Как собрать аудио-усилитель: Часть 1

Часть 1. Продолжение во второй части

Аудио-усилитель для требовательных пользователей — часть 1. Сегодня «цифровые» усилители занимают лидирующие позиции в аудиотехнике и могут похвастаться действительно впечатляющими характеристиками. Тем не менее, большая группа любителей хорошего звука, безусловно, выбирает чисто аналоговые усилители, которые проектируются и собираются так, как это было принято на протяжении десятков лет. Именно для таких людей и был создан описываемый здесь усилитель аудио сигнала.

Основные параметры усилителя:

Как собрать собственный аудио-усилитель Hi-Fi?

Качественный аудио-усилитель стоит очень дорого – цены на такие устройства начинаются от нескольких до нескольких тысяч долларов. Изготавливается такая аппаратура из высококачественных компонентов, собранных по правильно спроектированной схеме. А затем установленных в прочный, удобный в использовании и приятный для глаз корпус. Одним словом – бескомпромиссное качество исполнения. По специальному заказу могут быть добавлены особые детали, например, позолоченные гнезда или элементы корпуса из экзотического дерева.

В представленной схеме есть что-то от этой конструкции: она спроектирована на основе проверенных классических решений с использованием только дискретных элементов. Характеризуется простотой эксплуатации и широкими возможностями модификации. Он не содержит каких-либо компонентов, относящимся к сегменту с высокими требованиями к качеству, но каждый может соответствующим образом «подправить» конструкцию самостоятельно. Важно, что два модуля на печатных платах — источник питания и усилитель мощности — встроены в корпус.

В статье представлен подробный проект такого аудио-усилителя. Таким образом, вы можете стать обладателями аудиотехники с достаточной выходной мощностью для бытовых условий использования. Кроме этого, внешний вид усилителя непременно украсит интерьер многих гостиных или комнат для прослушивания. Отсутствие шумных вентиляторов и прочный металлический корпус напоминают оборудование, выпущенное несколько десятилетий назад.

Данный аудио-усилитель представляет собой моноблок, то есть имеет монофонический вход и выход в виде одной пары акустических клемм. Если вы хотите использовать две колонки в стереофоническом режиме, то вам понадобятся два таких усилителя мощности. Также можно самостоятельно переделать корпус (использовать больший по размеру) для размещения двух комплектов печатных плат с сетевыми трансформаторами. Возможностей действительно много! (до сих проверил в text.ru)

Аудио-усилитель — проектирование и эксплуатация

Из-за высокой сложности конструкции обсуждение схемы будет разбито на три блока:

• зарядное устройство,
• усилитель звука,
• конструкция, соединяющая все компоненты устройства, в том числе относящиеся к корпусу.

Источник питания

Схема стабилизированного источника питания представлена на рисунке 1. К выводам разъема J1 подключается разделенная вторичная обмотка сетевого трансформатора с номинальным напряжением 2х21 В переменного тока. Дополнительные RC-цепи: R1+C1 и R2+C2 – подавляют высокочастотные помехи, которые могли попасть из сети через трансформатор. Их воздействие может быть слышно в виде тихого шипения в динамике с уровнем независящим от режима работы.

Рисунок 1. Принципиальная схема модуля питания

Аудио-усилитель располагает в блоке питания четырьмя выпрямительными диода D1…D4 образующих диодный мост по схеме Гретца. Диоды Шоттки были выбраны из-за их низкого падения напряжения в прямом направлении. Существует мнение, что диоды Шоттки вносят помехи, вызванные быстрым переключением. Чтобы замедлить этот процесс, на плате предусмотрено место для конденсаторов С3…С6, емкость каждого из которых должна составлять несколько нанофарад. Однако в испытательной схеме я не наблюдал необходимости их установки, поэтому в список компонентов они не вошли.

Выпрямленное однонаправленное напряжение фильтруется цепью из двенадцати электролитических конденсаторов – по шесть на каждое плечо. Использование нескольких конденсаторов, соединенных параллельно, снижает их ESR и ESL, а также распределяет ток пульсации между несколькими элементами. Это позволяет им работать в течение очень длительного времени без ухудшения характеристик.

Аудио-усилитель оснащен схемой стабилизации напряжения питания. Линейный стабилизатор теряет часть мощности в виде тепла, но уменьшает амплитуду пульсаций и существенно снижает влияние сетевого напряжения на рабочую точку элементов усилителя. Для стабилизации выходного напряжения использовалась схема с простой петлей обратной связи.

Источником опорного напряжения является стабилитрон D7. Поскольку стабилитроны имеют свойство производить широкополосный дробовый шум, параллельно ему были подключены конденсаторы С22 и С23. Этот диод поляризован источником тока, выполненным на транзисторе Т1, причем ток, подаваемый им, составляет менее 40 мА. Источник тока имеет более высокое динамическое сопротивление, чем резистор, что приводит к меньшей амплитуде пульсаций тока, стабилитрона D7. Два полупроводниковых диода, соединенные последовательно, D5 и D6, вызывают падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора Т1 и резистора R4. Резистор R4 смещает базу Т1 и упомянутые диоды.

Транзисторы Т2 и Т3, соединенные параллельно, действуют как переключающие элементы, через которые течет выходной ток источника питания. Резисторы R5 и R6 играют роль делителя тока между этими транзисторами за счет уменьшения напряжения база-эмиттер. При правильной работе через каждый из них протекает ток примерно 300 мА, что вызывает падение напряжения около 150 мВ. Транзистор Т5 контролирует падение напряжения на одном из этих резисторов, точнее: R6. Если это падение окажется достаточно сильным, чтобы открыть переход база-эмиттер этого транзистора, то через коллектор на выход блока питания пойдет часть тока, предназначенного для Т2 и Т3. Выходной ток будет уменьшен очень простым способом.

Еще одна цепь, входящая в узел, питаемый коллектором Т1, — это коллектор транзистора Т4. Он действует как простой усилитель ошибок. Его база поляризована делителем, состоящим из резисторов R8 и R9. При правильной работе на R8 происходит падение напряжения, равное сумме напряжений проводящего диода D7 (5,1 В) и открытого перехода база-эмиттер транзистора Т4 (0,7 В). На резисторе R7 появится пропорционально большее напряжение, а именно 18,9 В. Следовательно, выходное напряжение схемы должно составлять 5,8 В + 18,9 В = 24,7 В. Если оно увеличится, то увеличится и ток коллектора Т4, что отнимет часть тока у баз Т2 и Т3, понизив выходное напряжение. И наоборот: если оно опустится ниже этого предела, то приведет к уменьшению напряжения база-эмиттер Т4, следовательно большая часть тока от источника будет поступать на базы Т2 и Т3.

Сконструированный таким образом блок питания не обеспечивает идеальных параметров (по сравнению с сегодняшними реалиями). Коэффициент стабилизации можно значительно улучшить, используя усилитель ошибки с более высоким коэффициентом усиления, предпочтительно интегрированный стабилизатор. Следующим шагом будет использование импульсного стабилизатора, который требует данный аудио-усилитель Hi-Fi. Это действительно так, но цель данного проекта заключалась в том, чтобы создать полнофункциональный аудио-усилитель, состоящий из простых дискретных компонентов, таких как диоды и транзисторы. Также, здесь подробно рассмотрена схема стабилизации положительного напряжения. Стабилизатор отрицательного напряжения имеет идентичную топологию, отличается только направлением тока и типом комплементарных элементов. Принцип работы идентичен. Оба напряжения – положительное и отрицательное – имеются на клеммах разъема J2.

Аудио-усилитель мощности звука

Принципиальная схема аудио-усилителя представлена на рисунке 2. Выходное напряжение блока питания поступает на выводы разъема J1. Оно дополнительно фильтруется от высокочастотных помех, а конденсаторы С3 и С6 уменьшают выходное сопротивление этого источника питания. В цепях входного каскада и каскада управления использованы дополнительные фильтрующие элементы. Через диоды Д1 и Д2 идет зарядка конденсаторов С7…С10, что снижает влияние пульсаций напряжения на конденсаторах С3 и С6. Резисторы R3 и R4 замедляют заряд конденсаторов, уменьшая пульсации поступающего на них напряжения.

Рисунок 2. Аудио-усилитель — принципиальная схема модуля

Входной аудиосигнал подается на разъемы J2. Резистор R5 является нагрузкой на источник сигнала — он уменьшает входное сопротивление, к тому же значительно уменьшает уровень шума. Кроме этого, он служит поляризующим элементом для конденсатора С11, задачей которого является отсекание любой составляющей постоянного тока, поступающей от источника сигнала, которая может изменить рабочую точку входной цепи. Резистор R6, в свою очередь, поляризует второй электрод С11 и обеспечивает путь для постоянного тока для питания базы Т1. Конденсатор С11 — электролитический биполярный конденсатор, поэтому появление небольшой постоянной составляющей любой полярности не повредит его.

Резистор R7 и конденсатор С12 образуют простой фильтр нижних частот с частотой среза примерно 720 кГц. Столь высокое значение не влияет на амплитудные характеристики в слышимом диапазоне и не замедляет импульсную характеристику, а наоборот, сужает полосу пропускания для шума и помех.

Первый каскад усиления представляет собой дифференциальную схему, реализованную на транзисторах Т1 и Т2. Это малошумящие дискретные транзисторы. Любое расхождение напряжений база-эмиттер можно исправить регулировкой потенциометра P1. Его наличие снижает коэффициент усиления этого каскада, поэтому их эмиттеры были связаны (по переменной составляющей) с помощью конденсатора С13. Транзистор Т1 принимает аудиосигнал на базу, а на Т2 поступает сигнал обратной связи вместе с составляющей постоянного тока, что будет объяснено позже.

Источник тока, питающий эмиттеры дифференциальной пары Т1+Т2, был реализован очень просто — с помощью транзистора Т3, база которого поляризована постоянным напряжением, подаваемым через стабилитрон. Падение напряжения на R11, составляет примерно 2,4 В, что образует ток эмиттера 2 мА. Стабилитрон включен параллельно конденсаторам, чтобы создаваемые им шумы не вызывали колебаний тока в эмиттерах дифференциальной пары. Резистор R10 поляризует диод D3 от потенциала +PRE, а не от «земли», чтобы падение напряжения на нем было как можно большим — тогда оно лучше всего отражает работу источника тока — и чтобы симметрично нагружать источник питания. Резистор R12 по идее не нужен, но он уменьшает влияние емкости Cjc транзистора Т3 на работу дифференциальной цепи Т1+Т2.

Нагрузкой коллекторов дифференциальной цепи Т1+Т2 являются резисторы одного номинала R13 и R14. Падение напряжения на них составляет примерно 1 мА × 3,9 кОм = 3,9 В. Выход дифференциальной схемы полностью симметричен, что облегчает реализацию следующего каскада схемы.

Рабочий ток транзисторов в первом каскаде схемы поддерживался низким, поскольку он оказывает решающее влияние на уровень шума, который, в свою очередь, увеличивается с увеличением тока коллектора.

Падение напряжения на R13 и R14 определяет эмиттерный ток транзисторов Т4 и Т5, которые также образуют дифференциальную цепь. Через них протекает значительный ток, поскольку в эмиттере каждого из этих транзисторов имеется сопротивление 249 Ом + 100 Ом/2≈300 Ом. Их базы имеют потенциал примерно на 3,9 В ниже потенциала узла +PRE, поэтому токи эмиттера составляют примерно (3,9 В–0,7 В)/300 Ом≈10,7 мА. Потенциометр П2 позволяет добиться симметрии между ними, ведь это тоже дискретные транзисторы. Столь высокий ток на этом этапе положительно влияет на скорость перезарядки входных емкостей МОП-транзисторов.

Конденсаторы С19 и С20 сужают АЧХ. Их величина была подобрана экспериментально, и наличие этих элементов имеет решающее значение для стабильной работы схемы. Этот шаг был выбран для замедления перезарядки входных емкостей МОП-транзисторов, поскольку он не вносит никаких искажений в сигнал. Как показывают измерения, этот аудио-усилитель имеет отличную частотную характеристику, а его параметры временной характеристики по-прежнему впечатляют для относительно простой аудио схемы.

Нагрузкой коллекторов дифференциальной системы Т4+Т5 является токовое зеркало. Это дает двукратный прирост усиления по сравнению с резистивной нагрузкой. Резисторы R21 и R22 выравнивают разницу напряжений база-эмиттер этих транзисторов. Резистор R19 уменьшает потери мощности в транзисторах и выравнивает их по отношению к соседней цепи. Конденсатор С21 ускоряет управление транзистором Т6 (соединенным с диодом) Т4.

В соседней цепи, расположенной между коллекторами транзисторов Т5 и Т7, находится схема, известная как «умножитель напряжения база-эмиттер». Напряжение на выводах резистора R20 равно напряжению база-эмиттер транзистора Т8, а на потенциометре Р3 оно пропорционально выше, поскольку ток, протекающий через Р3 и R20, примерно одинаков. Таким образом, T8 представляет собой диод, напряжение проводимости которого можно регулироваться и изменяется в зависимости от температуры его перехода база-эмиттер.

Прикрутив Т8 к радиатору, охлаждающему силовые транзисторы, можно стабилизировать их рабочую точку. Конденсаторы С22 и С23 уменьшают сопротивление этого «умножителя», тем самым улучшая связь по переменному току между затворами силовых транзисторов. Транзистор Т8 (BD139) относительно медленный, но сигнал он не проводит — это делают конденсаторы С22 и С23. Зато его корпус позволяет легко прикрутить его к радиатору, охлаждающему выходные транзисторы, что и послужило основной причиной выбора этого компонента среди других.

Что касается выходной цепи, то аудио-усилитель в качестве выходного каскада использует два MOSFET-транзистора с противоположной полярностью и соединены в комплементарную вторичную цепь. Они имеют схожие формы переходных характеристик, схожую крутизну в одной и той же рабочей точке и одинаковое пороговое напряжение. Пара IRFP240 и IRFP9240 часто встречается в акустических усилителях.

Стабилитроны D4 и D5 и D6 и D7 защищают подзатворный изолятор этих транзисторов от пробоя, вызванного кратковременным превышением допустимого напряжения затвор-исток. Резисторы R23 и R24 повышают стабильность работы схемы, поскольку вместе с входными емкостями этих транзисторов создают фильтры нижних частот. На резисторах R25 и R26 появляется напряжение, индуцированное током покоя, что позволяет выровнять напряжения затвор-исток между этими транзисторами. Предохранители F1 и F2 обеспечивают простую защиту силовых транзисторов от перегрузки. Резистор R27 и конденсатор С24 создают так называемую цепь Зобеля, которая выравнивает сопротивление выходных транзисторов в зависимости от частоты — громкоговорители из-за своей индуктивной природы увеличивают свое сопротивление по мере увеличения частоты.

Последний компонент блока, которым располагает аудио-усилитель — это обратная связь, как по постоянной, так и по переменной составляющей. Обратную связь по постоянному току осуществляется резистором R16, имеющим сопротивление, аналогичное тому, которое поляризует базу Т1. Таким образом, дифференциальная составляющая, наводимая токами баз Т1 и Т2 на поляризующих их сопротивлениях, не возникает.

Для переменной составляющей включен резисторный делитель, состоящий из R15 и R16, который задает конечный коэффициент усиления схемы по переменной составляющей. На выводах конденсаторов С16 и С17 присутствует нулевая постоянная составляющая, поэтому здесь также используется неполярный электролитический конденсатор значительной емкости. Для снижения его сопротивления в высокочастотном диапазоне он был подключен параллельно пленочному конденсатору.

Нужно отметить, что токи, протекающие через элементы этой схемы, не зависят от точного значения питающего напряжения. Происходит это благодаря источникам тока и зеркалам, а также дифференциальному усилителю ошибки постоянной составляющей (дифференциальная пара Т1+Т2), который устанавливает на выходе нулевую составляющую, принимая за опорный потенциал «земли». Только ток резистора R10 может колебаться при изменении напряжения питания, но это имеет второстепенное значение.

Потенциометр Р3 фиксирует рабочую точку силовых транзисторов, а точнее их ток покоя. Однако пороговое напряжение полевых транзисторов меняется с температурой, а точнее, увеличивается, что требует увеличения напряжения затвор-исток для поддержания прежнего тока стока. Поэтому установившийся ток с холодными транзисторами по мере их прогрева станет значительно ниже. Схема с транзистором Т8 призвана частично компенсировать это, поскольку прямое напряжение p-n перехода увеличивается с ростом температуры.

После умножения с помощью делителя P3+R20 напряжение коллектор-эмиттер Т8 также будет увеличиваться с ростом температуры.

Полевые транзисторы имеют отрицательную тепловую обратную связь (ток стока уменьшается с увеличением температуры при постоянном напряжении затвор-исток), а биполярные транзисторы положительную тепловую обратную связь (ток коллектора увеличивается с ростом температуры при постоянном напряжении база-эмиттер), поэтому эти два противоположных эффекта должны компенсировать друг друга. Этот механизм работает не идеально — преобладает отрицательная обратная связь от MOSFET-транзисторов. Но, как показывают измерения, это взаимодействие будет достаточно сильным, чтобы удерживать рабочую точку в разумных пределах.

Аудио-усилитель — блок-схема

Блок-схема представлена на рисунке 3, которая будет полезна при обсуждении установки устройства в корпусе. Для защиты тороидального сетевого трансформатора TR нужно использовать предохранитель с задержкой срабатывания, в испытательной схеме использовался предохранитель Т2А. Розетка IEC может быть встроена в держатель предохранителя.

Рисунок 3. Блок-схема устройства

Две печатные платы — блок питания и усилитель — должны быть соединены между собой тремя проводами большой площади сечения. Их разделение облегчило прикручивание к радиаторам всех транзисторов, требующих охлаждения, об этом позже. Ток светодиода, сигнализирующего о включении усилителя, ограничен с помощью резистора R, и вся эта цепь питается от клемм V+ и V– блока питания, нагружая его симметрично.

Аудио-усилитель Hi-Fi — сборка

Плата блока питания имеет размеры 70х200 мм, а плата усилителя меньше – 70х140 мм. Обе платы имеют два проводящих слоя. Схема их расположения и схема компоновки элементов показаны на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Схема печатной платы модуля питания

Рисунок 5. Схема печатной платы модуля усилителя

На расстоянии 3 мм от краев плат имеются монтажные отверстия, каждое диаметром 3,2 мм, а отверстия у радиаторов сдвинуты от этих краев на 6 мм из-за наличия металлических элементов конструкции шасси. Плата блока питания имеет два дополнительных отверстия, расположенных между электролитическими конденсаторами, которые имеют относительно большой вес. Длинная печатная плата может провиснуть, и если добавить хотя бы одну точку опоры, то это можно предотвратить.

Обе платы содержат только элементы, собранные по технологии сквозных отверстий, поэтому для их пайки достаточно обычного паяльника, паяльного припоя, канифоли и немного терпения. На этом этапе нельзя устанавливать транзисторы, прикручиваемые к радиаторам, то есть:

• Т2, Т3, Т7 и Т8 на плате блока питания,
• Т8, Т9 и Т10 на плате усилителя.

Фото 1. Аудио-усилитель — внешний вид собранной платы блока питания

Подробный вид обеих этих плат после сборки (уже с транзисторами) показан на фото 1 и 2. Транзисторы будут припаиваться к платам после их монтажа в корпус, об этом позже. Таким образом, вы сможете идеально подобрать длину их выводов.

Фото 2. Внешний вид собранной платы усилителя

Транзисторы Т1 и Т2, Т4 и Т5, а также Т6 и Т7 должны работать в максимально схожих тепловых условиях. Они размещены на плате таким образом, чтобы их плоские части корпусов можно было склеить. Для этого, на обезжиренные поверхности наносится немного теплопроводного клея и сжимается плоскогубцами. На фото 2 на транзисторах видны белые следы этого клея, излишки которого вытекли из-под корпусов. Вы также можете приклеить эти транзисторы перед припайкой к плате.

Фото 3. Внешний вид внутреннего устройства усилителя

Внешний вид внутреннего устройства аудио-усилителя показан на фото 3. Подробное описание подготовки корпуса и процесса запуска усилителя будет описано в следующей части статьи.

Список компонентов:

Другие компоненты, использованные для сборки усилителя