Как собрать аудио-усилитель: Часть 2

Аудио-усилитель — Часть 2 Начало в первой части

Аудио-усилитель-02

Аудио-усилитель для требовательных пользователей — часть 2. Сегодня в аудиотехнике преобладают «цифровые» усилители, которые могут похвастаться поистине впечатляющими параметрами. Несмотря на это, большая группа любителей хорошего звука однозначно выбирает чисто аналоговые решения, спроектированные и изготовленные так, как это делалось уже несколько десятилетий. Во второй части статьи описана сборка и подготовка корпуса усилителя и показан процесс первого запуска готового устройства.

Корпус аудио-усилителя

Модельная схема аудио-усилителя была собрана в корпусе MINI DISSIPANTE 2U, который был приобретен в магазине. Передняя панель изготовлена из алюминиевой пластины толщиной 10 мм натурального (серебристого) цвета, чтобы защитить ее от загрязнений она была анодирована. Также была приобретена монтажная перфорированная плата 244х240 мм для установки в корпус, на которую крепятся печатные платы и сетевой трансформатор.

Аудио-усилитель-6
Рис. 6. Расположение компонентов в корпусе (вид сверху)

Расположение компонентов внутри корпуса вместе с размерами показано на рисунке 6. Такое расположение элементов на передней и задней панелях эргономично и позволяет сократить длину наиболее важных соединений. Сетевой трансформатор смещен подальше от чувствительных входных цепей усилителя, что уменьшает возможность проникновение сетевых помех.

Аудио-усилитель-7
Рисунок 7. Схема расположения отверстий на задней панели (вид изнутри корпуса)

В задней панели вырезаны отверстия для сигнальных разъемов, разъема питания IEC и двух клемм динамиков (рис. 7). Гнездо RCA, использованное на тыльной панели, прикручено двумя винтами M3, а разъем BNC имеет четыре резьбовых отверстия по углам, идеально подходящие для винтов M2,5.

Аудио-усилитель имеет толстую переднюю панель, которую пришлось не только сверлить, но и местами делать тоньше (фрезеровать), чтобы можно было прикрутить к ней держатель светодиода, потенциометр регулировки громкости и выключатель питания. Детали показаны на рисунке 8. Все три элемента расположены посередине передней панели. Черточки на передней панели облегчают точную настройку ручки громкости, причем их несколько на случай, если какая-то из них стирается во время использования. Продольное фрезерование на внутренней стороне корпуса служит для защиты потенциометра регулировки громкости от проворачивания.

Аудио-усилитель-8
Рис. 8. Эскиз расположения отверстий и фрезерованных участков на лицевой панели (вид спереди)

По бокам корпуса также расположены черненые радиаторы, прекрасно отводящие тепло от транзисторов. Всего в них сделано семь отверстий с резьбой М3, которые используются для крепления этих полупроводниковых элементов. Подробные размеры приведены на рис. 9. Радиаторы достаточно большие, поэтому пассивного охлаждения вполне достаточно.

Аудио-усилитель-9
Рис. 9. Расположение резьбовых отверстий на обоих радиаторах (вид изнутри корпуса)

Рассмотренные здесь чертежи включены в дополнительные материалы. Каждый из них представлен как в форматах DXF, так и в PDF, что позволяет легко просматривать, изменять, а затем уже изготавливать аудио-усилитель по скорректированным чертежам.

Аудио-усилитель для требовательных пользователей — начало сборки

Платы блока питания и аудио-усилителя крепятся к монтажной пластине корпуса с помощью изолирующих втулок длиной 8 мм, желательно из полиамида. Лучше всего сначала прикрутить их короткими винтами М3 к пластинам и только потом вставлять в отверстия, сделанные в монтажной пластине. Затем снизу распорных втулок накрутить на резьбу винтов гайки. Монтажную пластину нужно сверлить самостоятельно – обычная дрель и острое сверло по металлу позволят сделать это за несколько минут.

После такой подгонки можно вставить силовые транзисторы в предназначенные для них отверстия на печатных платах, прикрутить их к радиаторам (их ножки нужно будет слегка подогнуть, чтобы сохранить хороший контакт с поверхностью радиатора) и временно припаять.

Затем нужно будет снять крепежные винты с транзисторов, вынуть платы из корпуса, и выполнить уже полноценную пайку транзисторов: укоротить выводы и заполнить площадки для пайки припоем. Это обеспечит точное положение транзисторов при ввинчивании плат в корпус, без перекосов, которые впоследствии будет трудно устранить.

фото-4
Фото 4. Собранные платы в корпусе аудио-усилителя

На фото 4 показаны платы с впаянными транзисторами, закрепленные на радиаторе. Для гальванической развязки транзисторов от радиаторов следует использовать изолирующие шайбы под транзисторы и изолирующие втулки под головки винтов. Не забывайте и о нанесении тонкого слоя теплопроводной пасты для улучшения контакта с радиатором.

Сетевой трансформатор можно прикрутить к монтажной пластине, используя ее перфорационные отверстия – они имеют достаточный диаметр. Соединения, подающие сетевое напряжение, нужно, по возможности, скручивать вместе, чтобы уменьшить интенсивность излучаемого ими поля частотой 50 Гц. Также с осторожность следует относиться и к проводам вторичной обмотки, идущим к плате блока питания, но они достаточно жесткие и есть риск их сломать. Подробности на фото 5.

фото-5
Фото 5. Крепление сетевого трансформатора и комплектующих на задней панели

фото-5-1

На этой же фотографии также показаны соединения разъемов на задней панели. Под один из винтов крепления гнезда BNC к тыльной стене добавили ушко для удобства пайки и припаяли к нему отрезок провода, соединив его с массой разъема RCA и контактом PE разъема IEC. Корпус подключается к заземлению только на разъемах входного сигнала.

Читайте также:  Как собрать аудио-усилитель: Часть 1

фото-6
Фото 6. Крепление элементов на лицевой панели

От этого же ушка для пайки был выведен провод, соединяющий его с клеммой GND разъема J2 на плате аудио-усилителя. В свою очередь, у экранированного кабеля, соединяющего сигнальные гнезда с потенциометром, экран соединен с землей только у гнезд — ток по экрану не протекает. Такая разводка заземления исключает возникновение контуров заземления. Выходной сигнал с потенциометра и его «земля» подключаются к клеммам разъема J2. Поскольку участок между потенциометром и платой усилителя относительно короткий, экранированный кабель не использовался, а сигнальный кабель был оплетен вокруг заземляющего кабеля. Это можно увидеть на фото 6, а схема подключения соответствует рисунку 3. В схеме-прототипе используется ручка потенциометра со шкалой для точной установки желаемого уровня громкости.

Потенциометр регулировки громкости имеет выводы, предназначенные для установки в печатную плату. В прототипе схемы для облегчения монтажа была применена соответствующая переходная плата, хотя это и не обязательно. Одна часть потенциометра задействована, другая не подключена.

В светодиодной лампе последовательно припаян резистор. Его соединения изолированы отрезком термоусадочной трубки, из которой выходят два тонких провода. Они подключаются к клеммам V+ и V– разъема J1 на плате усилителя.

Сечения используемых проводников следующие:

  • между платами питания и усилителя и клеммам колонок: 2,5 мм2;
  • для питания от сети, заземления и сигнала потенциометра: 1,5 мм2;
  • светодиод: 0,22 мм2.

Экранированный кабель, соединяющий входные разъемы с потенциометром регулировки громкости, должен иметь как можно более толстый экран. Для него достаточно иметь одну центральную жилу. Провода были скреплены вместе и прикреплены к монтажной плате с помощью кабельных стяжек.

Аудио-усилитель — запуск

Первый запуск собственноручно построенной техники всегда вызывает большое волнение, ведь может случиться многое, что сложно предугадать заранее, поэтому нужно разделить эту операцию на этапы. Таким образом у нас будет гарантия, что при запуске следующего этапа предыдущий будет полностью работоспособен.

Для начала, я бы предложил отключить провода V+ и V- от модуля усилителя, светодиод может оставаться подключенным к источнику питания. Включите сетевое напряжение и проверьте вольтметром, составляет ли напряжение между V+ и GND и GND и V– в разъеме J2 блока питания примерно 25 В. При этом ни один элемент на плате питания в этот момент не должен сильно нагреваться, единственным исключением могут быть транзисторы Т1 и Т4 и Т6 и Т9, температура корпуса которых не превышает примерно не выше 80°С.

Если проверка прошла успешно, отключите сетевое питание и разрядите электролитические конденсаторы блока питания (например, резистором 1 кОм мощностью 5 Вт, включенным между V+ и V–). Затем подсоедините провода подающие питание к клеммам на плате аудио-усилителя. Клеммы динамиков нужно оставить без нагрузки, также рекомендую не подавать входной сигнал. Потенциометры Р1 и Р2 установить наполовину, а Р3 повернуть на минимальное сопротивление или хотя бы на несколько сотен Ом. Это можно проверить омметром, щупы которого нужно прижать к выводам базы и коллектора транзистора Т8, расположенного между MOSFET. Это позволит убедиться в том, что ток покоя силовых транзисторов при включении питания равен нулю.

На следующем шаге вольтметр подключаем параллельно выводам резистора R25 или R26. Рекомендую крепить эти провода зажимами типа «крокодил», поскольку операция установки тока покоя займет несколько минут. Включите питание и медленно увеличивайте сопротивление Р3 (поворачивая его ползунок в сторону, противоположную от предыдущего), пока на R25 или R26 не появится падение напряжения в несколько милливольт. С этого момента рекомендую медленно манипулировать Р3, стараясь добиться показания вольтметра 110 мВ, что будет соответствовать току покоя 0,5 А (0,22 Ом · 0,5 А = 110 мВ).

По мере прогрева радиатора от силовых транзисторов напряжение будет немного падать, тогда положение ползунка Р3 нужно отрегулировать еще раз. Общая температура радиатора, охлаждающего транзисторы выходного каскада аудио-усилителя, составляет примерно 40°C. Транзисторы Т4 и Т5, а также Т6 и Т7 будут заметно греться, но в пределах допустимого.

После стабилизации рабочей точки силовых транзисторов можно отключить вольтметр от резистора R25 (или R26) и проверить напряжения питания V+ и V–, на предмет его заметного снижения, что свидетельствовало бы о неисправности блока питания. В модельной схеме эти напряжения составляли 25,1 В и -24,5 В относительно «земли» соответственно. В свою очередь между затворами МОП-транзисторов (после нагрева) напряжение составляло 8,1 В.

При включенном источнике питания и уже прогретой схеме можно приступить к установке нулевой составляющей выходного напряжения. Подключите вольтметр к клеммам динамика и отрегулируйте P1 так, чтобы напряжение было как можно ближе к 0 мВ.

Если это удалось, схема полностью готова к работе. Вы можете отключить питание, закрыть корпус, подключить колонки и источник сигнала и наслаждаться чистым звуком любимой музыки.

Я еще не рассказал о роли потенциометра Р2. С его помощью можно регулировать симметричность характеристики, то есть выравнивать усиление для нижней и верхней половин сигнала. Самый простой способ проверить наличие помех в этом вопросе — использовать осциллограф, подключенный к выходным клеммам акустической системы, и генератор синусоидального сигнала, с частотой, например, 1 кГц и амплитудой 500 мВ, подключенный к входу.

Читайте также:  Схема цифрового штангенциркуля

Если минимальное и максимальное значения выходного сигнала не симметричны, слегка отрегулируйте P2. Однако на практике в этой настройке нет необходимости, поскольку результирующее сопротивление, «видимое» эмиттерами Т4 и Т5, настолько велико, что небольшие различия в напряжениях коллектор-эмиттер не имеют практического значения, и симметрия «устанавливается сама собой».

Аудио-усилитель — Измерение

Что бы представлял собой аудио-усилитель звука, если бы не измерить хотя бы его основные параметры? Поэтому сначала было проверено время нарастания и спада выходного сигнала, что было сделано с использованием прямоугольного сигнала частотой 1 кГц и размахом 50 мВ для поддержания малосигнальной работы входного каскада. Резистивная нагрузка 8 Ом, регулятор громкости установлен на максимум.

Осциллограммы показаны на рисунке 10 и рисунке 11. Время нарастания, автоматически измеренное осциллографом, составило 370 нс, а время спада — 385 нс, то есть они практически одинаковы. Важно отметить, что фронты импульсов не сопровождаются характерным «звоном», свидетельствующим о неисправности цепи обратной связи.

Аудио-усилитель-10
Рисунок 10. Осциллограмма, показывающая спадающий фронт выходного сигнала.

Аудио-усилитель-11
Рисунок 11. Осциллограмма, показывающая нарастающий фронт выходного сигнала.

Когда речь идет о качестве работы усилителя, особенно о поведении фазы сигнала, прохождение через него треугольного сигнала может сказать многое. На рисунке 12 представлена осциллограмма выходного сигнала с теми же параметрами, что и ранее – за исключением того, что форма изменена с прямоугольной на треугольную. Наклоны симметричны и прямые, а пики острые, что указывает на то, что многие последовательные гармоники сигнала находятся в фазе.

Как собрать аудио-усилитель: Часть 2
Рисунок 12. Осциллограмма выходного сигнала треугольника

Первоначальные положительные выводы о работе аудио-усилителя можно сделать, оценив его амплитудные характеристики, представленные на рисунке 13. Эталоном (0 дБ) является амплитуда синусоидального входного сигнала, при которой выходная мощность составляет 1 Вт на частоте 1 кГц. В схеме прототипа оно составляло 585 мВрр.

Как собрать аудио-усилитель: Часть 2
Амплитудные характеристики усилителя с отмеченными краями полосы пропускания ±1 дБ

Частотная характеристика, определяемая как точки, в которых амплитудная характеристика падает на 3 дБ ниже опорного значения, чаще всего используется для аудиоустройств. А вот оборудование высокого класса оценивается по более строгому критерию – падение на 1 дБ.

На рисунке добавлены вспомогательные линии, обозначающие границы полосы 1 дБ. Согласно им, этот аудио-усилитель передает сигнал с частотой примерно от 3 Гц до 55 кГц, что удовлетворит даже самый изысканный слух.

Затем оценивалась линейность усилителя, то есть постоянство коэффициента усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала. Этот тест проводился с использованием синусоидального сигнала частотой 1 кГц. Рисунок 14 показывает, что во всем диапазоне амплитуд полезного входного сигнала колебания коэффициента усиления находятся в пределах полосы пропускания 0,5 дБ. Красная линия отмечает момент, когда усилитель начинает искажать. Выше этой точки коэффициент усиления естественным образом уменьшается, поскольку амплитуда выходного сигнала больше не увеличивается, в отличие от входного сигнала.

Как собрать аудио-усилитель: Часть 2
Рисунок 14. Зависимость усиления от амплитуды входного сигнала

Начало эксплуатации

Рассмотренный в этой статье аудио-усилитель предназначен для работы с нагрузкой с номинальным сопротивлением 8 Ом. колонки с меньшим значением этого параметра, например 4 Ом, могут перегрузить усилитель мощности и блок питания, особенно при сильном раскачивании.

Максимальная неискаженная выходная мощность около 15 Вт. Аудио-усилитель мощности работает со значительным током покоя (0,5 А после прогрева, около 0,75 А при холодных транзисторах), поэтому на более тихих участках звука он остается в классе А. — в класс В он переходит только при высоких уровнях громкости. Схема включается и выключается бесшумно, без каких-либо звуков из динамика в эти моменты.

Температура радиаторов во время работы в домашних условиях и при свободном доступе воздуха составляет 40°С. Тем не менее, не рекомендую закрывать радиаторы или охлаждающие отверстия корпуса, так как схема может перегреться.

Электронная защита от перегрузки или короткого замыкания в выходном каскаде усилителя отсутствует. По этой причине я рекомендую соблюдать осторожность при подключении колонок. Однако схема не повредится, если нагрузка будет отключена во время работы даже при большой амплитуде входного сигнала.

Схема усилителя допускает модификацию, в частности увеличение допустимой выходной мощности. Для этого в первую очередь необходимо повысить напряжение, питающее усилитель мощности, что предполагает замену сетевого трансформатора и резисторов R7 и R13 в блоке питания. Электролитические конденсаторы имеют большой запас допустимого напряжения.

Фирменные усилители мощности