Усилитель звуковой частоты с повышенным демпфирующим свойством

Предлагаемый усилитель является улучшенным вариантом простого стереоусилителя, описанного в сборнике В помощь радиолюбителю, вып. № 61, с. 31—35. Как показали испытания, он отличается достаточно высокой надежностью работы и обеспечивает передачу звукового сигнала с очень малыми искажениями и эффективное успокоение подвижной системы головки громкоговорителя.

Известно, что вещательный сигнал представляет собой последовательность импульсов (давления, напряжения) различной формы, амплитуды и полярности. Каждый электрический импульс звуковой программы выводит диффузор динамической головки из положения равновесия, чем вызывает его затухающие колебания на частоте механического резонанса. Следовательно, преобразование головкой громкоговорителя электрического сигнала в акустический сопровождается специфическими искажениями из-за наложения на звуковую программу собственных колебаний диффузора. На практике это приводит в основном к нечеткому воспроизведению ударных звуков.

Для ускорения затухания собственных колебаний диффузора динамической головки и уменьшения тем самым искажений сигнала необходимо дополнительное рассеивание колебательной энергии диффузора — демпфирование. Причем это должно осуществляться не за счет увеличения потерь на излучение (энергия собственных колебаний диффузора вообще не должна излучаться), а за счет преобразования колебательной энергии в тепловую. Механизм преобразования энергии собственных колебаний диффузора в тепло присутствует в неявном виде в каждой системе усилитель — головка громкоговорителя, и задача состоит в том, чтобы заставить его работать с достаточной эффективностью.

Суть этого явления состоит в следующем. Известнр, что при движении в поперечном магнитном поле замкнутого контура на него действует тормозящая сила, пропорциональная наведенному в нем току. Механическая энергия при этом переходит в тепловую, и контур нагревается. Звуковая катушка динамической головки, находящаяся в магнитном поле зазора, как раз и представляет собой такой контур, замкнутый на выходное сопротивление усилителя.

равно

где В — индукция в зазоре магнитной системы головки,

Тл;

l — длина провода звуковой катушки, м;

v — мгновенное значение скорости звуковой катушки

головки, м/с.

Так как контур замкнут, то в нем наводится ток, мгновенное значение силы которого (в амперах) определяется по формуле

где Rk — сопротивление звуковой катушки, Ом; Rвых — выходное сопротивление усилителя, Ом.

Так как мгновенное значение тормозящей силы пропорционально мгновенному значению силы наведенного тока (f=Bli, где f — сила в ньютонах), то с точки зрения ускорения успокоения диффузора головки представляет интерес способ увеличения отношения мгновенного значения наведенной в звуковой катушке силы то-ка к мгновенному значению ее скорости, что достигается уменьшением выходного сопротивления усилителя. Следует, однако, заметить, что если при уменьшении выходного сопротивления усилителя достигнуто соотно шение R #вых = 0, l R к , то дальнейшее его уменьшение может дать в пределе увеличение силы тока переходного процесса только на 10% и поэтому практически нецеле сообразно (сила наведенного в этом случае тока ограни чивается в основном сопротивлением звуковой катушки головки).

Рис. 1. Схема оценки демпфирующего свойства усилителя

Поскольку тормозящая сила, действующая на звуковую катушку головки, пропорциональна силе наведенного в ней тока, то для резкого увеличения скорости затухания собственных колебаний диффузора необходим какой-то искусственный (неочевидный) прием, который заключается в применении в усилителе комбинированной обратной связи: положительной по току в нагрузке и отрицательной по напряжению на нагрузке. В описываемом усилителе он реализован достаточно просто, а эффект получился значительным.

Объективная оценка демпфирующего свойства усилителя производилась по схеме, показанной на рис. 1. Здесь резистор Rэ— эквивалент сопротивления постоянному току звуковой катушки динамической головки. Генератор колебаний звуковой частоты вместе с разделительно-понижающим трансформатором Три резистором Rг (Rг<<Rэ) имитировал мгновенное значение ЭДС переходного процесса. Сила тока в контуре измерялась с помощью осциллографа по падению напряжения на резисторе Rэ

В исходном положении переключателя В осциллограф фиксировал ток, эквивалентный мгновенному значению тока, наведенного в звуковой катушке головки после подачи на нее импульсного напряжения от усилителя с нулевым выходным сопротивлением (звуковая катушка замкнута накоротко). Затем переключатель переводился во второе положение и измерялось новое значение силы тока, которое оказалось значительно больше первого. Очевидно, что отношение этих сил токов характеризует качество усилителя с точки зрения демпфирования. Назовем это отношение коэффициентом демпфированияКд. Усилитель с нулевым выходным сопротивлением в этом случае является эталонным. Для него Кд=1. Очевидно, что для обычного усилителя НЧ Кд<1.

Номинальная выходная мощность каждого канала описываемого усилителя на частоте 1000 Гц составляет 8 Вт при коэффициенте гармоник менее 1%, максимальная — 12 Вт. Чувствительность 0,22 В. Полоса пропускания при номинальной мощности и неравномерности ± 1 дБ от 20 до 30 000 Гц. Уровень фона —66 дБ. Коэффициент демпфирования 3. Эффективность регулировки тембра не менее ± 12 дБ, регулировки стереобаланса не менее 9 дБ. Сопротивление нагрузки 8 Ом (громкоговорители 10МАС-1М).

Ввиду идентичности каналов усилителя рассмотрим работу одного из них—левого (рис. 2). Через входной разъем Ш1, регулятор громкости R1 и конденсатор С1 сигнал звуковой частоты поступает на затвор полевого транзистора Т1, включенного по схеме истокового повторителя. Этот каскад, обладающий большим входным сопротивлением во всем диапазоне звуковых частот, обеспечивает передачу сигнала с весьма малыми искажениями.

Регулировка стереобаланса осуществляется делителем напряжения сигнала, образованным постоянными резисторами R4, R5 и переменным резистором R6. С него сигнал поступает на узел регулировки тембра. Резистором R8 регулируют уровни низших, а резистором R11 — высших звуковых частот. Второй каскад на полевом транзисторе Т2 усиливает напряжение сигнала в несколько раз и в то же время оказывает достаточно большое сопротивление узлу регулировки тембра.

Далее сигнал поступает на вход трехкаскадного усилителя мощности (транзисторы ТЗ—Т6), охваченного двумя петлями обратной связи. Использование в предоконечном каскаде сверхвысокочастотного транзистора КТ904А способствует получению очень малого времени задержки сигнала. Действие отрицательной обратной связи в этом случае достаточно эффективно, и, кроме того, обеспечивается хорошая проходная динамическая характеристика усилителя. Конденсатор С9 предотвращает самовозбуждение усилителя на ультразвуковой частоте.

Сигнал положительной обратной связи по току в нагрузке снимается с резистора R27 и через резистор R21 и конденсатор С10 подается на базу транзистора ТЗ. Сигнал отрицательной обратной связи по напряжению на нагрузке, снимаемый с выхода усилителя, подается на эмиттер этого же транзистора через резистор R20.

Стабилитрон Д2 и шунтирующий его резистор R23 обеспечивают необходимое напряжение между базами выходных транзисторов 0,7В. Являясь термочувствительным элементом, стабилитрон Д2 стабилизирует ток покоя выходных транзисторов, с радиаторами которых он имеет жесткий тепловой контакт. А как нелинейный элемент он стабилизирует напряжения смещения при изменении напряжения сети.

Стабилитрон Д1 и резистор R14 образуют параметрический стабилизатор напряжения питания транзисторов T1 и Т2, резистор R26 и конденсаторы С13 и С14 — ячейку развязывающего фильтра.

Ввиду ограничения базовых токов выходных транзисторов (резистором R25 и транзистором Т4) и наличия предохранителей в цепях питания каждого канала усилитель выдерживает кратковременные короткие замыкания в нагрузке. Так как питающее напряжение существенно меньше допустимого напряжения на выходных транзисторах, то работа усилителя без подключенной нагрузки не вызывает опасений.

Блок питания состоит из понижающего трансформатор Tpl, двухполупериодного выпрямителя на диодах КД202А, включенных по мостовой схеме, и конденсатора С16 (составлен из четырех конденсаторов емкостью по 2000 мкФ), сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения.

Каждый канал усилителя смонтирован на отдельной гетинаксовой плате размерами 186X90 и толщиной 1,5 мм. Опорными точками монтажа служат пустотелые заклепки. Соединения выполнены голым посеребренным проводом диаметром 0,5 мм. Транзисторы KT9Q4A, ГТ806Б и КТ903Б снабжены радиаторами, выточенными из дюралюминия. Чертеж радиатора транзистора КТ904А показан на рис. 3 (чертеж радиаторов транзисторов выходного каскада см. в сборнике В помощь радиолюбителю, вып. № 61, с. 34, рис. 6)

Трансформатор питания, диоды выпрямителя смонтированы на текстолитовой плате размерами 85X18 мм, конденсаторы фильтра размещены на панели размерами 186X58 мм из дюралюминия толщиной 2 мм.

Все постоянные резисторы, кроме R27, типа МЛТ, МОН переменные — СПЗ-12а и СПЗ-12г (или СП-I и СП-Ш), конденсаторы—КЛС и К50-6. Проволочный резистор R27 — 8 витков манганинового провода диаметром 0,4 мм, намотанных на корпусе резистора ВС-0,25. Входной и выходные разъемы типа СГ-5, держатель предохранителя— ДПБ, выключатель питания — МТ-1.

Рис. 3. Чертеж радиатора транзистора КТ904А

Трансформатор питания может быть типа ТА88-127/220-50, ТА89-127/220-50 или самодельный. Данные самодельного трансформатора: магнитопровод ШЛ20Х25, сетевая обмотка —1400 витков провода ПЭВ-2 0,44, понижающая — 200 витков провода ПЭВ-2 0,93.

Полевые транзисторы KTI103KP можно заменить на КП103К- Но их надо подобрать попарно по токам стока (затвор соединен с истоком, напряжение сток — исток равно 10 В), которые не должны отличаться более чем на 20%. Вместо транзисторов КТ903Б можно использовать транзисторы КТ805А, КТ805Б, КТ908 и КТ902А, которые должны быть отобраны по схеме, показанной на рис. 4. Транзисторы ГТ806Б могут быть заменены транзисторами ГТ806 этой же серии с другими буквенными индексами.

В выпрямителе могут работать диоды КД202 с буквенными индексами В, Д, Ж, К, М, Р. Стабилитроны Д/ и Д2 — серии КС133А — КС168А и Д814А — Д814Д.

Желательно, чтобы они были с возможно меньшим прямым сопротивлением.

При повторении конструкции следует иметь в виду, что уменьшение емкости конденсатора СЮ приводит к снижению коэффициента демпфирования, а увеличение ее до 5 мкФ может привести к самовозбуждению усилителя по низкой частоте. Для снижения уровня фона переменного тока емкости конденсаторов С13 и С14 целесообразно увеличить до 200 мкФ.

Рис4. Схема подбора транзисторов по току

Корпус усилителя размерами 290X190X78 мм выполнен из шести пластин листового дюралюминия толщиной 2 мм, скрепленных в единую конструкцию с помощью восьми дюралюминиевых стяжек квадратного сечения. На лицевой панели находятся выключатель питания и переменные резисторы регулировки баланса, громкости и тембра звука, на задней — гнездовые части входного и выходных разъемов, держатель предохранителя. Верхняя и нижняя стенки имеют вентиляционные отверстия.

Налаживание усилителя заключается в установлении указанных на схеме режимов транзисторов при подключенной нагрузке.