Одним из наиболее действенных методов повышения качества звукиоспроизведения считается внедрение электронных разделительных фильтров непосредственно на входных цепях полосовых усилителей мощности.
Известно, что применение пассивных LC-фильтров на выходе усилителя зачастую ведет к усилению интермодуляционных искажений при работе с сложной нагрузкой, а также вызывает увеличение различных типов нежелательных искажений в громкоговорителях.
Организация трехполосной системы не только обеспечивает более точное разделение звуковых сигналов, но и значительно облегчает настройку громкоговорителей по уровню звукового давления, а также способствует более точному согласованию компонентов внутри усилителя. Ведь качество воспроизведения в первую очередь зависит от эффективности взаимодействия с самим динамическим компонентом – громкоговорителем.
Установка пассивных фильтров между выходом усилителя и акустическими головками многополосной системы негативно сказывается на электрическом демпфировании.
Кроме того, проектирование таких фильтров связано со значительной сложностью, поскольку предъявляемые к ним требования зачастую трудно реализовать в любительских условиях. И не все фильтры с высокой крутизной крутых скатов амплитудной характеристики обеспечивают равномерность и стабильность отклика всей системы.
Обычные разделительные фильтры, даже при относительно ровной амплитудно-частотной характеристике, зачастую вызывают фазовые искажения, что особенно заметно при прохождении сигнала через частоту раздела фильтра. Эти искажения в области раздела низких и средних частот могут оставаться допустимыми, поскольку они не существенно снижают качество звучания. В то время как в зоне раздела их желательно устранять, ведь именно в этом диапазоне восприятие у слушателя наиболее чуткое и чувствительное.
Для бесперебойной передачи импульсных сигналов необходимо обеспечить равномерное временное запаздывание всех компонентов сигнала при прохождении через разделительный фильтр, а также сохранить благоприятную форму выходного сигнала.
Недостатками пассивных фильтров являются снижение мощности на выходе УМЗЧ, усложнение согласования каждой из головок с усилителем для достижения одинакового уровня звукового давления, а также необходимость использования крупногабаритных катушек индуктивности и конденсаторов больших емкостей – перечень недостатков многополосных систем с пассивными фильтрами слишком велик. К тому же такой подход снижает КПД всей системы и ухудшает демпфирование.
Вариант с широкополосным одноканальным усилителем, безусловно, требует значительно большего запаса по мощности, чтобы обеспечить беспрепятственное воспроизведение всей звуковой палитры. Для этого уровень мощности должен быть в два раза выше, чем у трехполосной системы, что уводит в сторону усложнение конструкции и повышения затрат.
Стремление к минимизации интермодуляционных искажений до пределов, близких к доле процента и даже меньше, значительно усложняет схемотехнику усилителя и выходит за рамки стандартных возможностей среднестатистического радиолюбителя. Это ведет к росту затрат времени и финансовых ресурсов на создание устройства.
При высокой мощности выхода транзисторов возникают дополнительные трудности с теплоотводом, а также увеличивается масса трансформаторов питания и фильтров выпрямителя. Все эти факторы дополнительно усложняют конструкцию и делают ее массивнее.
Разделение звуковых диапазонов на три части существенно снижает уровень искажений в усилителе и акустической системе — все причины ухудшений качества, перечисленные ранее, либо полностью устраняются, либо их влияние заметно уменьшается.
Такой подход делает всю систему более гибкой в эксплуатации, ремонтопригодной и перспективной с точки зрения дальнейших улучшений. Например, быстрое и простое изменение громкоговорителя с возможностью мгновенного корректирования его уровня по звуковому давлению по отношению к другим – один из преимуществ разделения на полосы.
Для достижения высокой эффективности проще всего выполнить регулировку уровня сигнала на выходе полосового усилителя. В низкочастотной области, к примеру, можно применить электромеханическую обратную связь (ЭМОС) с целью устранения «бубнения» в НЧ-динамике.
Это также позволяет добиться более ровной амплитудно-частотной характеристики и сгладить отклик нч-головки по всему диапазону её поршневой работы, включая частоты около резонанса.
Электронные разделительные фильтры, установленные перед входами полосовых УМЗЧ (для НЧ и СЧ каналов), служат для ограничения ВЧ-компонент в сигнале, что позволяет снизить межмодовые интермодуляционные искажения всей системы.
Высокочастотный тракт, не содержащий низкочастотных и среднечастотных компонентов, обладает запасом по линейности и мощности, что приводит к минимизации динамических искажений.
Схема электронных разделительных фильтров (кроссоверов)
Испытано несколько вариантов электронных кроссоверов, их схемы представлены, например, на рис.1. Первоначально была использована схема, опубликованная ранее.
Показано, что многие недостатки пассивных фильтров актуальны и для электронных аналогов. В многоступенчатых фильтрах каждый каскад дополнительно нагружает предыдущие, что ведет к усложнению их характеристик.
Чтобы устранить влияние каскадов друг на друга, необходимо обеспечить, чтобы выходное сопротивление каждого каскада было значительно ниже входного сопротивления следующего. Для этого используют буферные устройства на полевых транзисторах типа КП303Д (VT1-VT12). Переключатель, обозначенный как SA1, служит для ступенчатого регулирования амплитуды входного сигнала.
Если рассматривать однозвенный фильтр, его срез — примерно 160/RC, где R — в килоомах, С — в микрофарадах, а fс — в герцах; для трехзвенного фильтра это значение уменьшается до примерно 31/RC. Аналогичным образом рассчитываются параметры для фильтров низких и высоких частот.
Схема однозвенного низкочастотного фильтра, например, рассчитывается по формуле fс = 160/RC. Для фильтров третьего порядка используется приближенная формула fс = 825/RC.
На рис.1 показана принципиальная электронная схема кроссовера для НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов.
Проверялись также схемы фильтров типа Баттерворта, Чебышева, Бесселя, Саллена и Келя. Особенность фильтра Баттерворта — очень плоская характеристика в полосе пропускания, за счет чего снижается приоритет крутизны спада, однако ухудшается фазовая характеристика.
Фильтры Чебышева дают более мощный спад АЧХ за пределами пропускания, но могут вызывать нежелательные колебания амплитудного отклика внутри полосы. Их зачастую не советуют применять в звуке высокой точности.
Фильтры Бесселя отличаются наименьшим временным запаздыванием — их характерная особенность. Их спад АЧХ немного превышает характеристики пассивных RC-фильтров того же порядка.
Можно использовать и фильтры второго порядка, но при крутизне свыше 24 дБ/октаву и выше они зачастую вводят искажения, воспринимаемые как усиление нежелательных эффектов в среднем диапазоне при одновременном прослушивании трех полос.
Экспериментально оказалось, что даже проще и примитивнее схемы — такие как RC-звенья первого порядка с низким срезом (6 дБ/октава)— давали лучше слышимый результат по сравнению со сложными трехзвенными фильтрами.
При сравнении важно привести частоты среза фильтров к одному уровню и учитывать, что фирменные потери и заглушки должны быть компенсированы для корректных субъективных оценок.
На рис.2 изображена схема усилителя напряжения, предусмотренного для установки после каждого фильтра, чтобы усилить сигнал и компенсировать потери. Регулировка уровня сигнала осуществляется путем переменного резистора R3, при этом на затворе транзистора VT1 достигается необходимое постоянное напряжение для балансировки потенциала на стоке.
Эту функцию легче реализовать через усилитель на операционном усилителе.
Схема УМЗЧ
При выборе усилителя следует отдавать предпочтение моделям с лучшей схемотехникой и более высоким качеством исполнения. Усилители, которые использовались с данным кроссовером и показаны в существующих схемах, были доработаны для минимизации искажений, вызванных ОУ.
Главные преимущества таких усилителей — простота в конструкции, симметричность по выходу, минимальный путь передачи сигнала, а также хорошие технические параметры за счет использования дополнительных транзисторов на ОУ. В результате расширяется диапазон воспроизводимых частот (с 20 до 50 кГц), а коэффициент гармоник снижается более чем в два раза — до 0,005 % (на деле он, скорее, около 0,02-0,03 %).
Основной недостаток — ограниченная выходная мощность, обусловленная максимальным напряжением, которое способен дать операционный усилитель из-за невысокого питания, обычно около 15 В.
Для увеличения мощности используют более производительный усилитель, основанный на тех же принципах, с учетом особенностей последующей реализации. При этом системы компенсации и защиты, связанные с соединением с громкоговорителями, были упрощены или исключены, поскольку они уже не требуются при локальной близости к динамикам.
Использование схемы высокого класса, описанной в других источниках, позволило существенно упростить общую конструкцию без ущерба для качества звука и облегчить настройку системы.
На рис.3 представлена принципиальная схема усилителя мощности для НЧ диапазона на базе операционного усилителя типа К574УД1А и полевых транзисторов КП904А.
На изображении изображена основная схема блока питания, предназначенного для формирования двухполярного напряжения 12 В, необходимого для питания кроссовера.
Дополнительно важно учитывать охлаждение транзисторов и операционных усилителей, поскольку при повышенной мощности они могут нагреваться и требовать радиаторов для поддержания надежной работы. Также рекомендуется использовать качественные фильтры и сглаживающие конденсаторы для минимизации помех и шумов в питающих цепях.
Правильное проектирование печатной платы и соблюдение разводки сигнальных проводников на коротких расстояниях способствует снижению паразитных индуктивностей и емкостей, что значительно улучшает стабильность и качество звука усилителя.
Детали
Полевые транзисторы модели КП303Д допускается заменять на любые аналоги из этой серии с иными буквенными обозначениями или использовать транзисторы КП307. Хорошие показатели демонстрируют также МОП-транзисторы типа КП305 и КП902, особенно когда речь идет о транзисторах с изолированным затвором, поскольку они особенно чувствительны к статическому заряду. В качестве замены транзистора VT1 КП901А подойдут аналогичные модели — КП904А, причем экземпляры с начальным током стока в диапазоне 1-5 мА также допустимы.
Если же ток стока составляет 20 мА и выше, наличие цепи подачи положительного смещения (резисторы R1 и R3, показанные на рис. 2) может и не потребоваться. В этом случае левый вывод резистора R2 рекомендуется соединять с общим проводом. Важно не уменьшать значительно сопротивление резистора R4, так как это может привести к росту нелинейных искажений, создаваемых схемой.
Усилитель, изображенный на рис. 2, хорошо совместим с небольшим входным сопротивлением усилителя низкой частоты (рис. 3), которое составляет примерно 5 кОм. Все полевые транзисторы VT1-VT12, используемые в схеме кроссовера (рис. 1), можно заменить на любые аналоги с аналогичными характеристиками, включая транзисторы p-типа, такие как КП103, К504НТ3 и др. Использование сборок из нескольких транзисторов позволяет сократить количество необходимых компонентов.
На рис. 4 представлена принципиальная схема питания кроссовера. Это хорошо известное техническое решение, объединяющее преимущества компенсационного и параметрического типов стабилизаторов напряжения.
Ключевые показатели — коэффициент стабилизации превышает 1000, а выходное сопротивление составляет всего несколько сотых ома. Несмотря на элементарную схему, блок питания обладает достойными характеристиками. В качестве конденсаторов применяют типы КСО, К73-17, а также электролитические конденсаторы типа К50-35 и подобные.
Резисторы МЛТ и транзисторы КТ825 и КТ827 (в частности, VT2 и VT4 на рис. 4) используют для упрощения конструкции стабилизатора и повышения общей надежности кроссовера.
При использовании полевых транзисторов типа КП305 или КП103 необходимо снизить питающее напряжение примерно вдвое. Для модели КП103 потребуется изменить полярность питания и подключение электролитических конденсаторов С8 и С23 (рис. 1).
Настройка усилителя ВЧ (рис. 3) сводится к установке нужного тока покоя выходных транзисторов (VT6 и VT7), который должен находиться в диапазоне 150–200 мА. Не требует особых регулировок и сборка фильтров (рис. 1), выполненная из исправных деталей, — настройка получается точной и надежной.
Автор проекта: А. Г. Зызюк, г. Луцк, Украина.
- Чантурия А. Трехполосный усилитель // Радио.- 1981.- №5, 6.-С.39.
- Якименко Н. Полевые транзисторы в мостовом УМЗЧ // Радио.-1986.- №9.- С.38.
- Корзинин М. Схемотехника усилителей мощности звуковой частоты высокой верности // Радио.- 1995.- №12.- С.17.
- Сухов Н. УМЗЧ высокой верности // Радио.- 1989.- №6.-С.55.
Особенности конструкции и сборки Трехполосного УМЗЧ
При проектировании данной схемы усилителя особое внимание уделяется правильной укладке силовых и сигнальных цепей для минимизации паразитных индуктивностей и емкостных связей. Использование коротких и плотных проводников внутри монтажного щита снижает уровень паразитных параметров и способствует устойчивой работе на высокой частоте.
Для формирования полосовой разделенности применяются специально подобранные фильтрующие компоненты – конденсаторы и катушки, выполненные из низкоиндуктивных материалов. Параллельное подключение элементов с одинаковыми параметрами обеспечивает подавление переходных процессов между полосами и предотвращает перекрестные наводки.
Размещение элементов в схеме выполняется по строгому принципу: компоненты усиления и формирования частотных диапазонов располагаются на раздельных платах или в отдельных секциях монтажной платы, что исключает их влияние друг на друга. Такие меры позволяют добиться стабильной работы и минимальных искажений.
Особое внимание уделяется питанию устройства. Использование стабилизированных источников с низким уровнем пульсаций и хорошей фильтрацией предотвращает нежелательные всплески и шумы в сигнальной цепи. В качестве заземляющей шины выбирается отдельная плоская проводка, аккуратно планируемая по всему модулю.
Контакты и соединения выполняются с минимальной длиной, что снижает сопротивление и паразитные паразитные параметры. Для соединения используются изолированные проводники с надежными наконечниками, предотвращающими окисление и расслаивание контактов.
Пайка осуществляется с контролируемым нагревом для исключения повреждений печатных дорожек и элементов. Важным аспектом является уникальное расположение компонентов, обеспечивающее равномерное распределение тепла и облегчение технического обслуживания.
Настройка и тестирование усилителя
Для первичного тестирования рекомендуется подавать питание с минимальным напряжением и ограничением по току, избегая риска повреждения элементов. Используйте мультиметр для контроля уровней напряжения на различных узлах модуля.
Настройку входных каскадов проводят с помощью установки переменного сопротивления на входных сигнальных путях. Постепенно увеличивайте уровень входного сигнала, контролируя при этом токи и напряжения в каскадах для выявления перегрузок или несоответствий.
Для балансировки уровней выходных каналов подключите мостовые нагрузочные резисторы, равные номиналу рабочего сопротивления системы. Регулируйте потенциометрами параметры балансировки так, чтобы разность уровней по каналам минимизировалась.
После достижения стабильных параметров на низких уровнях входного сигнала приступайте к увеличению сигнала до рабочего уровня. В ходе этого контроля обращайте внимание на появление искажающих сигналов, резонансов и перенагрузки транзисторных каскадов.
Для оценки качества передачи сигнала используйте осциллограф. Анализируйте форму синусоиды, наличие искажений и паразитных пульсаций. При обнаружении гармоник или клиппинга выполняйте дополнительную корректировку уровня питания и сопротивлений межкаскадных цепей.
Параллельно необходимо проверить тепловой режим элементов, особенно стабилизаторов и транзисторов. При росте температуры до критических значений осуществляется регулировка систем охлаждения или изменение рабочих параметров.
Последним этапом тестирования выступает длительный режим работы на номинальных нагрузках для оценки стабильности характеристик. Обратите внимание на параметры крутящего момента, теплового режима и возможных шумов в работе.
После успешных проверок рекомендуется зафиксировать параметры регулировки, провести их документирование и подготовить к финальному монтажу в корпусе с необходимыми системами охлаждения и защиты.
Примеры реализации в различных акустических системах
В небольших активных колонках, предназначенных для домашнего использования, схема с использованием данного усилителя показывает стабильную работу при сопротивлении акустической нагрузки 8 Ом. Для более мощных устройств рекомендуется введение схемы с дополнительной термозащитой и использованием более мощных транзисторов. В таких системах достигается чистота звука до 100 Вт на канал при классическом сетевом напряжении 220 В.
В профессиональных акустических системах, применяющихся на сценах и в концертных залах, схема характеризуется высокой линейностью и низкими искажениям, что достигается точной настройкой схемных элементов и применением схем обратной связи. Использование транзисторов с повышенной теплопроводностью и радиаторных систем позволяет удерживать температуру компонентов на допустимом уровне при длительных нагрузках.
Для автономных акустических систем портативного типа, где важна минимизация размеров и энергопотребления, схема реализована в компактной форме и использует более низкое питание 12 В. Стабилизация питания и фильтрация позволяют снизить уровень шума и увеличить равномерность распределения звуковой мощности по диапазонам. В таких устройствах особое внимание уделяется оптимизации совместных режимов транзисторов и подбору элементов для минимизации искажений в области средних частот.
В системах мультимедийного назначения, сочетающих активные колонки и сабвуферы, скажем, оснащенных цифровой обработкой сигнала, схема включает в себя дополнительные каскады защиты и возможную интеграцию с цифровыми источниками. В такой конструкции важна параллельная реализация фильтров и цепей компенсации, обеспечивающих плавный переход между диапазонами и расширение диапазона воспроизведения.
Для строительства студийных мониторов, предъявляющих особые требования к точности передачи звука, реализуются схемы с повышенной стабильностью и низким уровнем шумов. В таких системах применяются усилительные каскады с низкоомными резисторами и тщательно подобранный теплоотвод, что позволяет достигать высокой детализации в диапазоне высоких частот и прозрачности в области низких.
