Создание усилителей звуковой частоты является одной из самых популярных и востребованных областей радиотехнического хобби. Однако стоит учитывать, что в широком потребительском рынке и на различных торговых платформах зачастую отсутствуют некоторые важные радиодетали, такие как кремниевые транзисторы и интегральные микросхемы (ИМС), необходимые для конструирования подобных устройств. К тому же, их стоимость остается достаточно высокой.
Использование в схемах усилителей ЗЧ только ИМС упрощает процесс сборки, настройку и ремонт, но одновременно существенно снижает уровень практического понимания физических процессов, происходящих при регулировке и настройке усилителей для звуковых частот.
Оптимальным решением в сложившейся ситуации является построение усилителей ЗЧ на основе модульного принципа, используя дискретные компоненты, а в дальнейшем — постепенная замена отдельных модулей на сборки с интегральными схемами.
На сегодняшний день, по мнению автора, применение германиевых транзисторов в усилителях ЗЧ утратило актуальность. Тем не менее, эти компоненты продолжают широко присутствовать у радиолюбителей, как в городах, так и в селах, а их цена в последнее время значительно снизилась. Их запасы у многих радиолюбителей по-прежнему достаточны.
Даже при использовании только германиевых транзисторов можно построить усилитель с достойными характеристиками. Именно такой вариант предлагается в качестве практического решения. За более чем пять лет эксплуатации он претерпел две модернизации, в то время как основная схема усилителя мощности осталась без изменений.
Принципиальная схема усилителя звуковой частоты, представленная на рис. 1, рассчитана на работу с разнообразными источниками сигнала — от пьезокерамических звукоснимателей и магнитофонных выходов до тюнеров и линий радиовещания. Конструкция выполнена по модульному принципу, что делает её простым для изготовления и настройки, а использование широко доступных деталей не вызывает никаких сложностей.
Характеристики усилителя
Несмотря на это, параметры усилителя находятся на достаточно высоком уровне:
- выходная мощность при нагрузке 4 Ом — до 20 Вт, при 8 Ом — около 10 Вт;
- максимальная мощность достигает 25 Вт и 12 Вт соответственно;
- рабочий диапазон частот — от 40 до 18 000 Гц при неравномерности ±2,0 дБ и от 20 до 20 000 Гц с неравномерностью не более ±3,0 дБ;
- чувствительность входа — порядка 200–250 мВ;
- коэффициент гармоник — не более 0,5 %;
- регулировки тембра по низким и высоким частотам — до ±12 дБ.
Принципиальная схема
Для упрощения конструкции усилителя предусмотрены отдельные регуляторы громкости для каждого канала, которые одновременно выполняют функцию балансировки стерео. Усилительный сигнал с переменного резистора R1 проходит через разделительный конденсатор С1 и поступает на базу транзистора VT1 — предварительного усилителя. Конденсатор С1 исключает нежелательные шумы и трески при изменении громкости, а цепи R3C2 осуществляют сглаживающую фильтрацию питания предварительного каскада.
Каскад на транзисторе VT1 управляется отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R2 и по току — через R5. Это существенно снижает нелинейные искажения, возникающие при усилении.
Рис. 1. Электрическая схема усилителя мощности звука на базе германиевых транзисторов (ГТ402, ГТ404, П217).
Примечание: резистор R5* на схеме — 20 Ом!
Через нагрузочный резистор R4 и конденсатор C3 усиливаемый сигнал поступает на регуляторы тембра по низким (R7) и высоким (R10) частотам.
Регуляторы настроены по классической последовательной схеме и обеспечивают возможность изменения амплитудно-частотной характеристики в диапазоне ±12 дБ, что считается достаточным для бытового использования.
Далее сигнал с регуляторов через конденсатор C8 попадает на входы первого каскада усилителя на транзисторах VT2 и VT3, работающих по дифференциальной схеме. Напитание эмиттерных цепей этих транзисторов стабилизировано стабилитроном VD1, что дает возможность максимально использовать их усилительные свойства.
Настройка каскадов осуществляется подстроечным резистором R13, который компенсирует различия в параметрах транзисторов VT2 и VT3 и позволяет установить нулевой потенциал на выходе.
С выхода дифференциального каскада (через резистор R12) сигнал подается на базу транзистора VT4, выполняющего роль каскада усиления по напряжению. Использование местной отрицательной обратной связи по току (через сопротивление диода VD2) способствует снижению нелинейных искажений и уменьшению выходного сопротивления, что в итоге повышает качество звука.
Диод VD2 также служит для температурной стабилизации режима работы транзисторов VT2, VT3 и VT4. Второй важной особенностью усилителя является источник тока, собранный на транзисторе VT6, нагрузкой которого является транзистор VT4, что обеспечивает максимальную амплитуду выходного сигнала, близкую к уровню питания.
Для уменьшения нелинейных искажений и насыщения выходных транзисторов VT9 и VT10, а также для стабилизации их покоя, используется регулировочный резистор R19. Транзистор VT5 выступает в роли термостабилизирующего элемента и размещается на радиаторе вместе с выходной парой или вблизи нее.
Фазоинвертирующий каскад собран на паре транзисторов VT7 и VT8, а выходной — на паре VT9 и VT10, резисторах R24 и R25.
Весь усилитель характеризуется значительным запасом по устойчивости благодаря ограниченной глубине обратной связи — около 20 дБ, которая реализована по цепям R17C10 и R18C11. Эта компенсация обеспечивает достаточную надежность работы и минимальные динамические искажения.
Для защиты выходных транзисторов от превышения тока на частотах выше 20 кГц, конструкция предусматривает обратную связь через конденсаторы С9 и С10, а нагрузка ВА1 дополнительно зашунтирована цепочкой R27C12.
Для ограничения уровня выходного сигнала при подключении стереофонических наушников используется резистор R26.
Питание усилителя осуществляется от двухполярного нестабилизированного источника с напряжением ±12 В, схема которого изображена на рис. 2.
Рис. 2. Электрическая схема блока питания для усилителя на германиевых транзисторах.
Конденсаторы сглаживания C13 и С14 должны иметь одинаковую емкость в пределах 4000–10 000 мкФ. При отсутствии таких электролитических конденсаторов рекомендуется использовать несколько меньших по емкости — 500–1000 мкФ, соединенных параллельно, с номинальным напряжением не ниже 25 В.
Усилитель собран на четырех принципиально самостоятельных платах: первая — предварительный усилитель для левого и правого каналов; вторая — модуль регулировки тембра; третья — двухканальный усилитель мощности; четвертая — блок питания. Такая модульная схема облегчает процессы модернизации: замену отдельных модулей для повышения характеристик и расширения функционала, сохраняя монтаж и сборку в целом.
Например, вместо базового предварительного усилителя (плата 1) можно установить усилитель на полевых транзисторах или внедрить цепи для тонкой коррекции звука; вместо стандартных регуляторов тембра на плате 2 можно применить активные многополосные регуляторы; а в место привычных мощных транзисторов — использовать аналоги на кремниевой базе.
При проектировании усилителя важно учитывать чувствительность человеческого уха, которая варьируется по частоте и уровню звука. Для этого рекомендуется применять тонкомпенсированные регуляторы громкости, в которые встраиваются цепи с переменными резисторами с одним или двумя отводами (выделены на схеме рис. 3). Такие регуляторы позволяют более точно управлять уровнем громкости и обеспечивают плавное изменение звукового баланса по частоте.
Рис. 3. Схема тонкомпенсированного регулятора громкости
Поскольку приобретение таких переменных резисторов с дополнительными отводами бывает затруднено, возможно собрать аналог с помощью обычных переменных резисторов, не имеющих таких отводов. Такой активный регулятор громкости с тонкомподстройкой изображен на рис. 4 и может быть включен как в цепь перед усилителем, так и вместо блока 1.
Для повышения точности регулировки громкости рекомендуется использовать потенциальные делители, состоящие из логарифмических резисторов, что обеспечит более плавное изменение уровня сигнала. Кроме того, в схему можно добавить операционный усилитель с усилением, настроенным на минимальные уровень шумов, чтобы добиться более высокого качества звука. Важным аспектом является правильное заземление и экранирование цепи для снижения внешних помех и шумов, что особенно актуально при использовании чувствительных элементов.
Рис. 4. Схема активного регулятора громкости с тонкомпенсацией
Это устройство основано на каскаде на транзисторах VT1 и VT2, образующих эмиттерный повторитель, предназначенный для увеличения входного сопротивления всей системы, что повышает качество и удобство управления уровнем звука.
Основной активный элемент управления реализован при помощи транзисторов VT3 и VT4. Для регулировки громкости рекомендуется использовать переменный резистор R7, который обязательно должен иметь линейную зависимость сопротивления от поворота ручки, то есть принадлежать к группе «А».
Детали и монтаж
В схеме усилителя применяются различные виды резисторов:
- стандартные — МЛТ-0,125, МЛТ-0,25, МЛТ-0,5;
- подстроечные — R13, R19, выполненные на СПЗ-1А или СПО-0,5;
- переменные — СПЗ-4В или СПЗ-12В с характеристиками типа «В» (R1) и «А» (R7, R10);
- проволочные и самодельные R24 и R25, намотанные на корпусах резисторов МЛТ-1 сопротивлением не менее 100 Ом.
- Конденсаторы C10, C11 — КТ1 или КТ2;
- C4, C5, C7, C12 — МБМ;
- C6 — КД или КМ;
- Электролитические — К50-6, К50-16, К50-12, ЭТО-1 или К5З-1.
Для повышения надежности и снижения уровня помех рекомендуется использовать конденсаторы с низким ESR (экспланируемым сопротивлением) и хорошими параметрами фильтрации. При монтаже необходимо следить за кратчайшими и симметричными проводниками для питания транзисторов и других чувствительных элементов, а также тщательно заземлять корпус и шасси для уменьшения наводок и шумов.
В качестве замены указанных на схеме транзисторов и диодов допускается использовать:
- МП39Б, П416Б, ГТ321А — на VT1;
- МП26А, КТ203А, МП40А — для VT2 и VT3;
- МП40А — для VT5 и VT6;
- МП10, МП11, МП37А — для VT4;
- КТ502В — КТ502Е для VT7;
- КТ503В — КТ503Е для VT8;
- Д223Б, Д105 — для VD2, VD3, VD4.
Обратите внимание, что при замене транзисторов важно учитывать их параметры, такие как токи насыщения, усиление и температурные характеристики, чтобы избежать возможных перегрузок или искажений сигнала. Не забудьте провести тестирование после сборки и проверить работу каждого канала на минимальные уровни шума и стабильность формы сигнала.
Сетевой трансформатор Т1 из готового блока питания предназначен для использования в стереофоническом усилителе «Одиссей-001-стерео». Также допустимо применение унифицированного трансформатора ТПП304-127/220-50 или любого другого с мощностью не менее 80-100 Вт (учитывая стерео режим и наличие двух обмоток 2×18 В, рассчитанных на ток около 1,2–1,5 А).
Если возникает сложность в самостоятельном изготовлении трансформатора или подходящие устройства недоступны в продаже, допускается использование двух трансформаторов кадровой развертки телевизора типа ТВК-110-ЛМ-К или ТВК-110-Л1, соединенных по схеме, показанной на рис. 5, при этом снижая максимально возможную выходную мощность усилителя. В таком случае важно учитывать параметры трансформаторов, чтобы обеспечить стабильное питание и минимальные паразитные помехи.
Рис. 5. Конструкция блока питания для усилителя, с применением двух трансформаторов ТВК.
Физический внешний облик этого усилителя изображен на рис. 6. Корпус, размеры которого составляют 400?280?60 мм, изготовлен из листового дюралюминия толщиной 5 мм. Из того же материала вручную выполнены ручки для управления, которые закреплены на корпусе, созданные при помощи токарной обработки. Для повышения теплоотдачи рекомендуется использовать алюминиевый радиатор на мощных транзисторах, особенно в условиях длительной работы на максимальных уровнях мощности.
Рис. 6. Внешний вид стереоусилителя на германиевых транзисторах.
Все надписи на лицевой панели выполнены латиницей (по-английски) с использованием так называемого «Моментального шрифта», который широко распространен и доступен в продаже. Для этого можно воспользоваться источниками «300 практических советов» издательства «Московский рабочий» (1982 год, c. 392, совет 294). Важно помнить о аккуратности при маркировке и соблюдении симметрии для эстетичного и удобного обслуживания устройства.
Рис. 7. Схема стрелочного индикатора выходного сигнала усилителя.
При модернизации в конструкцию добавлены индикаторы уровня сигнала для каждого из каналов и устройство переключения источника входного сигнала. Индикаторы (рис. 7), выполненные на базе приборов М476/2, схожи по конструкции с индикаторами в магнитофоне «Юпитер-201-стерео». Для защиты светодиодов от перенапряжения рекомендуется установить ограничительные резисторы, например, на 1 кОм. Эти индикаторы позволяют быстро оценить работу усилителя и выявить возможные неисправности или превышение уровня сигнала.
Схема переключателя источника сигнала с индикацией на светодиодах представлена на рис. 8. Яркость свечения светодиодов VD1 — VD3 регулируется при помощи подстроечного резистора R1. Такой переключатель обеспечивает возможность автоматического выбора источника входного сигнала, а также позволяет использовать усилитель в составе радиокомплекса, избавляя от необходимости постоянно переводить ручки переключения, что значительно повышает комфорт эксплуатации изделия. В конструкцию рекомендуется включать защитные диоды в цепи управления переключателем для предотвращения обратных перенапряжений и сбоев в работе.
Рис. 8. Электрическая схема переключателя источника входного сигнала.
Налаживание
На начальном этапе настройки каждого канала усилителя рекомендуется подключить его к нагрузке, которая может быть реализована в виде проволочного резистора сопротивлением 4–8 Ом и мощностью рассеяния 15–25 Вт.
Далее необходимо установить нулевой уровень на выходах каждого канала (в левом — с помощью подстроечного резистора R13, в правом — резистором R13′).
Процедура настройки предварительного усилителя (модуль 1) сводится к подбору резистора R2 на коллекторе транзистора VT1 для получения того уровня напряжения, который прописан на схеме.
После этого подавая на вход усилителя тестовый сигнал звуковой частоты (например, через линейный выход магнитофона), выполняют проверку качества его воспроизведения на слух. В случае появления искажений (например, несимметричного ограничения синусоиды) необходимо подрегулировать резистор R5.
Для более точной настройки и минимизации погрешностей рекомендуется использовать осциллограф, генератор сигналов и милливольтметр переменного тока, руководствуясь методиками, опубликованными в радиолюбительской литературе, заслуживающей доверия.
Источник данной информации — выпуск журнала ВРЛ № 91, 1985 год.
Советы по выбору компонентов и их правильной эксплуатации
При подборе элементов источников питания рекомендуется использовать стабилизированные блоки с низким уровнем пульсаций, способные обеспечить стабильное напряжение без скачков, превышающих требования схемы. Для фильтрации рекомендуется применять электролитические конденсаторы с минимальной емкостью 4700 мкФ и номинальным допустимым тестовым напряжением не ниже рабочего.
Катодные резисторы должны иметь сопротивление, соответствующее расчетам по цепи базы-транзистора, а материал сопротивлений – металлоплёночный или углеродистый с точностью не ниже ±5%. Ключевыми характеристиками являются минимальный паразитный индуктивность и стабильность показателей при повышенных температурах.
Бигуди с сопротивлением 0,33 Ом или 0,47 Ом используют для формирования стабилизации тока в цепи питания, что обеспечивает снижение уровня искажений и повышение динамической точности. В качестве фильтровых элементов применяют ферритовые или керамические индуктивности, допустимый предел – не более 10 мкГн.
Ключевым компонентом являются входные и выходные конденсаторы: их номиналы выбираются исходя из частотных характеристик схемы. Конденсаторы типа керамического или танталового типа, с низким уровнем эквидистантных искажений, обеспечивают стабильную работу на высоких частотах.
При сборке следует следить за монтажной схемой, избегая длинных проводников и возможных паразитных сопротивлений. Все соединения должны выполняться с использованием качественной пайки и правильной полярности электролитических элементов, чтобы исключить выход из строя из-за неправильного подключения.
Тепловой режим работы ключевых компонентов требует постоянного мониторинга. Оснащение радиаторами достаточной площади и использованием тепловых паст позволяет снизить риск перегрева. Важно избегать перегрузки элементов, особенно мощных транзисторов, что способствует увеличению срока службы всей системы.
Для предотвращения влияния внешних помех рекомендуется использовать заземление по принципу ‘звездообразной’ схемы и экранирование входных кабелей. Дополнительная фильтрация и правильный выбор компонентов позволяют значительно повысить надежность и качество звучания без искажений и паразитных шумов.
