питается от нестабилизированного выпрямителя. Он может быть общим для обоих каналов стереоусилителя, однако в этом случае емкость конденсаторов фильтра С8 и С9 необходимо увеличить вдвое, а диаметр провода вторичной обмотки трансформатора Т1 - в 1,5 раза. Предохранители включают в цепи питания каждого из усилителей.
Конструкция УМЗЧ может быть различной, однако некоторые конструктивные особенности, от которых зависит успех его повторения, должны быть обязательно учтены.
Чертеж печатной платы и размещение деталей одного канала УМЗЧ
приведены на рисунках:
Длина выводов деталей должна быть не более 7…10 мм (для удобства монтажа выводы ОУ DA1 укорачивают примерно до 15 мм). В УМЗЧ необходимо использовать керамические конденсаторы с номинальным напряжением не менее 50 В. Плату можно закрепить на теплоотводе транзисторов оконечного каскада с помощью стоек высотой 15…20 мм или в непосредственной близости от него, применив для соединения оконечного каскада с предоконечным какой-либо разъемный соединитель, например МРН-22 (гнезда и штыри соединителя включают в точках 1-5). В последнем случае сопротивление резисторов R12 и R13 следует выбрать равным 43…47 Ом, а на розетке соединителя с подключенными к ней транзисторами VT5, VT6 установить резисторы такого же сопротивления R12′ и R13′ (это предотвратит выход из строя транзисторов при потере контакта в соединителе). Длина проводников между платой и транзисторами оконечного каскада должна быть не более 100 мм.
Кроме указанного на схеме, в УМЗЧ можно применить ОУ К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1А, однако коэффициент гармоник на частотах выше 5 кГц возрастет в этом случае примерно до 0,3 %.
Транзисторы предоконечного каскада располагают на теплоотводе, согнутом из пластины размерами 70Х35Х3 мм (без учета лапки с отверстием диаметром 2,2 мм) из алюминиевого сплава, которую одним винтом М2Х8 с гайкой крепят к плате для предотвращения обрыва выводов транзисторов при случайных механических воздействиях.
Транзисторы оконечного каскада можно расположить как на общем для каждого канала УМЗЧ теплоотводе, так и на теплоотводе, общем для обоих каналов. В первом случае их закрепляют на теплоотводе и изолируют последний от корпуса УМЗЧ, во втором - изолируют транзисторы, а теплоотвод может представлять собой конструктивный элемент корпуса усилителя. Для уменьшения теплового сопротивления корпус транзистора - теплоотвод необходимо использовать теплопроводную пасту. При использовании отдельных (для каждого канала) теплоотводов можно применять транзисторы в пластмассовом корпусе, которые из-за малой площади металлических оснований могут перегреваться при плохом выполнении прокладок или неплотном тепловом контакте с теплоотводом и чрезмерном количестве пасты в зазоре. На общем для обоих каналов теплоотводе целесообразно устанавливать транзисторы в металлическом корпусе. Площадь теплоотвода в расчете на один транзистор должна быть не менее 500 см2.
Большое значение имеет монтаж УМЗЧ, соединение его каналов с источником питания. Провода питания (+22 В, -22 В и общий) должны быть возможно более короткими (к каждому каналу они должны быть проложены отдельно) и достаточно большого сечения (при максимальной мощности 42 Вт - не менее 1,5 мм2). Проводами такого же сечения должны быть подключены акустические системы, а также цепи эмиттеров и коллекторов транзисторов оконечного каскада к плате УМЗЧ.
Налаживают УМЗЧ при отключенном оконечном каскаде. Если для соединения частей УМЗЧ применен разъемный соединитель, удобно воспользоваться технологической розеткой, к которой подсоединены только провода питания и выход генератора сигналов ЗЧ. При, непосредственном соединении оконечных транзисторов с платой УМЗЧ достаточно удалить перемычки из припоя с печатных проводников цепей их баз и временно припаять последние к выводам эмиттеров.
Для балансировки ОУ DA1 (если в этом возникнет необходимость) на плате предусмотрены отверстия под подстроечный и постоянные резисторы или проволочные перемычки для соединения выводов микросхемы в соответствии со схемой балансировки для конкретного типа. Например, для балансировки ОУ К544УД2 его выводы 1 и 8 через резистор сопротивлением 62 кОм соединяют с выводом движка и одним из выводов резистивного элемента подстроечного резистора сопротивлением 22 кОм. Свбодный вывод этого резистора соединяют проволочной перемычкой с выводом 7 ОУ, а через резистор сопротивлением 75 кОм- с выводом 5 (на рис. 2 эти элементы показаны штриховыми линиями). При использовании ОУ К544УД1 его вывод 1 через резистор сопротивлением 4,3 кОм соединяют с выводами подстроечного резистора сопротивлением 1,5 кОм. Его свободный вывод подключают к выводу 8 ОУ через резистор сопротивлением 5,1 кОм, а к выводу 7 - проволочной перемычкой. Для балансировки ОУ К140УД6 и К140УД7 используют резисторы тех же номиналов, но свободный вывод подстроенного резистора соединяют через постоянный резистор с выводом 5, а перемычкой - с выводом 4 ОУ. Впрочем, балансировка может и не понадобиться, поэтому эти детали устанавливают только при необходимости.
Налаживание начинают с того, что вход усилителя замыкают накоротко, к выходу подсоединяют осциллограф, включенный в режим максимальной чувствительности, и кратковременно подают питание. Если на выходе нет переменного напряжения, т. е. самовозбуждение отсутствует, измеряют режим работы транзисторов VT3, VT4 и ОУ DA1 по постоянному току. Напряжения питания ОУ должны лежать в пределах +13,5…14 и -13,5…14 В и быть примерно одинаковыми (отклонение допустимо в пределах 0,2…0,3 В). Падения напряжения на резисторах R12 и R13 должны быть равны 0,35…0,4 В. Если же они значительно (более чем на 10 %) отличаются от указанной величины, необходимо подобрать резисторы R8, R9, следя за тем, чтобы их новые сопротивления оставались одинаковыми. Заменяют резисторы при выключенном питании УМЗЧ. Ориентировочное сопротивление резисторов для ОУ К544УД2А указано на схеме. При использовании ОУ К544УД1А и К140УД6 за исходное следует выбрать их сопротивление 680 Ом, а при использовании К140УД7 - 560 Ом.
Подобрав резисторы R8, R9, измеряют постоянное напряжение на выходе УМЗЧ и, если оно превышает 20…30 мВ, балансируют ОУ DA1. Затем подсоединяют базы транзисторов VT5, VT6 к эмиттерам VT3, VT4 и, кратковременно включив питание, убеждаются, что и в таком виде УМЗЧ не самовозбуждается. Напряжение шумов и фона переменного тока при замкнутом накоротко входе не должно превышать 1 мВ.
Далее к выходу УМЗЧ подключают резистор сопротивлением 16 Ом с мощностью рассеяния 10…15 Вт, размыкают вход УМЗЧ, подключают к нему настроенный на частоту 1 кГц генератор и, постепенно увеличивая его сигнал до получения на нагрузке напряжения 13,5…14 В, проверяют симметричность ограничения положительных и отрицательных полуволн синусоиды.
Минимального (в указанных пределах) постоянного напряжения на выходе усилителя добиваются при необходимости окончательной балансировкой ОУ DA1. После этого можно приступить к измерению основных характеристик УМЗЧ, нагрузив его номинальной нагрузкой - резистором сопротивлением 4 или 8 Ом.
Следует, однако, учесть, что попытка наладить, а тем более точно оценить параметры УМЗЧ, собранного без соблюдения указанных выше правил монтажа, не установив его на предназначенное для него место и не питая его от собственного блока питания, не только не даст желаемого результата, но и может привести к выходу из строя транзисторов выходного каскада. К налаживанию УМЗЧ и измерению его характеристик следует приступать только после полного завершения его конструкции. Простота усилителя только кажущаяся. Не следует забывать, что в составе как ОУ DA1, так и УМЗЧ в целом применены транзисторы с максимальными частотами генерации 100…300 МГц, причем в выходных каскадах - со значительными емкостями переходов, которые способны привести к самовозбуждению даже при кажущемся отсутствии цепей обратной связи и нагрузок достаточной величины. Незначительная индуктивность провода цепи эмиттера, параллельное расположение на значительной длине проводов цепей базы и коллектора могут стать причиной самовозбуждения на высоких частотах, что крайне опасно для транзисторов оконечного и предоконечного каскадов. (Впрочем, это справедливо не только для описываемого устройства, но и для УМЗЧ, собранного по любой другой схеме.)
При измерении коэффициента гармоник и относительного уровня шумов и помех следует помнить о возможных наводках со стороны питающей сети, теле- и радиопередатчиков, телевизоров и других радиоприборов из-за плохой экранировки соединительных проводов, входа УМЗЧ и чувствительных измерительных приборов, а также при отсутствии соединения их незаземленных корпусов друг с другом. Иногда достаточно переставить в розетке вилку кабеля питания одного из приборов или УМЗЧ, чтобы получить неверный результат. Кстати, не следует пользоваться известным из старой радиолюбительской практики способом проверки УМЗЧ прикосновением пальца к его входной цепи. Это может привести к такому уровню высокочастотных наводок, что выходные транзисторы выйдут из строя.
Рассмотренная схема может быть взята за основу при создании УМЗЧ с различной выходной мощностью. Для этого надо лишь изменить ряд элементов УМЗЧ и блока питания. Некоторые рекомендации по этому поводу можно почерпнуть из таблицы. При постройке УМЗЧ с выходной мощностью примерно 25 Вт часть элементов можно исключить (см. рис. 3). Как видно, вместо резистора в цепи неинвертирующего входа ОУ DA1, соединенного с общим проводом, здесь применен делитель из резисторов R1-R3, что позволило отказаться от среднего вывода вторичной обмотки сетевого трансформатора Т1. Это позволяет использовать трансформаторы с напряжением вторичной обмотки 24…28 В и обеспечивает защиту акустической системы от выхода из строя при пробое одного из транзисторов оконечного каскада.
УМЗЧ по схеме на рис. 3 можно смонтировать на той же печатной плате (см. рис. 2). В этом случае отверстия под выводы резисторов R2, R5-R7 оставляют свободными, резисторы R8 и R9 впаивают непосредственно в цепи питания ОУ DA1, для чего в отверстия под выводы эмиттеров и коллекторов транзисторов VT1, VT2 устанавливают проволочные перемычки. При выходной мощности менее 25 Вт в оконечном каскаде можно применять транзисторы серий КТ805 и КТ837 с любыми буквенными индексами.
Примечание. Сопротивления резисторов R8, R9 (УМЗЧ по схеме на рис. 1) и R6, R7 (УМЗЧ по схеме на рис. 3) указаны ориентировочно. Налаживание УМЗЧ по схеме рис. 3 не отличается от описанного выше.
В этой статье мы поговорим об усилителях. Они же УНЧ (усилители низкой частоты), они же УМЗЧ (усилители мощности звуковой частоты). Эти устройства могут быть выполнены как на транзисторах, так и на микросхемах. Хотя некоторые радиолюбители, отдавая дань моде на винтаж, делают их по старинке - на лампах. Здесь советуем посмотреть . Особое внимание начинающих хочу обратить на микросхемы автомобильных усилителей с 12-ти вольтовым питанием. Используя их можно получить довольно качественный звук на выходе, причем для сборки практически достаточно знаний школьного курса физики. Порой из обвеса, или говоря другими словами, тех деталей на схеме, без которых микросхема не будет работать, на схеме бывает буквально 5 штук. Одна из подобных, усилитель на микросхеме TDA1557Q приведена на рисунке:
Такой усилитель в свое время был собран мною, пользуюсь уже несколько лет им вместе с советской акустикой 8 Ом 8 Вт, совместно с компьютером. Качество звучания намного выше, чем у китайских пластмассовых колонок. Правда, чтобы почувствовать существенную разницу, мне пришлось купить звуковую карту creative, на встроенном звуке разница была незначительная.
Усилитель можно собрать навесным монтажом
Также усилитель можно собрать навесным монтажом, прямо на выводах деталей, но я бы не советовал собирать этим методом. Лучше потратить немного больше времени, найти разведенную печатную плату (или развести самому), перенести рисунок на текстолит, протравить его и получить в итоге усилитель, который будет работать много лет. Обо всех эти технологиях многократно рассказано в интернете, поэтому более подробно останавливаться на них не буду.
Усилитель прикрепленный к радиатору
Сразу скажу, что микросхемы усилителей при работе сильно нагреваются и их необходимо крепить, нанеся термопасту на радиатор. Тем же, кто хочет просто собрать один усилитель и нет времени или желания изучать программы по разводке печатных плат, технологии ЛУТ и травление, могу предложить использовать специальные макетные платы с отверстиями под пайку. Одна из них изображена на фото ниже:
Как видно на фото, соединения осуществляются не дорожками на печатной плате, как в случае с печатным монтажом, а гибкими проводками, подпаиваемыми к контактам на плате. Единственной проблемой при сборке таких усилителей, является источник питания, выдающий напряжение 12-16 вольт, при токе потребления усилителем до 5 ампер. Разумеется, такой трансформатор (на 5 ампер) будет иметь немаленькие размеры, поэтому некоторые пользуются импульсными источниками питания.
Трансформатор для усилителя - фото
У многих, думаю, дома есть блоки питания компьютеров, которые сейчас морально устарели, и больше не используются в составе системных блоков, так вот такие блоки питания способны выдавать по цепям +12 вольт, токи намного большие чем 4 ампера. Конечно, такое питание среди ценителей звучания считается худшим, чем стандартное трансформаторное, но я подключал импульсный блок питания для питания своего усилителя, после сменил его на трансформаторный - разница в звучании можно сказать незаметна.
После выхода с трансформатора, разумеется, нужно поставить для выпрямления тока диодный мост, который должен быть рассчитан на работу с большими токами, потребляемыми усилителем.
После диодного моста идет фильтр на электролитическом конденсаторе, который должен быть рассчитан на заметно большее напряжение, чем у нас в схеме. Например, если у нас в схеме питание 16 вольт, конденсатор должен быть на 25 вольт. Причем этот конденсатор должен быть как можно большей емкости, у меня стоят подключенные параллельно 2 конденсатора по 2200 мкф, и это не предел. Параллельно питанию (шунтируем) нужно подключить керамический конденсатор емкостью 100 нф. У усилителя на входе ставят пленочные разделительные конденсаторы емкостью от 0,22 до 1 мкф.
Пленочные конденсаторы
Подключение сигнала к усилителю, с целью снизить уровень наводимых помех, должно осуществляться экранированным кабелем, для этих целей удобно пользоваться кабелем Джек 3.5 - 2 Тюльпана, с соответствующими гнездами на усилителе.
Кабель джек 3.5 - 2 тюльпана
Регулировку уровня сигнала (громкости на усилителе) осуществляют с помощью потенциометра, если усилитель стерео, то сдвоенного. Схема подключения переменного резистора показана на рисунке ниже:
Разумеется усилители могут быть выполнены и на транзисторах, при этом питание, подключение и регулировка громкости в них применяются точно так же, как и в усилителях на микросхемах. Рассмотрим, к примеру, схему усилителя на одном транзисторе:
Здесь также стоит разделительный конденсатор, и минус сигнала соединяется с минусом питания. Ниже приведена схема двухтактного усилителя мощности на двух транзисторах:
Следующая схема также на двух транзисторах, но собранная из двух каскадов. Действительно, если присмотреться, она состоит как-бы из 2 почти одинаковых частей. В первый каскад у нас входят: С1, R1, R2, V1. Во второй каскад C2, R3, V2, и нагрузка наушники В1.
Двухкаскадный усилитель на транзисторах - схема
Если же мы хотим сделать стерео усилитель, нам нужно будет собрать два одинаковых канала. Точно также мы можем, собрав две схемы любого моно усилителя, превратить его в стерео. Ниже приведена схема трехкаскадного усилителя мощности на транзисторах:
Трехкаскадный усилитель на транзисторах - схема
Схемы усилителей также различаются по напряжению питания, некоторым достаточно для работы 3-5 вольт, другим необходимо 20 и выше. Для работы некоторых усилителей требуется двуполярное питание. Ниже приведены 2 схемы усилителя на микросхеме TDA2822 , первая стерео подключение:
На схеме в виде резисторов RL обозначены подключения динамиков. Усилитель нормально работает от напряжения в 4 вольта. На следующем рисунке изображена схема мостового включения, в ней используется один динамик, зато она выдает большую мощность, чем в стерео варианте:
На следующем рисунке изображены схемы усилителя на , обе схемы взяты из даташита. Питание 18 вольт, мощность 14 Ватт:
Акустика, подключаемая к усилителю, может иметь разное сопротивление, чаще всего это 4-8 Ом, иногда встречаются динамики с сопротивлением 16 Ом. Узнать сопротивление динамика, можно перевернув его тыльной стороной к себе, там обычно пишется номинальная мощность и сопротивление динамика. В нашем случае это 8 Ом, 15 Ватт.
Если же динамик находится внутри колонки и посмотреть, что на нем написано, нет возможности, тогда динамик можно прозвонить тестером в режиме омметра выбрав предел измерения 200 Ом.
Динамики имеют полярность. Кабеля, которыми акустика подключается, обычно имеют пометку красным цветом, для провода который соединен с плюсом динамика.
Если провода не имеют пометок, проверить правильность подключения можно, соединив батарейку плюс с плюсом, минус с минусом динамика (условно), если диффузор динамика выдвинется наружу - то мы угадали с полярностью. Больше различных схем УНЧ, в том числе ламповых, можно посмотреть в . Там собрана, думаем, самая большая подборка схем в интернете.
Усилитель низкой частоты (УНЧ) это такое устройство для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеческим ухом диапазону частот, т.е УНЧ должны усиливать в диапазоне частот от 20 ГЦ до 20 кГц, но некоторые УНЧ могут иметь диапазон и до 200 кГц. УНЧ может быть собран в виде самостоятельного устройства, или использоваться в более сложных устройствах - телевизорах, радиоприёмниках, магнитолах и т.п
Особенность этой схемы в том, что 11 вывод микросхемы TDA1552 управляет режимами работы - Обычным или MUTE.
С1, С2 - проходные блокировочные конденсаторы, используются для отсекания постоянной составляющей синусоидального сигнала. Электролитические конденсаторы лучше не использовать. Микросхему TDA1552 желательно разместить на радиаторе с использованием теплопроводящей пасты.
В принципе представленные схемы является мостовыми, т.к в одном корпусе микросборки TDA1558Q имеется 4 канала усиления, поэтому выводы 1 - 2, и 16 - 17 соединены попарно, и на них поступают входные сигналы обоих каналов через конденсаторы С1 и С2. Но если вам нужен силитель на четыре колонки, тогда можно воспользоваться вариантом схемы ниже, правда мощность при этом будет в 2 раза меньше на канал.
Основа конструкции микросборка TDA1560Q класса H. Максимальная мощность такого УНЧ достигает 40 Вт, при нагрузки в 8 Ом. Такая мощность обеспечивается увеличенным напряжением примерно в два раза, благодаря работе емкостей.
Выходная мощность усилителя в первой схеме собранного на TDA2030- 60Вт при нагрузке 4 Ома и 80Вт при нагрузке 2 Ома; TDA2030А 80Вт при нагрузке 4 Ома и 120Вт при нагрузке 2 Ома. Вторая схема рассмотренного УНЧ уже с выходной мощностью 14 Ватт.
Это типовой двух канальный УНЧ. С небольшой обвязкой из пассивных радиокомпонентов на этой микросхеме можно собрать превосходный стереоусилитель с выходной мощностью на каждом канале 1 Вт.
Микросборка TDA7265 - представляет из себя достаточно мощный двухканальный Hi-Fi усилитель класса АВ в типовом корпусе Multiwatt, микросхема нашла свою нишу в высококачественной стерео технике, Hi-Fi класса. Проста схемы включения и отличные параметры сделали TDA7265 прекрасно сбалансированным и великолепным решением при построении радиолюбительской высококачественной аудио аппаратуры.
Сначала был собран тестовый вариант на макетной плате в точности как по даташиту по ссылке выше, и успешно испытан на колонках S90. Звук неплохой, но чего то не хватало. Через некоторое время решил переделать усилитель по измененной схеме.
Микросборка представляет собой счетверенный усилитель класса AB, разработанный специально для использования в автомобильных аудиоустройствах. На основе этой микросхемы можно построить несколько качественных вариантов УНЧ с задействованием минимума радиокомпонентов. Микросхему можно посоветовать начинающим радиолюбителям, для домашней сборки различных акустических систем.
Основным достоинством схемы усилителя на этой микросборке является наличие в ней четырех независимых друг от друга каналов. Работает данный усилитель мощности в режиме AB. Ее можно применять для усиления различных стерео сигналов. При желании можно подсоединить к акустической системе автомобиля, либо персонального компьютера.
TDA8560Q является всего лишь более мощным аналогом широко известной радиолюбителям микросхемы TDA1557Q. Разработчики только усилили выходной каскад, благодаря чему УНЧ отлично подходит к двух омной нагрузке.
Микросборка LM386, это готовый усилитель мощности, который можно применять в конструкциях с низким питающим напряжением. Например при питании схемы от аккумуляторной батареи. LM386 имеет коэффициент усиления по напряжению около 20. Но подключая внешние сопротивления и емкости можно регулировать усиление до 200, а напряжение на выходе автоматически становится равным половине питающего.
Микросборка LM3886 является усилителем высокого качества с мощностью на выходе 68 ватт при 4 Ом нагрузке или 50 ватт на 8 Ом. В пиковый момент мощность на выходе способна достигать значения в 135 Вт. К микросхеме применим широкий диапазон напряжений от 20 до 94 вольт. Причем можно использовать как двуполярные, так и однополярные блоки питания. Коэффициент гармоник УНЧ составляет 0,03 %. Причем это по всему частотному интервалу от 20 до 20000 Гц.
В схеме используются две ИС в типовом включении - КР548УH1 в качестве микpофонного усилителя (устанавливается в тангенте) и (TDA2005) в мостовомвключении в качестве оконечного усилителя (устанавливается в коpпусе сиpены вместо pодной платы). В качестве акустического излучателся используется доpаботанная сиpена от сигнализации с магнитной головкой (пьезоизлучатели не годятся). Доpаботка заключается в pазбиpании сиpены и выкидывании pодной пищалки с усилителем. Микpофон - электpодинамический. Пpи использовании электpетного микpофона (напpимеp, от китайских телефонных тpубок), точку соединения микpофона с конденсатоpом нужно чеpез pезистоp ~4.7К подключить к +12В (после кнопки!). Резистоp 100К в цепи обpатной связи К548УH1 пpи этом лучше поставить сопpотивлением ~30-47К. Данный pезистоp используется для настpойки гpомкости. Микpосхему TDA2004 лучше установить на небольшой pадиатоp.
Испытывать и эксплуатиpовать - с излучателем под капотом, а тангентой в салоне. Иначе неизбежен визг из-за самовозбуждения. Подстpоечным pезистоpом устанавливается уpовень гpомкости, чтобы не было сильных искажений звука и самовозбуждения. Пpи недостаточной гpомкости (напpимеp, плохой микpофон) и явном запасе мощности излучателя можно повысить усиление микpофонного усилителя, увеличив в несколько pаз номинал подстpоечника в цепи обpатной связи (тот, котоpый по схеме 100К). По-хорошему - нужен бы еще пpимамбас, не дающий схеме самовозбуждаться - фазосдвигающая цепочка какая-нибудь или фильтp на частоту возбуждения. Хотя схема и без усложнений работает отлично
У него будут различные габариты и сложность построения схемы. В статье будет затронуто сразу три типа усилителей - на транзисторах, микросхемах и лампах. И начать стоит именно с последних.
Ламповый УНЧ
Такие можно часто встретить в старой аппаратуре - телевизорах, радиоприемниках. Несмотря на устаревание, такая техника все еще пользуется популярностью у меломанов. Бытует мнение, будто ламповый звук намного чище и красивее, нежели «оцифрованный». Вполне возможно, во всяком случае такого эффекта, как от ламп, не добиться применением транзисторных схем. Стоит заметить, что схема усилителя звука (простейшая, с использованием ламп) может быть реализована на одном лишь триоде.
В данном случае необходимо сигнал подавать на сетку радиолампы. К катоду подводится напряжение смещения - корректируется путем подбора сопротивления в цепи. На анод через конденсатор и первичную обмотку трансформатора подается напряжение питания (свыше 150 Вольт). Соответственно, вторичная обмотка подключается к динамику. Но это простая схема, а на практике часто применяют двух- или трехкаскадные конструкции, в которых имеется предварительный и оконечный усилитель (на мощных лампах).
Недостатки и преимущества ламповых конструкций
Какой же недостаток может быть у ламповой техники? Выше было упомянуто о том, что анодное напряжение должно быть свыше 150 Вольт. Вдобавок к этому обязательно наличие переменного напряжения 6,3 В для питания нитей накалов ламп. Иногда требуется 12,6 В, так как существуют лампы с таким напряжением накала. Отсюда вывод - огромная необходимость использовать массивные трансформаторы.
Но есть плюсы, которые отличают ламповую технику от транзисторной: простота монтажа, долговечность, практически невозможно вывести из строя всю схему. Разве что разбить нужно баллон лампы, чтобы сломать ее. Чего не скажешь о транзисторах - чрезмерно нагретое жало паяльника или статика запросто могут разрушить структуру перехода. Такая же проблема и с микросхемами.
Транзисторные схемы
Выше приведена схема усилителя звука на транзисторах. Как можно заметить, она достаточно сложная - используется большое количество компонентов, которые позволяют всей системе работать. Но если разбить их на мелкие составляющие, то окажется, что не все так и сложно. И вся схема работает практически так же, как и вышеописанная на вакуумном триоде. По сути, полупроводниковый транзистор - это не что иное, как триод.
Простейшая конструкция - это схема на одном полупроводнике, на базу которого подается сразу три напряжения: от плюса питания через сопротивление положительное и от общего провода отрицательное, а также от источника сигнала. Снимается усиленный сигнал с коллектора. Выше приведена в пример схема усилителя звука (простейшая на транзисторах). Она в чистом виде не используется.
Микросхемы
Намного современнее и качественнее будет усилитель на микросхемах. Благо на сегодняшний день их великое множество. Простейшая схема усилителя звука на микросхеме содержит крайне малое количество элементов. И сделать самостоятельно хороший УНЧ сможет любой человек, который умеет более-менее сносно обращаться с паяльником. Как правило, микросхемы содержат пару-тройку конденсаторов и сопротивлений.
Все остальные элементы, необходимые для работы, имеются в самом кристалле. Но самое главное - это питание. Для некоторых конструкций нужно использовать двухполярные блоки питания. Зачастую проблема возникает именно в них. Микросхемы, которым нужно такое питание, например, довольно сложно использовать для изготовления автомобильного усилителя.
Полезные «примочки»
Раз уж начался разговор об усилителях на микросхемах, то нелишним будет упомянуть о том, что они могут использоваться с темброблоками. Специально для таких устройств выпускаются микросхемы. Они содержат в себе все необходимые компоненты, останется только правильно произвести монтаж всего устройства.
И у вас появится возможность производить регулировки тембра звучания музыки. Вкупе со светодиодным эквалайзером это будет не только удобным, но и красивым средством визуализации звука. И самое интересное для любителей автозвука - это, конечно же, возможность подключения сабвуфера. Но этому стоит посвятить отдельный раздел, ведь тема интересная и познавательная.
Сабвуфер - это просто
Преимущества современных усилителей на микросхемах
Рассмотрев все возможные типы усилителей, можно сделать вывод: наиболее качественные и простые изготавливаются только на современной элементной базе. Очень много микросхем выпускается именно для усилителей низких частот. В качестве примера можно привести УНЧ типа TDA с различными цифровыми обозначениями.
Они используются практически везде, так как имеются как маломощные, так и мощные микросхемы. Например, для портативных колонок компьютера лучше всего использовать микросхемы, у которых мощность не выше 2-3 Вт. А вот для автомобильной техники или акустики домашнего кинотеатра желательно применять микросхемы мощностью свыше 30 Вт. Но обратите внимание на то, что нуждаются в защите звука. Схемы должны содержать плавкий предохранитель, который защитит от короткого замыкания в цепи.
Плюс еще и в том, что не требуется массивный блок питания, поэтому можно без проблем использовать готовый, например, от ноутбука, ПК, старых МФУ (у новых, как правило, блок питания находится внутри). Легкость монтажа - это то, что важно для начинающих радиолюбителей. Единственное, что требуется для таких устройств, - это качественное охлаждение. Если речь идет о мощной технике, то придется устанавливать принудительное - один или несколько кулеров на радиаторе.