Усилитель своими руками ламповый, на транзисторах, на микросхемах

— 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.

УМЗЧ мощностью 350 Вт

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:

  1. Полосе воспроизводимых частот.
  2. Динамическому диапазону – отношению в децибелах (дБ) самой большой (высокой) выходной мощности к уровню своих шумов.
  3. Уровню своих шумов в дБ.
  4. Коэффициенту нелинейных искажений (КНИ) на номинальной (долгосрочной) выходной мощности. КНИ на высокой мощности принимается 1% или 2% в зависимости от методики измерений.
  5. 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.

Кривые равной громкости

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:

  1. 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.
  2. Другие серьезные музыкальные жанры – 75 дБ прекрасно, 80 дБ «выше крыши».
  3. 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».