— Сосед запарил по батарее стучать. Сделал музыку громче, чтобы его не слышать.
(Из фольклора аудиофилов).
Эпиграф иронический, но аудиофил абсолютно не нужно «больной на всю голову» с физиономией Джоша Эрнеста на брифинге по вопросам отношений с российской федерацией, которого «прёт» оттого, что соседи «счастливы». Кто-то желает слушать серьезную музыку дома как в зале. Качество аппаратуры для этого необходимо такое, какое у поклонников децибел громкости как таких просто не помещается там, где у здравомыслящих людей ум, но у последних оный за разум заходит от расценок на подходящие усилители (УМЗЧ, усилитель мощности звуковой частоты). А у кого-то заодно появляется желание присоединиться к полезным и интересным сферам деятельности – технике воспроизведения звука и вообще электронике. Которые в век цифровых технологий неразделимо связаны и могут стать высокодоходной и престижной специальностью. Хороший во всех отношениях шаг первый в данном деле – сделать усилитель собственными руками: именно УМЗЧ позволяет с начальной подготовкой на базе школьной физики на одном и том же столе пройти путь от простых конструкций на полвечера (которые, все таки, хорошо «поют») до сложных агрегатов, через которые с радостью сыграет и хорошая рок-группа. Цель этой статьи – осветить начальные этапы этого пути для начинающих и, может быть, сообщить кое-что новое опытным.
Очень простые
Итак, для начала попробуем сделать усилитель звука, который просто работает. Чтобы со всей серьезностью вникнуть в звукотехнику, придется поэтапно постичь очень много теоретического материала и помнить по мере продвижения обогащать багаж знаний. Но любая «умность» усваивается легче, когда видишь и щупаешь, как она работает «в железе». В данной статье дальше тоже без теории не обойдется – в том, что необходимо знать поначалу и что может быть объяснить без формул и графиков. А пока довольно будет умения паять электропаяльником и пользоваться мультитестером.
Примечание: если вы даже в наше время не паяли электронику, имейте в виду – ее элементы нельзя нагревать! Паяльный аппарат – до 40 Вт (лучше 25 Вт), максимально допустимое время пайки без перерыва – 10 с. Паяемый вывод для теплоотвода держится в 0,5-3 см от места пайки со стороны корпуса прибора медицинским пинцетом. Кислотные и др. активные флюсы использовать нельзя! Припой – ПОС-61.
Слева на рис. – самый простой УМЗЧ, «который просто работает». Его можно собрать как на германиевых, так и на кремниевых транзисторах.
Очень простые усилители звука
На данной крошке комфортно изучать азы наладки УМЗЧ с непосредственными связями между каскадами, дающими намного более чистый звук:
- Перед первым включением питания нагрузку (динамик) отключаем;
- Взамен R1 впаиваем цепочку из непрерывного резистора на 33 кОм и переменного (потенциометра) на 270 кОм, т.е. первый прим. в четыре раза меньшего, а второй прим. в два раза большего номинала против начального по схеме;
- Подаем питание и, вращая движок потенциометра, в точке, обозначенной крестиком, выставляем указанный ток коллектора VT1;
- Снимаем питание, выпаиваем временные резисторы и отмеряем их общее сопротивление;
- В качестве R1 ставим резистор номинала из обычного ряда, близлежащего к измеренному;
- Заменяем R3 на цепочку постоянный 470 Ом + потенциометр 3,3 кОм;
- Также, как по пп. 3-5, в т. а выставляем напряжение, равное половине напряжения питания.
Точка а, откуда снимается сигнал в нагрузку это т. наз. средняя точка усилителя. В УМЗЧ с однополярным питанием в ней выставляют половину его значения, а в УМЗЧ в двухполярным питанием – ноль относительно общего провода. Это называют регулировкой баланса усилителя. В однополярных УМЗЧ с емкостной развязкой нагрузки отключать ее на определенный период времени наладки не обязательно, но лучше пристраститься делать это невольно: разбалансированный 2-полярный усилитель с подключенной нагрузкой способен сжечь собственные же мощные и не дешёвые выходные транзисторы, а то и «новый, хороший» и супер дорогой мощный динамик.
Примечание: элементы, просящие выбора при наладке устройства в макете, на схемах обозначаются или звездочкой (*), или штрихом-апострофом (‘).
В самом центре на том же рис. – примитивной УМЗЧ на транзисторах, развивающий уже мощность до 4-6 Вт на нагрузке 4 Ом. Хотя и работает он, как и предыдущий, в т. наз. классе AB1, не предназначенном для Hi-Fi озвучивания, однако, если сменить парой подобных усилитель класса D (см. дальше) в недорогих китайских компьютерных колонках, их звучание ощутимо становиться лучше. Тут выясним еще одну уловку: мощные выходные транзисторы необходимо устанавливать на радиаторы. Элементы, просящие добавочного охлаждения, на схемах обводятся пунктиром; правда, абсолютно не всегда; порой – с указыванием нужной рассеивающей площади теплоотвода. Наладка этого УМЗЧ – балансировка при помощи R2.
С правой стороны на рис. – еще не монстр на 350 Вт (как был показан в начале публикации), однако уже вполне солидный зверюга: примитивной усилитель на транзисторах мощностью 100 Вт. Музыку через него слушать можно, однако не Hi-Fi, класс работы – AB2. Но для озвучивания площадки для пикника или собрания на чистом воздухе, школьного актового или маленького зала для торговли он вполне подходящ. Непрофессиональная рок-группа, имея по такому УМЗЧ на инструмент, может удачно выступать.
В этом УМЗЧ появляются еще 2 уловки: самое первое, в очень мощных усилителях каскад раскачки мощного выхода тоже необходимо освежать, благодаря этому VT3 устанавливают на радиатор от 100 кв. см. Для выходных VT4 и VT5 необходимы радиаторы от 400 кв. см. Второе, УМЗЧ с двухполярным питанием полностью без нагрузки не балансируются. То один, то другой выходной транзистор уходит в отсечку, а сопряженный в изобилие. Потом, на полном напряжении питания скачки тока при балансировке способны поломать выходные транзисторы. Благодаря этому для балансировки (R6, угадали?) усилитель запитывают от +/–24 В, а взамен нагрузки включают проволочный резистор 100…200 Ом. К слову, закорючки в определенных резисторах на схеме – римские цифры, обозначающие их требуемую мощность рассеяния тепла.
Примечание: источник питания для этого УМЗЧ необходим мощностью от 600 Вт. Конденсаторы сглаживающего фильтра – от 6800 мкФ на 160 В. Параллельно электролитическим конденсаторам ИП включаются керамические по 0,01 мкФ для устранения самовозбуждения на ультразвуковых частотах, способного очень быстро сжечь выходные транзисторы.
На полевиках
На отпечаток. рис. – еще 1 вариант достаточно мощного УМЗЧ (30 Вт, а при напряжении питания 35 В – 60 Вт) на мощных полевых транзисторах:
УМЗЧ на мощных полевых транзисторах
Звук от него уже тянет на требования к Hi-Fi начального уровня (если, конечно, УМЗЧ работает на соотв. звуковые системы, АС). Мощные полевики не просят высокой мощности для раскачки, благодаря этому и предмощного каскада нет. Еще мощные полевые транзисторы ни при каких неисправностях не сжигают динамики – сами быстрее сгорают. Тоже неприятно, но все же доступнее, чем менять дорогостоящую басовую головку громкоговорителя (ГГ). Балансировка и вообще наладка данному УМЗЧ не нужны. Недостаток у него, как у конструкции для начинающих, только один: мощные полевые транзисторы много дороже биполярных для усилителя с аналогичными параметрами. Требования к ИП – подобные пред. случаю, но мощность его необходима от 450 Вт. Радиаторы – от 200 кв. см.
Примечание: не нужно возводить мощные УМЗЧ на полевых транзисторах для импульсных источников питания, напр. компьютерных. При попытках «загнать» их в активный режим, нужный для УМЗЧ, они или же просто сгорают, или звук дают слабый, а по качествам «никакой». То же касается мощных высоковольтных биполярных транзисторов, напр. из строчной развертки устаревших телевизоров.
Сразу вверх
Если вы сделали уже первые шаги, то вполне настоящим будет желание соорудить УМЗЧ класса Hi-Fi, не вдаваясь через чур глубоко в теоретические дебри. Для этого придется увеличить приборный парк – необходим осциллограф, генератор звуковых частот (ГЗЧ) и милливольтметр электрического тока с возможностью измерения постоянной составляющей. Прототипом для повторения лучше взять УМЗЧ Е. Гумели, детально описанный в «Радио» №1 за 1989 г. Для его постройки потребуется немножко дешевых доступных элемент, но качество удовлетворяет очень взыскательным требованиям: мощность до 60 Вт, полоса 20-20 000 Гц, неравномерность АЧХ 2 дБ, показатель нелинейных искажений (КНИ) 0,01%, уровень своих шумов –86 дБ. Однако наладить усилитель Гумели очень тяжело; если вы с ним управитесь, можете приниматься за любой иной. Тем не менее, кое-какие из популярных сейчас обстоятельств намного облегчают налаживание данного УМЗЧ, см. ниже. Имея в виду это и то, что в архивы «Радио» пробраться не всем получается, уместно будет повторять ключевые моменты.
Схемы обычного очень качественного УМЗЧ
Схемы УМЗЧ Гумели и специфика к ним даны на иллюстрации. Радиаторы выходных транзисторов – от 250 кв. см. для УМЗЧ по рис. 1 и от 150 кв. см. для варианта по рис. 3 (нумерация необычная). Транзисторы предвыходного каскада (КТ814/КТ815) ставятся на радиаторы, согнутые из металлических пластин 75х35 мм толщиной 3 мм. Менять КТ814/КТ815 на КТ626/КТ961 не стоит, звук ощутимо не становится лучше, но налаживание всерьез затрудняется.
Чертежи монтажных плат и указания по налаживанию обычного очень качественного УМЗЧ
Этот УМЗЧ очень критичен к электрическому питанию, топологии монтажного процесса и общей, благодаря этому налаживать его необходимо в конструктивно законченном виде и только со штатным источником питания. При попытке запитать от стабилизированного ИП выходные транзисторы сгорают сразу. Благодаря этому на рис. даны чертежи необычных монтажных плат и указания по наладке. К ним добавить можно что, самое первое, если при первом включении виден «возбуд», с ним борются, меняя индуктивность L1. Второе, выводы устанавливаемых на платы деталей должны быть не длиннее 10 мм. Третье, менять топологию монтажного процесса очень нежелательно, однако, если очень нужно, на стороне проводников в первую очередь обязан быть рамочный экран (земляная петля, выделена цветом на рис.), а дорожки электрического питания должны пройти вне ее.
Примечание: разрывы в дорожках, к которым подключаются базы мощных транзисторов – инновационные, для налаживания, после этого запаиваются каплями припоя.
Налаживание данного УМЗЧ много становится проще, а риск соприкоснуться с «возбудом» в процессе пользования равняется до нуля, если:
- Уменьшить межблочный монтаж, поместив платы на батареях мощных транзисторов.
- Вообще отказаться от разъемов в середине, сделав весь монтаж только пайкой. Тогда не требуются будут R12, R13 в мощном варианте или R10 R11 в менее мощном (на схемах они пунктирные).
- Применять для монтажа внутри аудиопровода из бескислородной меди небольшой длины.
Во время выполнения данных условий с возбуждением проблем не бывает, а налаживание УМЗЧ сводится к рутинной процедуре, описанной на рис.
Провода для звука
Аудиопровода не досужая вымысел. Надобность их использования сейчас несомненна. В меди с примесью кислорода на гранях кристаллитов металла появится тончайшая пленочка окисла. Оксиды металлов полупроводники и, если ток в проводе слабый без постоянной составляющей, его форма искажается. Как правило, искажения на мириадах кристаллитов должны возместить друг друга, но самая малость (схоже, обусловленная квантовыми неопределенностями) остается. Достаточная, чтобы быть замеченной взыскательными слушателями на фоне чистейшего звука современных УМЗЧ.
Производственники и торговцы без зазрения совести подсовывают взамен бескислородной обыкновенную электротехническую медь – отличить одну от другой на глаз невозможно. Но есть область использования, где подделка не проходит определенно: провод витая пара для компьютерных сетей. Покласть сетку с длинными сегментами «леварем», она или абсолютно не запустится, или будет регулярно глючить. Дисперсия импульсов, начинаешь понимать ли.
Автор, когда только еще пошли слухи об аудиопроводах, понял, что, как правило, это не пустая болтовня, потому, что бескислородные провода до того времени уже давно применялись в технике спецназначения, с которой он по роду деятельности был более знаком. Взял тогда и заменил штатный шнур собственных наушников ТДС-7 самодельным из «витухи» с эластичными многожильными проводами. Звук, на слух, стабильно улучшился для сквозных аналоговых треков, т.е. на пути от студийного микрофона до диска нигде не подвергавшихся оцифровке. В особенности ярко зазвучали записи на виниле, Созданные по технологии DMM (Direct Meta lMastering, непосредственное нанесение металла). После чего межблочный монтаж всего домашнего аудио был переделан на «витушный». Тогда улучшение звука стали отмечать и совсем случайные люди, к музыке равнодушные и заблаговременно не предуведомленные.
Как выполнить межблочные провода из витой пары, см. отпечаток. видео.
Видео: межблочные провода из витой пары собственными руками
К несчастью, эластичная «витуха» в скором времени исчезла из продажи – плохо держалась в обжимаемых разъемах. Однако, к сведению читателей, исключительно из бескислородной меди выполняется эластичный «военный» провод МГТФ и МГТФЭ (экранированный). Подделка не представляется возможной, т.к. на обыкновенной меди ленточная фторопластовая изоляция очень быстро расползается. МГТФ в настоящий момент есть в торговой сети и стоит много доступнее брендовых, с гарантией, аудиопроводов. Недостаток у него один: его невозможно сделать расцвеченным, однако это можно поправить бирками. Имеется еще и бескислородные обмоточные провода, см. дальше.
Теоретическая интермедия
Как можно заметить, уже на первое время освоения звукотехники нам случалось столкнуться с понятием Hi-Fi (High Fidelity), высокая преданность воспроизведения звука. Hi-Fi бывают различных уровней, которые ранжируются по отпечаток. важным параметрам:
- Полосе воспроизводимых частот.
- Динамическому диапазону – отношению в децибелах (дБ) самой большой (высокой) выходной мощности к уровню своих шумов.
- Уровню своих шумов в дБ.
- Коэффициенту нелинейных искажений (КНИ) на номинальной (долгосрочной) выходной мощности. КНИ на высокой мощности принимается 1% или 2% в зависимости от методики измерений.
- Неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе воспроизводимых частот. Для АС – отдельно на невысоких (НЧ, 20-300 Гц), средних (СЧ, 300-5000 Гц) и высоких (ВЧ, 5000-20 000 Гц) звуковых частотах.
Примечание: отношение полных уровней каких-нибудь величин I в (дБ) определяется как P(дБ) = 20lg(I1/I2). Если I1
Все нюансы и тонкости Hi-Fi необходимо знать, занимаясь проектировкой и постройкой АС, а что же касается самодельного Hi-Fi УМЗЧ для дома, то, перед тем как переходить к подобным, необходимо четко усвоить себе требования к их мощности, нужной для озвучивания этого помещения, динамическому диапазону (динамике), уровню своих шумов и КНИ. Достигнуть от УМЗЧ полосы частот 20-20 000 Гц с завалом на краях по 3 дБ и неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ на современнейшей элементной базе не составляет больших трудностей.
Громкость
Мощность УМЗЧ не самоцель, она должна гарантировать идеальную громкость воспроизведения звука в этом помещении. Определить ее можно по кривым равной громкости, см. рис. Природных шумов в помещениях для жилья тише 20 дБ не бывает; 20 дБ это лесная глушь в полный штиль. Уровень громкости в 20 дБ относительно уровня слышимости это порог внятности – шепот разобрать еще можно, но музыка воспринимается лишь как факт ее наличия. Бывалый артист способен найти, какой инструмент играет, но что конкретно – нет.
40 дБ – обычный шумовой фон прекрасно изолированной квартиры в городе в благополучном районе или дома за городом – представляет порог разборчивости. Музыку от порога внятности до порога разборчивости можно слушать если есть наличие глубокой коррекции АЧХ, в первую очередь по басам. Для этого в современные УМЗЧ вводят функцию MUTE (приглушка, мутирование, не мутация!), включающую соотв. корректирующие цепи в УМЗЧ.
90 дБ – уровень громкости оркестра в очень хорошем концертном зале. 110 дБ может выдать оркестр расширенного состава в зале с необыкновенной акустикой, каких в мире не больше 10, это порог понимания: звуки громче воспринимаются еще как различимый по смыслу сильно воли, однако уже раздражающий шумовой фон. Территория громкости в помещениях для жилья 20-110 дБ составляет территорию полной слышимости, а 40-90 дБ – территорию самой лучшей слышимости, в которой неподготовленные и неискушенные слушатели вполне воспринимают смысл звука. Если, разумеется, он в нем есть.
Мощность
Расчет мощности аппаратуры по заданной громкости в зоне прослушивания едва ли не главная и самая сложная задача электроакустики. Для себя в условиях лучше идти от звуковых систем (АС): высчитать их мощность по простой методике, и принять номинальную (долгосрочную) мощность УМЗЧ равной высокой (музыкальной) АС. В данном случае УМЗЧ не добавит ощутимо собственных искажений к таким АС, они и так главный источник нелинейности в звуковом тракте. Но и делать УМЗЧ через чур мощным не нужно: в данном случае уровень его своих шумов может быть выше уровня слышимости, т.к. считается он от уровня напряжения выходного сигнала на самой большой мощности. Если считать совсем уж просто, то для жилого помещения обыкновенной дома или квартиры и АС с нормальной характеристической чувствительностью (звуковой отдачей) можно принять отпечаток. значения хорошей мощности УМЗЧ:
- До 8 кв. м – 15-20 Вт.
- 8-12 кв. м – 20-30 Вт.
- 12-26 кв. м – 30-50 Вт.
- 26-50 кв. м – 50-60 Вт.
- 50-70 кв. м – 60-100 Вт.
- 70-100 кв. м – 100-150 Вт.
- 100-120 кв. м – 150-200 Вт.
- Более 120 кв. м – определяется расчетом согласно данным звуковых измерений на месте.
Динамика
Динамический диапазон УМЗЧ определяется по кривым равной громкости и пороговым значениям для самых разнообразных степеней понимания:
- Симфоническая музыка и джаз с симфоническим сопровождением – 90 дБ (110 дБ – 20 дБ) идеал, 70 дБ (90 дБ – 20 дБ) допустимо. Звук с динамикой 80-85 дБ в квартире в городе не отличит от безупречного никакой специалист.
- Другие серьезные музыкальные жанры – 75 дБ прекрасно, 80 дБ «выше крыши».
- Попса любого рода и саундтреки к фильмам – 66 дБ за глаза хватит, т.к. данные опусы уже при записи сжимаются по уровням до 66 дБ и даже до 40 дБ, чтобы можно было слушать на чем хотите.
Динамический диапазон УМЗЧ, правильно подобранного для этого помещения, считают равным его уровню своих шумов, взятому со знаком +, это т. наз. отношение сигнал/шумовой фон.
КНИ
Нелинейные искажения (НИ) УМЗЧ это составляющие спектра выходного сигнала, которых не было во входном. В теории НИ прекраснее всего «затолкать» под уровень своих шумов, но технически это довольно не просто реализуемо. В работе берут в расчет т. наз. эффект маскировки: на уровнях громкости ниже прим. 30 дБ диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот сужается, как и способность распознавать звуки по частоте. Музыканты слышат ноты, но оценить тембр звука затрудняются. У людей без музыкального слуха эффект маскировки встречается уже на 45-40 дБ громкости. Благодаря этому УМЗЧ с КНИ 0,1% (–60 дБ от уровня громкости в 110 дБ) оценит как Hi-Fi рядовой слушатель, а с КНИ 0,01% (–80 дБ) можно считать не искажающим звук.
Лампы
Последнее заявление, возможно, вызовет неприятие, аж до яростного, у адептов ламповой схемотехники: мол, реальный звук дают только лампы, причем не просто какие-нибудь, а некоторые типы октальных. Успокойтесь, господа – необыкновенный ламповый звук не фикция. Причина – благодаря своему принципу разные спектры искажений у электронных ламп и транзисторов. Которые, со своей стороны, обусловливаются тем, что в лампе поток электронов двигается в вакууме и квантовые эффекты в ней не появляются. Транзистор же прибор квантовый, там неосновные носители заряда (электроны и отверстия) двигаются в кристалле, что без квантовых эффектов вообще невозможно. Благодаря этому спектр ламповых искажений короткий и чистый: в нем четко прослеживаются только гармоники до 3-й – 4-й, а комбинационных составляющих (сумм и разностей частот входного сигнала и их гармоник) слишком мало. Благодаря этому во время вакуумной схемотехники КНИ величали показателем гармоник (КГ). У транзисторов же спектр искажений (если они измеримы, оговорка случайная, см. ниже) прослеживается аж до 15-й и более высоких элемент, и комбинационных частот в нем хоть отбавляй.
На первое время твердотельной электроники конструктора транзисторных УМЗЧ брали для них обыкновенный «ламповый» КНИ в 1-2%; звук с ламповым спектром искажений такой величины рядовыми слушателями воспринимается как чистый. Кстати, и самого понятия Hi-Fiтогда еще не было. Оказалось – звучат тускло и глухо. В процессе формирования транзисторной техники и выработалось осознание, что такое Hi-Fi и что для него необходимо.
сейчас болезни роста транзисторной техники удачно преодолены и побочные частоты на выходе хорошего УМЗЧ с большим трудом улавливаются особыми способами измерений. А ламповую схемотехнику можно считать перешедшей в разряд искусства. Его база бывает разнообразной, чего же электронике туда нельзя? Здесь уместна будет аналогия с фотографией. Никто не сумеет опровергать, что новая цифрозеркалка даёт картинку неизмеримо более четкую, детальную, глубокую по диапазону яркостей и цвета, чем фанерный ящичек с гармошкой. Но кто-то крутейшим Никоном «клацает фотки» типа «это мой жирный кошак нажрался как гад и дрыхнет раскинув лапы», а кто-то Сменой-8М на свемовскую ч/б пленку выполняет снимок, перед которым на престижной выставке толпится народ.
Примечание: и еще раз успокойтесь – не все так плохо. На данный период времени у ламповых УМЗЧ небольшой мощности осталось как минимум одно использование, и не последней важности, для которого они технически нужны.
Бывалый стенд
Большое количество любителей аудио, еле обучившись паять, здесь же «уходят в лампы». Это только не удостаивается порицания, наоборот. Интерес к истокам всегда оправдан и полезен, а электроника стала такой на лампах. Первые ЭВМ были ламповыми, и бортовая электронная аппаратура первых космических аппаратов была тоже ламповой: транзисторы тогда уже были, однако не выдерживали внеземной радиации. Кстати, тогда под строжайшим секретом строились и ламповые… микросхемы! На микролампах с холодным катодом. Единственное именитое упоминание про них в открытых источниках есть в редкой книге Митрофанова и Пикерсгиля «Современные приемно-усилительные лампы».
Ламповый УМЗЧ с возможностью переключения режимов выходного каскада
Но хватит лирики, к делу. Для поклонников повозиться с лампами на рис. – схема стендового лампового УМЗЧ, предназначенного конкретно для экспериментов: SA1 переключается рабочий режим выходной лампы, а SA2 – напряжение питания. Схема прекрасно известна в Российской Федерации, маленькая доработка коснулась только выходного преобразователя электрической энергии: сейчас возможно не только «гонять» в самых разнообразных режимах родную 6П7С, но и выбирать для остальных ламп показатель включения экранной сетки в ульралинейном режиме; для подавляющего множества выходных пентодов и лучевых тетродов он или 0,22-0,25, или 0,42-0,45. Об изготовлении выходного преобразователя электрической энергии см. ниже.
Гитаристам и рокерам
Это именно тот случай, когда без ламп вряд ли можно обойтись. Как все знают, электрогитара стала полноправным солирующим инструментом после того, как заранее очень сильный сигнал со звукоснимателя стали пропускать через специализированную приставку – фьюзер – преднамеренно искажающую его спектр. Без этого звук струны был очень резким и коротким, т.к. электромагнитный звукосниматель реагирует исключительно на моды ее механических колебаний в плоскости деки инструмента.
Вскоре выявилось досадное обстоятельство: звучание электрогитары с фьюзером приобретает полную силу и яркость исключительно на больших громкостях. Тем более это вырисовывается для гитар со звукоснимателем типа хамбакер, дающим самый «злобный» звук. А как быть начинающему, вынужденному репетировать дома? Не идти же в зал выступать, не зная точно, как там зазвучит инструмент. И просто поклонникам рока хочется слушать любимые вещи в полном соку, а рокеры народ в общем то приличный и неконфликтный. Как минимум те, кого волнует именно рок-музыка, а не круг с эпатажем.
Так вот, оказалось, что роковый звук появляется на уровнях громкости, оптимальных для помещений жилого фонда, если УМЗЧ ламповый. Причина – своеобразное взаимное действие спектра сигнала с фьюзера с чистым и коротким спектром ламповых гармоник. Здесь опять уместна аналогия: ч/б фото может быть намного выразительнее цветного, т.к. оставляет для просмотра только контур и свет.
Тем, кому ламповый усилитель необходим не для экспериментов, а в силу технической надобности, долго изучать тонкости ламповой электроники недосуг, они иным увлечены. УМЗЧ в данном случае лучше делать бестрансформаторный. Точнее – с однотактным согласующим выходным преобразователем электрической энергии, работающим без непрерывного подмагничивания. Подобный подход намного облегчает и убыстряет изготовление самого трудного и ответственного узла лампового УМЗЧ.
«Бестрансформаторный» ламповый выходной каскад УМЗЧ и первичные усилители к нему
С правой стороны на рис. дана схема бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ, а слева – варианты предварительного усилителя для него. Вверху – с регулятором тембра по традиционной схеме Баксандала, обеспечивающей достаточно глубокую регулировку, но вносящей маленькие фазовые искажения в сигнал, что может быть значительно во время работы УМЗЧ на 2-полосную АС. Внизу – предусилитель с регулировкой тембра намного проще, не искажающей сигнал.
Но вернемся к «оконечнику». Во многих заграничных источников эта схема считается откровением, однако похожая ей, кроме емкости электролитических конденсаторов, находится в советском «Справочнике радиолюбителя» 1966 г. Толстенная книжища на 1060 страниц. Не было тогда интернета и баз данных на дисках.
Описание бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ
Улучшенный бестрансформаторный выходной каскад лампового УМЗЧ
Там же, с правой стороны на рис., кратко, но ясно описаны недостатки данной схемы. Улучшенная, из того же источника, дана на отпечаток. рис. с правой стороны. В ней экранная сетка Л2 запитана от средней точки анодного выпрямителя (анодная обмотка понижающего трансформатора симметричная), а экранная сетка Л1 через нагрузку. Если взамен высокоомных динамиков включить согласующий преобразователь электрической энергии с обыкновенным динамиков, как в пред. схеме, выходная мощность составить ок. 12 Вт, т.к. активное сопротивление первой обмотки преобразователя электрической энергии много меньше 800 Ом. КНИ этого оконечного каскада с трансформаторным выходом – прим. 0,5%
Как выполнить преобразователь электрической энергии?
Основные враги качества мощного сигнального НЧ (звукового) преобразователя электрической энергии – магнитное поле рассеяния, силовые линии которого замыкаются, обходя магнитопровод (сердечник), вихревые токи в магнитопроводе (токи Фуко) и, в малой степени – магнитострикция в сердечнике. Из-за данного явления неосторожно собранный преобразователь электрической энергии «поет», гудит или пищит. С токами Фуко борются, снижая толщину пластин магнитопровода и дополнительно изолируя их лаком при собирании. Для выходных блоков питания идеальная толщина пластин – 0,15 мм, максимально допустимая – 0,25 мм. Брать для выходного преобразователя электрической энергии пластины тоньше не нужно: показатель наполнения керна (центрального стержня магнитопровода) сталью упадет, сечение магнитопровода для получения заданной мощности придется расширить, отчего искажения и потери в нем только увеличатся.
В сердечнике звукового преобразователя электрической энергии, работающего с неизменным подмагничиванием (напр., анодным током однотактного выходного каскада) обязан быть не очень большой (определяется расчетом) немагнитный просвет. Наличие немагнитного зазора, с одной стороны, делает меньше искажения сигнала от непрерывного подмагничивания; со второй – в магнитопроводе обыкновенного типа повышает поле рассеяния и требует сердечника большего сечения. Благодаря этому немагнитный просвет необходимо рассчитывать на оптимум и исполнять как можно точнее.
Выходные преобразователи электрической энергии двухтактных оконечных каскадов накручиваются по специализированным схемам, чтобы сделать меньше паразитную (через поле рассеяния, не через сердечник) магнитную связь между секциями анодной обмотки. Связь через поле рассеяния – своеобразный для «двухтактников» и очень мощный фактор, ухудшающий звук. Схемы намотки выходных блоков питания ультралинейных 2-тактных выходных каскадов очень сложны.
Для блоков питания, работающих с подмагничиванием, хороший вид сердечника – из пластин Шп (просеченных), поз. 1 на рис. В них немагнитный просвет появится при просечке керна и потому стабилен; его величина должен быть указан в паспорте на пластины или замеряется набором щупов. Поле рассеяния минимально, т.к. боковые ветки, через которые замыкается магнитный поток, цельные. Из пластин Шп нередко собирают и сердечники блоков питания без подмагничивания, т.к. пластины Шп выполняют из качественной трансформаторной стали. В данном случае сердечник собирают вперекрышку (пластины укладывают просечкой то в одну, то в обратную сторону), а его сечение делают больше на 10% против расчетного.
Магнитопроводы и каркас обмоток звуковых блоков питания
Преобразователи электрической энергии без подмагничивания лучше мотать на сердечниках УШ (уменьшенной высоты с уширенными окнами), поз. 2. В них сокращение поля рассеяния достигается благодаря уменьшению длины магнитного пути. Потому как пластины УШ дешевле Шп, из них нередко набирают и сердечники блоков питания с подмагничиванием. Тогда сборку сердечника ведут внакрой: собирают пакет из Ш-пластин, укладывают полоску непроводящего немагнитного материала толщиной в величину немагнитного зазора, накрывают ярмом из пакета перемычек и стягивают все разом обоймой.
Примечание: «звуковые» сигнальные магнитопроводы типа ШЛМ для выходных блоков питания очень качественных ламповых усилителей мало годятся, у них большущее поле рассеяния.
На поз. 3 дана схема размеров сердечника для расчета преобразователя электрической энергии, на поз. 4 каркасная конструкция обмоток, а на поз. 5 – выкройки его деталей. Что до преобразователя электрической энергии для «бестрансформаторного» выходного каскада, то его лучше делать на ШЛМме вперекрышку, т.к. подмагничивание очень и очень мало (ток подмагничивания равён току экранной сетки). Важная задача здесь – сделать обмотки как можно компактнее с целью уменьшения поля рассеяния; их активное сопротивление все равно выйдет много меньше 800 Ом. Чем много свободного места остается в окнах, тем лучше вышел преобразователь электрической энергии. Благодаря этому обмотки мотают виток к витку (если нет намоточного станка, это маета страшная) из как можно более тонкого провода, показатель укладки анодной обмотки для механического расчета преобразователя электрической энергии берут 0,6. Обмоточный провод – марок ПЭТВ или ПЭММ, у них жила бескислородная. ПЭТВ-2 или ПЭММ-2 брать не нужно, у них от двойной лакировки повышенный внешний диаметр и поле рассеяния будет побольше. Первичную обмотку мотают первой, т.к. именно ее поле рассеяния более всего оказывает воздействие на звук.
Рукодельный выходной преобразователь электрической энергии звуковой частоты
Железо для этого преобразователя электрической энергии необходимо искать с отверстиями в углах пластин и стяжными скобками (см. рис. с правой стороны), т.к. «для полнейшего счастья» сборка магнитопровода изготавливается в отпечаток. порядке (конечно, обмотки с выводами и изоляцией снаружи должны быть уже на каркасе):
- Готовят разбавленный в два раза лак на основе акрила или, по старинке, шеллак;
- Пластины с перемычками быстро накрывают лаком с одной стороны и как можно скорее, не придавливая сильно, кладут в каркас. Первую пластину укладывают лакированной стороной в середину, следующую – нелакированной стороной к лакированной первой и т.д;
- Когда окно каркаса заполнится, накладуют скобы и туго стягивают болтами;
- Через 1-3 мин, когда выдавливание лака из щелей по всей видимости прекратится, добавляют пластин опять до наполнения окна;
- Повторяют пп. 2-4, пока окно не будет туго набито сталью;
- Опять туго стягивают сердечник и сушат на батарее и т.п. 3-5 суток.
Собранный по этой технологии сердечник имеет превосходные изоляцию пластин и заполнение сталью. Потерь на магнитострикцию совсем не находится. Но имейте в виду – для сердечников их пермаллоя эта методика неприменима, т.к. от сильных воздействий механики магнитные свойства пермаллоя необратимо ухудшаются!
На микросхемах
УМЗЧ на интегральных микросхемах (ИМС) делают очень часто те, кого устраивает качество звука до среднего Hi-Fi, но более привлекает дешевизна, быстрота, легкость сборки и полное отсутствие каких-то наладочных процедур, требующих особых знаний. Просто, усилитель на микросхемах – хороший вариант для «чайников». Традиция жанра тут – УМЗЧ на ИМС TDA2004, стоящей на серии, дай бог памяти, уже лет 20, слева на рис. Мощность – до 12 Вт на канал, напряжение питания – 3-18 В однополярное. Площадь радиатора – от 200 кв. см. для самой большой мощности. Положительное качество – способность работать на очень низкоомную, до 1,6 Ом, нагрузку, что дает возможность снимать всю мощность при питании от бортовой сети 12 В, а 7-8 Вт – при 6-вольтовом питании, напр., на байке. Однако выход TDA2004 в классе В некомплементарный (на транзисторах одинаковой проводимости), благодаря этому звучок точно не Hi-Fi: КНИ 1%, динамика 45 дБ.
Звуковые усилители на микросхемах TDA
Намного современная TDA7261 звук даёт не лучше, но мощнее, до 25 Вт, т.к. верхний предел напряжения питания увеличен до 25 В. Нижний, 4,5 В, все еще позволяет запитываться от 6 В бортсети, т.е. TDA7261 можно запускать фактически от всех бортсетей, помимо самолетной 27 В. При помощи подвесных элемент (обвязки, с правой стороны на рис.) TDA7261 будет работать в режиме мутирования и с функцией St-By (Stand By, ждать), переводящей УМЗЧ в режим очень маленького потребления энергии при отсутствии входного сигнала на протяжении конкретного времени. Удобства стоят наличных средств, благодаря этому для стерео необходима будет пара TDA7261 с радиаторами от 250 кв. см. для каждой.
Примечание: если вас чем-то привлекают усилители с функцией St-By, имейте в виду – ждать от них динамики шире 66 дБ не стоит.
«Сверхэкономична» по питанию TDA7482, слева на рис., работающая в т. наз. классе D. Такие УМЗЧ порой называют цифровыми усилителями, что ошибочно. Для реальной оцифровки с аналогового сигнала снимают отсчеты уровня с частотой квантования, не мене чем в два раза большей самой высокой из воспроизводимых частот, величина каждого отсчета записывается помехоустойчивым кодом и сберегается для последующего применения. УМЗЧ класса D – импульсные. В них аналог конкретно превращается в очередность широтно-модулированных импульсов (ШИМ) высокой частоты, которая и подается на динамик через фильтр невысоких частот (ФНЧ).
Импульсные звуковые усилители класса D на микросхемах
Звук класса D с Hi-Fi не имеет ничего общего: КНИ в 2% и динамика в 55 дБ для УМЗЧ класса D считаются очень неплохими показателями. И TDA7482 тут, нужно сказать, подбор не хороший: иные фирмы, которые специализируются на классе D, выпускают ИМС УМЗЧ доступнее и просящие меньшей обвязки, напр., D-УМЗЧ серии Paxx, с правой стороны на рис.
Из TDAшек необходимо отметить 4-канальную TDA7385, см. рис., на которой можно собрать хороший усилитель для колонок до среднего Hi-Fi включительно, с разделением частот на 2 полосы либо для системы с сабвуфером. Расфильтровка НЧ и СЧ-ВЧ в обоих случаях выполняется по входу на не сильном сигнале, что облегчает конструкцию фильтров и дает возможность глубже поделить полосы. А если акустика сабвуферная, то 2 канала TDA7385 необходимо выделить под суб-УНЧ мостовой схемы (см. ниже), а прочие 2 применять для СЧ-ВЧ.
4-канальный УМЗЧ на микросхеме
УМЗЧ для сабвуфера
Сабвуфер, что переводится как «подбасовик» или, буквально, «подгавкиватель» воспроизводит частоты до 150-200 Гц, в этом диапазоне человеческие уши почти не способны определить направление на источник звука. В АС с сабвуфером «подбасовый» динамик ставят в отельное звуковое оформление, это и есть сабвуфер как такой. Сабвуфер устанавливают, как правило, как удобнее, а стереоэффект обеспечивается отдельными СЧ-ВЧ каналами с собственными маленькими АС, к звуковому оформлению которых особо жёстких требований не предъявляют. Знающие люди сходятся на том, что стерео лучше все же слушать с полным разделением каналов, но сабвуферные системы значительно экономят средства или труд на басовый тракт и упрощают расположение акустики в помещениях маленького размера, почему и очень популярны у потребителей с обыкновенным слухом и не особо требовательных.
«Просачивание» СЧ-ВЧ в сабвуфер, а из него в воздух, сильно портит стерео, однако, если резко «обрубить» подбасы, что, к слову, слишком трудно и дорого, то появится очень малоприятный на слух эффект перескока звука. Благодаря этому расфильтровка каналов в сабвуферных системах выполняется два раза. При входе работающими от электричества фильтрами выделяются СЧ-ВЧ с басовыми «хвостиками», не перегружающими СЧ-ВЧ тракт, но обеспечивающими плавный переход на подбас. Басы с СЧ «хвостиками» соединяются и подаются на отдельный УМЗЧ для сабвуфера. Дофильтровываются СЧ, чтобы не портилось стерео, в сабвуфере уже акустически: подбасовый динамик, ставят, напр., в перегородку между резонаторными камерами сабвуфера, не выпускающими СЧ наружу, см. с правой стороны на рис.
Усилитель и акустика для сабвуфера
К УМЗЧ для сабвуфера предъявляют ряд нестандартных требований, из которых «чайники» основным считают возможно высокую мощность. Это абсолютно не верно, если, скажем, расчет акустики под комнату дал для одной колонки пиковую мощность W, то мощность сабвуфера необходима 0,8(2W) или 1,6W. Напр., если для жилого помещения подойдут АС S-30, то сабвуфер необходим 1,6х30=48 Вт.
Намного важнее обеспечить отсутствие фазовых и переходных искажений: пойдут они – перескок звука в первую очередь будет. Что же касается КНИ, то он допустим до 1% Свои искажения басов подобного уровня не слышны (см. кривые равной громкости), а «хвосты» их спектра в прекраснее всего слышимой СЧ области не выберутся из сабвуфера наружу.
Чтобы не было фазовых и переходных искажений усилитель для сабвуфера возводят по т. наз. мостовой схеме: выходы 2-х похожих УМЗЧ включают встречно через динамик; сигналы на входы подаются в противофазе. Отсутствие фазовых и переходных искажений в мостовой схеме вызвано полной электрической симметрией путей выходного сигнала. Идентичность усилителей, образующих плечи моста, обеспечивается использованием спаренных УМЗЧ на ИМС, сделанных на одном кристалле; это, все таки, единственный случай, когда усилитель на микросхемах лучше дискретного.
Примечание: мощность мостового УМЗЧ не удваивается, как думают некоторые, она определяется напряжением питания.
Пример схемы мостового УМЗЧ для сабвуфера в комнату до 20 кв. м (без входных фильтров) на ИМС TDA2030 дан на рис. слева. Добавочная отфильтровка СЧ выполняется цепями R5C3 и R’5C’3. Площадь радиатора TDA2030 – от 400 кв. см. У мостовых УМЗЧ с открытым выходом есть противная характерность: при разбалансе моста в токе нагрузки появляется неизменная составная часть, способная поломать динамик, а схемы защиты на подбасах нередко глючат, отключая динамик, когда не нужно. Благодаря этому лучше обезопасить дорогостоящую НЧ головку «дубово», неполярными батареями электролитических конденсаторов (выделено цветом, а схема одной батареи дана на врезке.
Немножко об акустике
Звуковое оформление сабвуфера – специальная тема, но если уж тут дан чертеж, то необходимы и пояснения. Материал корпуса – МДФ 24 мм. Трубы резонаторов – из очень крепкого не звенящего пластика, напр., полимерного этилена. Диаметр внутри труб – 60 мм, выступы в середину 113 мм в большой камере и 61 в небольшой. Под определенную головку громкоговорителя сабвуфер придется перенастроить по лучшему басу и, одновременно, по наименьшему воздействию на стереоэффект. Для настройки трубы берут заранее большей длины и, задвигая-выдвигая, добиваются требуемого звука. Выступы труб наружу на звук не оказывают влияние, их после обрезают. Настройка труб взаимозависима, так что повозиться придется.
Усилитель для наушников
Усилитель для наушников делают собственными руками очень часто по 2-м причинам. Первая – для слушания «на ходу», т.е. вне дома, когда мощности аудиовыхода плеера или смартфона не хватает для раскачки «пуговок» или «лопухов». Вторая – для высококлассных домашних наушников. Hi-Fi УМЗЧ для обыкновенной жилой комнаты необходим с динамикой до 70-75 дБ, но динамический диапазон лучших современных стереонаушников превосходит 100 дБ. Усилитель с подобной динамикой обойдется намного дороже некоторых автомобилей, а его мощность будет от 200 Вт в канале, что для обыкновенной квартиры очень много: прослушивание на сильно заниженной против номинальной мощности портит звук, см. выше. Благодаря этому есть смысл сделать маломощный, однако с хорошей динамикой отдельный усилитель конкретно для наушников: расценки на домашние УМЗЧ с подобным довеском завышены откровенно несуразно.
Усилители для наушников на транзисторах и микросхемах
Схема самого простого усилителя для наушников на транзисторах дана на поз. 1 рис. Звук – разве что для китайских «пуговок», работает в классе B. Экономией тоже не выделяется – 13-мм литиевых батареек хватает на 3-4 часа при полной громкости. На поз. 2 – TDAшная классика для наушников «на ход». Звук, тем не менее, даёт вполне приличный, до среднего Hi-Fi смотря по показателям оцифровки трека. Непрофессиональным усовершенствованиям обвязки TDA7050 несть числа, но перехода звука на следующий уровень классности пока не добился никто: сама «микруха» не дает возможность. TDA7057 (поз. 3) просто практичнее, можно включать регулятор громкости на самом обыкновенном, не сдвоенном, потенциометре.
УМЗЧ для наушников на TDA7350 (поз. 4) рассчитывается уже на раскачку хорошей личной акустики. Собственно на этой ИМС собраны усилители для наушников во множестве бытовых УМЗЧ среднего и высокого класса. УМЗЧ для наушников на KA2206B (поз. 5) считается уже профессиональным: его самой большой мощности в 2,3 Вт хватает и для раскачки подобных значительных изодинамических «лопухов», как ТДС-7 и ТДС-15.
На закуску
Напоследок – полнейшая экзотика, усилитель для наушников… на лампах, см. рис., причем только один канал, для иного необходимы еще аналогичные раритеты. Хотя в этом усилителе выполнены едва ли не все ламповые ритуалы (помимо, пожалуй фиксированного смещения от батареек), он не только и не столько дань любезности вакуумным аудиофилам: при прослушивании на ТДС-7 через этот усилитель сквозного аналога звук, если сравнивать с KA2206B, ощутимо становиться лучше.
Ламповый усилитель для наушников
ламповый, рука, транзистор, усилитель
