Усилитель для наушников Николаса Винена

К сожалению не все меломаны и аудиофилы могут позволить себе высококачественные килобаксовые усилители и колонки, зазывными описаниями которых полны глянцевые журналы. Да и в современных многоквартирных домах такие аппараты не всегда уместны. Соседи могут не разделять ваших музыкальных пристрастий.

Хорошей альтернативой в таком случае могут служить качественные наушники и хороший усилитель к ним. И если качественные наушники сегодня можно купить за вполне разумные деньги, то усилители для них, в тех же глянцевых журналах, отличаются весьма нескромной ценой.

Но прежде чем тратить безумные деньги на усилители для наушников дочитайте эту статью до конца. Здесь мы предлагаем вам описание конструкции усилителя, который при относительно скромных затратах, имеет характеристики не хуже, а некоторые даже лучше, чем у дорогих промышленных аппаратов. Уровень его искажений заметно ниже, чем у дорогих CD- и Blu-Ray-проигрывателей. То есть с таким усилителем вы услышите именно то, что записано на CD-диске, ни больше, ни меньше.

Более того, этот усилитель способен раскачать колонки сопротивлением 8 Ом и выдать около 4,5 Вт музыкальной мощности. Это более чем достаточно для чувствительных систем в спальне, небольшой комнате или офисе.

Особенности усилителя:

  1. Работа на различную нагрузку от 8 Ом до 600 Ом;
  2. Ультранизкий уровень шумов и искажений;
  3. Защита от короткого замыкания;
  4. Возможность работы с акустикой сопротивлением 8 Ом.

Характеристики усилителя:

Выходная мощность: 100 мВт (8-100 Ом), 25 мВт (600 Ом)
Уровень гармоник на частоте 1 кГц: 0,0006%
Уровень шумов в диапазоне 20-22000 Гц (не взвешенный): 113 дБ
Неравномерность частотной характеристики в полосе 20-20000 Гц: 0,15 дБ
Разделение каналов на частоте 1 кГц: 73 дБ
Максимальная мощность: 4,25 Вт (8 Ом), 3 Вт (16 Ом), 1,5 Вт (32 Ом), 800 мВт (60 Ом), 80 мВт (600 Ом)

Работа в классе «А» до: 18 мВт (8 Ом), 36 мВт (16 Ом), 72 мВт (32 Ом), 80 мВт (600 Ом)

Структурная схема усилителя:

hybridS_002 ldsound.ru (12)

Оба канала состоят из следующих блоков: входного фильтра, который защищает вход усилителя от ВЧ-помех, предварительного усилителя с регулятором громкости, выполненного по схеме Баксандалла, усилителя мощности и выходного фильтра, который изолирует цепь общей обратной связи от негативного влияния реактивных составляющих нагрузки.

Предварительный усилитель построен на трёх спаренных операционных усилителях типа LM833, сконфигурирован по инвертирующей схеме. Регулятор громкости, включенный по схеме Баксандалла, обеспечивает изменение усиления от 0 до -15 раз. Причина такого относительно широкого диапазона регулировки в том, что усилитель должен работать с нагрузкой широкого диапазона сопротивлений, а также от источников сигнала, амплитуда которых тоже весьма различна.

Кроме того такое включение обеспечивает минимальные искажения при малых уровнях сигнала. Дополнительным плюсом являет то, что характеристика регулирования получается очень близкой к логарифмической при использовании переменного резистора с линейной зависимостью.

За прототип усилителя мощности была взята схема  20-ваттного усилителя с несколькими упрощениями и дополнениями. Из схемы исключён промежуточный драйвер, так как ток выходных транзисторов здесь невелик, глубина общей обратной связи сделана 100%, таким образом коэффициент передачи усилителя мощности составляет -1. Использование инвертирующего включения позволяет устранить эффект Эрли для входных транзисторов и довести уровень искажений усилителя мощности до уровня искажений ОУ в предварительном усилителе.

В выходном каскаде использована схема защиты от короткого замыкания, так как при подключении или отключении «джека» наушников от выходного разъёма могут происходить кратковременные короткие замыкания.

Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке:

hybridS_002 ldsound.ru (1)

Подробнее о схеме

Так как оба канала идентичны, будут описаны работа и особенности схемы только одного из них.

Все высокочастотные помехи, поступающие на вход усилителя, отфильтровываются входным фильтром, состоящим из индуктивности L1 (ферритовые бусинки, надеты непосредственно на выводы 100-Омных резисторов), резистора 100 Ом и конденсатора 100 пкФ. Далее через разделительный конденсатор 470нФ отфильтрованный сигнал поступает на вход ОУ, который включен как повторитель напряжения (буферный каскад) для развязки источника сигнала от относительно низкого, да ещё и изменяющегося входного сопротивления регулятора громкости Баксандалла.

Этот регулятор выполнен на операционных усилителях IC2 и IC3. Разделительные конденсаторы выбраны довольно большой ёмкости по 220 мкФ для устранения искажений на низких частотах. Разделительный конденсатор (22 мкФ) обеспечивает отсутствие протекания постоянного тока (вызванного входными токами ОУ) через движок переменного резистора, устраняя тем самым шорохи и трески при регулировании громкости.

Коэффициент передачи этого каскада равен -14,7 (задаётся резисторами в 10 кОм и 680 Ом). Конденсатор на 100 пкФ в цепи обратной связи повышает стабильность каскада и снижает высокочастотный шум.

Как отмечалось выше, переменный резистор для регулировки громкости используется с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Но, благодаря его включению в цепь обратной связи получается удобная логарифмическая характеристика регулирования.

Так как усилитель для наушников может подключаться как к линейному выходу аудиоустройств, так и к выходам, рассчитанным на подключение наушников, т.е. с довольно большой амплитудой сигнала, для защиты входа ОУ (особенно в выключенном состоянии) в схему добавлены маломощные диоды Шоттки (D15, D16), которые ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 0,3 В. Указанный тип BAT42 был тщательно отобран автором из всех возможных по минимальным вносимым искажениям. Без ухудшения параметров эти диоды можно заменить на BAT85.

Усилитель мощности построен по классической схеме. На входе дифференциальный каскад, выполненный на транзисторах Q1 и Q2. Входной сигнал подаётся на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход соединён через резистор 910 Ом с общим проводом (землёй). Источник стабильного тока для входного каскада построен на транзисторе Q5 и задаёт ток 3 мА. Нагружен дифференциальный каскад на токовое зеркало (транзисторы Q3 и Q4). Эмиттерные резисторы в 68 Ом повышают его точность.

Транзисторы Q8 и Q9 включены как составной транзистор Дарлингтона с общим эмиттером. Его коллекторной нагрузкой является источник стабильного тока, выполненный на транзисторе Q7 и обеспечивающий ток в 15 мА.

Конденсаторы  на 680 пкФ и 220 пкФ обеспечивают двухполюсную частотную коррекцию для обеспечения устойчивости усилителя.

Источник напряжения смещения выходного каскада выполнен на транзисторе Q10, который крепится с обратной стороны радиатора одного из выходных транзисторов и тем самым обеспечивает температурную компенсацию тока покоя. Конденсатор на 47 мкФ снижает уровень гармоник при больших уровнях сигнала.

В базы выходных транзисторов включены антивозбудные резисторы на 22 Ом для повышения устойчивости каскада. Для линеаризации каскада и стабилизации тока покоя в эмиттерные цепи включены резисторы по 0,6 Ом (два параллельно включённых резистора по 1,2 Ом)

Так как довольно обычной является ситуация, когда наушники подключаются или отключаются от усилителя во включенном состоянии, да и конструкция разъёмов «джек» не исключает замыкание контактов во время этих операций, автор добавил в свою конструкцию узел защиты выхода усилителя от короткого замыкания.

Транзистор верхнего плеча выходного каскада от короткого замыкания защищен автоматически — его базовый ток ограничен значением тока источника на транзисторе Q7. Защита транзистора нижнего плеча выполнена на элементах Q25 и D7. При достижении коллекторным током Q12 критической величины открывается транзистор Q25 и тем самым ограничивает дальнейший рост базового тока Q12.

Выходной фильтр изолирует выход усилителя от реактивных составляющих нагрузки, что повышает стабильность усилителя. В идеале фильтр должен быть оптимизирован под конкретное сопротивление нагрузки. Но, так как сопротивление наушников разных моделей и разных производителей варьируется в весьма широких пределах, автору пришлось пойти на компромисс. В результате этого частотная характеристика имеет подъём на частотах выше 20 кГц для наушников с высоким сопротивлением и небольшой завал для нагрузки сопротивлением 8 Ом. Но эти отклонения от линейной характеристики имеют очень малую величину (-0,02…+0,13 дБ на частоте 20 кГц) и на слух абсолютно не заметны.

hybridS_002 ldsound.ru (13)

Блок питания

Напряжение питания (12 В переменного тока) подается на разъём CON3. Предохранитель на 1 А защищает конструкцию в случае выхода из строя какого-либо элемента или перегрузки. Выключатель питания включен в общий провод, благодаря чему идущие к нему дорожки имеют минимальное напряжение переменного тока, что исключает паразитные наводки на сигнальные проводники. Далее напряжение питания поступает на однополупериодный выпрямитель D1 и D2. Три метало-плёночных конденсатора на 10 нФ снижают высокочастотные помехи при переключении диодов выпрямителя. Отфильтрованное конденсаторами напряжение (порядка 16В) поступает на трёхвыводные 12-вольтные интегральные стабилизаторы.

В связи с низким потреблением в схеме использованы общие стабилизаторы для предварительного усилителя и усилителя мощности.

Большое внимание при разработке схемы автор уделил отсутствию щелчков в наушниках при включении/выключении усилителя. В усилителях мощности для этого обычно используют реле, которое подключает нагрузку с задержкой, после окончания всех переходных процессов, и заодно используется в системе защиты. Так как в данном случае выходная мощность и токи незначительны, автор отказался от использования реле.

Это не значит, что вы не услышите при коммутации никаких посторонних звуков. Всё будет зависеть от чувствительности ваших наушников. Но в любом случае щелчки будут незначительными, и не будут вызывать какого-либо дискомфорта.

Частично это достигнуто за счёт отказа от конденсатора между базой транзистора Q5 и положительной шиной питания, который обычно обеспечивает задержку включения источника тока входного каскада, из-за чего в динамиках можно услышать довольно мощный щелчок.

Также устранению щелчков способствуют диоды D11 и D12 и резисторы на 10 Ом и 47 Ом, включенные в шины питания усилителя мощности. Аналогично диоды D9 и D10 в предварительном усилителе предотвращают возможное смещение операционных усилителей в моменты включения.

Резистор на 1 кОм, включенный параллельно диоду D10, обеспечивает более быстрый разряд конденсаторов отрицательной шины питания, чем устраняется паразитная генерация (и соответствующие призвуки в наушниках) операционных усилителей при выключении питания.

Как отмечалось выше, усилитель способен работать на динамики сопротивлением 8 Ом. Для этого в схему нужно внести небольшие изменения. Заменить предохранитель в источнике питания на 2 А, а ёмкость фильтрующих конденсаторов увеличить до 4700 мкФ. Всё!

Вот такой получился усилитель: честный — благодаря сверхнизкому уровню шума и искажений, он не добавляет ничего своего в звучание; универсальный — с помощью этого усилителя можно подружить практически любые наушники с любым источником сигнала.

Конструкция усилителя очень проста. Абсолютно все элементы размещены на одной печатной плате размерами 198 x 98 mm. Перед началом сборки следует проверить, что все крупногабаритные детали уместятся на плате, а крепежные отверстия подобранных радиаторов и других элементов совпадают.

Сборка начинается с установки 10 проволочных перемычек, выполненных лужёным проводом диаметром 0,7 мм. Затем следует смонтировать все резисторы, не забыв одеть на выводы 100 Омных резисторов на входе усилителя ферритовые кольца.

Следующим шагом устанавливаются все диоды с соблюдением полярности! Микросхемы операционных усилителей можно установить как в специальные панельки, так и непосредственно запаять в плату.

После этого смонтируйте керамические и плёночные конденсаторы, затем маломощные транзисторы. Обратите внимание, что в усилителе используется 4 типа транзисторов. При монтаже следите за правильностью типа и цоколёвки устанавливаемого транзистора. Теперь можно запаять два триммера на 500 Ом и держатель предохранителя.

Далее устанавливаем четыре контакта (можно сделать из лужёного провода) для контрольных точек ТР1-ТР4 и две стойки для крепления экрана между катушками выходных фильтров.

Устанавливаем электролитические конденсаторы (кроме двух на 2200 мкФ в блоке питания).

Установка светодиода.

Перед монтажом светодиода нужно согнуть его выводы под 90 градусов на расстоянии 4 мм от его нижнего торца. Не забудьте про полярность! Отверстие для анода на плате обозначено буквой «А». Светодиод запаивается в плату так, что высота горизонтальной части выводов составила 6,5 мм над поверхностью платы. Это обеспечит совпадение индикатора с отверстием в передней панели корпуса. Для облегчения процесса можно использовать картонную полоску в качестве шаблона.

Катушки индуктивности.

Катушки индуктивности L3 и L4 намотаны на небольших пластиковых каркасах с воздушным сердечником. Для удобства их изготовления рекомендуется сделать небольшое приспособление, как показано на рисунке:

hybridS_002 ldsound.ru (3) hybridS_002 ldsound.ru (4) hybridS_002 ldsound.ru (5)

Для намотки используется эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм (с изоляцией). Зажав 20 мм провода (это будет начало катушки) мотаем 20,5 витков и фиксируем второй конец катушки (примерно тоже 20 мм.) Надеваем на катушку термоусадочную трубку (для одной катушки понадобится трубка длинной 10мм и диаметром 20 мм). При нагревании термоусадки старайтесь не расплавить каркас самой катушки.

Вторая катушка мотается аналогично. После намотки выводы катушек следует зачистить от лака и облудить. Можно монтировать их на плату.

Завершаем сборку печатной платы

Монтируем выключатель питания. Его корпус должен быть плотно прижат к плате. Затем устанавливаем разъём питания и входные разъёмы. Используйте RCA-разъёмы разных цветов — красный для правого канала, белый — для левого.

hybridS_002 ldsound.ru (8)

Припаяйте экран между катушками. Это может быть оловянная пластина размерами 35×15 мм, вырезанная из консервной банки ножницами по металлу.

Установка регулятора громкости

Перед установкой потенциометра его надо слегка доработать (если вы в точности повторяете конструкцию автора). Использовался сдвоенный резистор диаметром 16 мм.

Если у вашего резистора плоская часть занимает не всю длину вала, то есть не доходит до резьбового крепления, то её необходимо продлить. Для этого конец вала нужно осторожно зажать в тисках и надфилем удлинить плоскую часть вала до самой резьбы. После этого вал нужно укоротить до 7 мм (просто отпилите лишнюю часть).

После этих операций резистор можно монтировать на плату. Для дополнительной жесткости крепления, а так же для заземления металлического корпуса резистора (а заземлить его нужно обязательно) используется отрезок одножильного луженного медного провода длиной 80 мм. На верхней части корпуса резистора надфилем зачистите небольшой участок. После этого запаяйте подготовленную перемычку к предусмотренным для неё контактам платы, надежно прижав при этом к корпусу резистора. В заключении припаяйте перемычку к подготовленной (зачищенной) площадке на корпусе резистора.

hybridS_002 ldsound.ru (2)

Монтаж радиаторов

На радиаторы устанавливаются два стабилизатора напряжения и шесть транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Радиаторы имеют штыревые крепления, под которые на плате предусмотрены отверстия.

Сборку начинают с установки на радиаторы микросхем 7812 и 7912, как показано на рисунке:

hybridS_002 ldsound.ru (9)

Металлический фланец стабилизаторов необходимо изолировать от радиаторов с помощью силиконовых или слюдяных прокладок. До запаивания контактов элементов в плату не затягивайте крепежный винт у радиатора. Это поможет точнее отрегулировать положение радиатора и микросхем, проверить и, если нужно, откорректировать положение изолирующей прокладки. Только после того, как вы убедитесь, что элементы установлены на плате правильно и ровно, надёжно припаяны, а изоляция не допускает замыкания, можно затянуть винт, обеспечив хороший тепловой контакт поверхности радиатора и элементов.

Два мощных транзистора TIP32 (Q12 и Q24) устанавливаются аналогично стабилизаторам. В отличие от них, на радиаторы для двух  транзисторов TIP31 (Q11 и Q23) с обратной стороны устанавливаются транзисторы термокомпенсации  BD139.

На рисунке показан их монтаж:

hybridS_002 ldsound.ru (10)

Оба транзистора изолируются от радиаторов с помощью изоляционных прокладок и шайб.

В последнюю очередь устанавливается выходной разъём и электролитические конденсаторы блока питания. Не забудьте, если предполагается эксплуатация усилителя с 8-Омными динамиками, то в блоке питания следует установить два конденсатора по 4700 мкФ. При этом их габариты должны быть не больше чем 16мм в диаметре и 30 мм по высоте (для авторского варианта корпуса).

Усилитель размещен (в авторском варианте) в стальном корпусе в половину стандартного размера 1-U. Если у вас другой корпус, то возможно разъёмы и органы управления придётся вынести за пределы печатной платы. При этом входные RCA-разъёмы необходимо подключать экранированным проводом.

hybridS_002 ldsound.ru (6)

Тестирование и настройка

После сборки печатной платы усилитель может быть протестирован.

Во-первых, установите оба триммера и потенциометр регулятора громкости против часовой стрелки в крайнее положение. Включите мультиметр на максимальный предел по переменному току и подключите его щупы к контактам предохранителя (сам предохранитель устанавливать не надо). Подключите блок питания и подайте питание на усилитель.  Мультиметр должен показать 120 мА  ±20 мА (без установки ОУ) или 160 мА ±20 мА (если ОУ установлен).

Если показания прибора отличаются от указанных, отключите питание, проверьте плату на предмет обрыва дорожек, замыкания контактов, правильность установки деталей (особенно диодов и транзисторов).

Если ошибок не обнаружено, установите операционные усилители и вновь подайте питание. Ток потребления должен составить  160 mA ± 20 мА.

Теперь выключите питание, установите предохранитель и подключите мультиметр в режиме измерения напряжения к контрольным точкам ТР1 и ТР2. После подачи питания напряжение здесь должно быть близко к нулю.

Теперь медленно вращайте VR2 по часовой стрелке. Сначала ничего не произойдет, но, в конечном счете, показания прибора должны начать расти. Устанавливаем значение 28.5 mV. Это соответствует  току покоя левого канала  47.5 mA. Следует отметить, что показания могут медленно расти, так как транзистор начнёт нагреваться. Подождите несколько минут, после чего откорректируйте настройку. После этого отключите питание и подключите мультиметр к контактам  ТР3 и TP4. Аналогично триммером VR3 установите ток покоя правого канала.

Теперь можно провести окончательный тест. Подключите к усилителю наушники и источник сигнала. Медленно увеличивайте громкость. Если всё работает нормально, вы должны услышать звук в обоих каналах.

При условии, что ток покоя установлен правильно для обоих каналов, в режиме ожидания (молчания) общий ток потребления будет около 340 мA, то есть потребляемая мощность составит около 4 Вт.

hybridS_002 ldsound.ru (11)

Эксплуатация усилителя

Прежде чем надеть наушники всегда устанавливайте ручку громкости на минимум, а затем плавно отрегулируйте комфортный для вас уровень громкости. Если этого не сделать, вы можете повредить свой слух! Кто-то может оставить регулятор громкости в положении максимума или изменить уровень выходного сигнала источника, который вы слушали последний раз.

Точно так же, не слушайте наушники на высокой громкости  длительное время. Это особенно важно при эксплуатации усилителя для наушников, так как вы можете подвергать себя опасным уровням громкости, не чувствуя при этом какого-либо дискомфорта, и тем более это не будет замечено окружающими. В таблице представлены рекомендуемое максимальное время прослушивания наушников в зависимости от уровня громкости  (уровня звукового давления) в диапазоне  88-115 dBA.

Короче говоря, избегайте привычки слушать музыку в наушниках на большой громкости!

Печетная плата

Оригинальная статья

Автор пректа: Nicholas Vinen
hybridS_002 ldsound.ru (7)
Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты»

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *