Усилитель НЧ с глубокими регулировками тембра

Возросший в последние годы интерес к высококачественному звуковоспроизведению вызвал появление в печати рядя статей, посвященных вопросам конструирования различных монофонических и стереофонических усилителей НЧ. Наряду со многими положительными качествами указанных устройств большинство из них имеет один общий недостаток — малую (около 12 дБ) глубину регулировки тембра высших и особенно низших звуковых частот. Узел регулировки тембра этих усилителей выполняют обычно по RC-мостовой схеме и включают между предварительным и оконечными блоками усилителя. При таком построении схемы от предварительного усилителя требуются большое усиление и большая амплитуда сигнала на выходе, что приводит в конечном счете к увеличению нелинейных искажений и ухудшению ряда других параметров усилителя.

Иногда регулировку тембра осуществляют в цепи местной параллельной или последовательной отрицательной обратной связи одно-каскадного усилителя. Однако в таком каскаде при максимальном подъеме усиления отрицательная обратная связь практически отсутствует, что также не способствует получению высоких качественных показателей усилителя.

В публикуемой ниже статье вниманию читателей предлагается описание десятиваттного усилителя, состоящего из предварительного корректирующего и оконечного усилительных блоков. В нем подъем высших и низших звуковых частот равен соответственно 20 и 24 дБ и осуществляется в цепи общей обратной связи предварительного усилителя. При этом глубина общей отрицательной обратной связи остается практически неизменной во всем диапазоне регулировки тембра и составляет 26 дБ.

Снижение усиления на крайних частотах рабочего диапазона обеспечивается RL- и RC-фильтрами, включенными между усилительными блоками. При этом имеет место незначительное уменьшение (на 6—8 дБ) глубины общей обратной связи на краях рабочего диапазона частот только при максимальном ослаблении усиления.

Для регулировки тембра на низших и высших звуковых частотах используются широкодоступные резисторы СП-1-А или СП-11-А с небольшой переделкой, которая может быть легко выполнена радиолюбителями. Благодаря такой переделке и использованию пружинящего свойства скользящего контакта появляется также возможность точной установки переменных резисторов в среднее положение, соответствующее плоской частотной характеристике коэффициента передачи усилителя.

Примененная в предлагаемом вниманию читателей усилителе глубокая регулировка тембра имеет значительные преимущества перед всеми другими известными видами регулировок. Она обеспечивает минимальные нелинейные искажения, малые шумы, высокую стабильность, постоянство выходного сопротивления и не требует применения каких-либо специальных мер по обеспечению устойчивости работы усилителя.

Частотные характеристики регуляторов тембра приведены на рис. 1. Сплошными линиями показаны характеристики, полученные в области низших частот при установке в среднее положение движка регулятора тембра высших звуковых частот, а в области высших частот при установке в среднее положение движка регулятора тембра низших звуковых частот. Пунктиром показаны частотные характеристики, полученные при установке движков регуляторов тембра в крайние положения (на подъем или снижение усиления). Из рис. 1 видно, что подъем усиления на частоте100 Гц составляет 16 дБ, а на частоте 20 Гц — 24 дБ.

Рис. 1. Частотные характеристики регуляторов тембра.

Подъем усиления на частоте 10 кГц равен 16 дБ, а на частоте 20 кГц — 20 дБ. Максимальная неискаженная выходная мощность усилителя 10 Вт при напряжении на входе 250 мВ. Диапазон рабочих частот усилителя 20—20 000 Гц при неравномерности частотной характеристики менее ±0,3 дБ. Нелинейные искажения в диапазоне частот 100— 8000 Гц не превышают 1,2%. Входное сопротивление 100—150 кОм в зависимости от положения движка регулятора усиления. Выходное сопротивление 0,1 Ом. Уровень шума около — 80 дБ.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 2. Предварительный усилитель собран на высокочастотных транзисторах Т1—Т3, обеспечивающих постоянство значений входного сопротивления и глубины общей обратной связи во всем диапазоне рабочих частот.

Рис. 2. Принципиальная схема усилителя.

При использовании сплавных транзисторов, например П28, в сочетании с транзисторами МП41А постоянство указанных параметров не гарантируется из-за снижения коэффициента усиления по току на частотах выше 7—10 кГц.

Все три транзистора предварительного усилителя включены по схеме с непосредственной связью между каскадами и охвачены глубокими местными и общими обратными связями по постоянному току. Обратная связь, создаваемая резисторами R2 и R3, стабилизирует режимы работы транзисторов Т1—Т3 по току, а обратная связь, создаваемая резистором R9, включенным между коллектором транзистора Т3 и эмиттером транзистора Т2, стабилизирует потенциал коллектора транзистора Т3 но постоянному току. Указанные обратные связи позволяют использовать в предварительном усилителе транзисторы с разбросом коэффициента усиления по току от 20 до 200, обеспечивая высокую стабильность режимов их работы при изменении температуры окружающей среды от — 20 °С до +50 °С. Цепь обратной связи по постоянному току, создаваемая резистором R9, используется и в цепи обратной связи по переменному току. Дело в том, что через резистор R9 протекает часть выходного тока, под действием которого на резисторе R6, включенном в цепь эмиттера транзистора Т2, образуется переменное напряжение общей отрицательной обратной связи. Примененная здесь общая обратная связь обладает одним весьма полезным свойством: с помощью включенного в цепь резистора R6 можно в широких пределах регулировать коэффициент усиления усилителя по напряжению, оставляя практически неизменной глубину общей обратной связи. Именно это свойство и используется для подъема усиления на высших и низших частотах рабочего диапазона.

Постоянство глубины общей отрицательной обратной связи при изменении коэффициента усиления усилителя с обратной связью можно объяснить следующим образом.

Резистор R6 в цепи эмиттера транзистора Т2 является элементом местной отрицательной обратной связи. Одновременно он включен в цепь общей отрицательной обратной связи, так как через него по цепи R9—R6 протекает часть выходного тока. При снижении сопротивления в цепи эмиттера транзистора Т2, вследствие шунтирования резистора R6 цепью R7-1L1C5 или R8-] С6, уменьшается коэффициент передачи цепи общей обратной связи. В то же время пропорционально увеличивается коэффициент усиления каскада на транзисторе Т2 из-за снижения глубины местной последовательной обратной связи.

Известно, что при достаточно большой отрицательной обратной связи глубина ее равна произведению коэффициента передачи цепи общей обратной связи на коэффициент усиления усилителя без общей обратной связи. Так как при уменьшении сопротивления в цепи эмиттера транзистора Т2 эти коэффициенты изменяются в обратно пропорциональной зависимости, их произведение, а следовательно, и глубина общей отрицательной обратной связи будут оставаться неизменными, а коэффициент усиления усилителя с обратной связью будет увеличиваться за счет изменения глубины местной обратной связи. При увеличении сопротивления в цепи эмиттера Т2 указанные выше коэффициенты также будут изменяться в обратной зависимости, в результате чего глубина общей обратной связи опять-таки будет оставаться неизменной.

Экспериментальная проверка усилителя показала, что, регулируя сопротивление в цепи эмиттера транзистора Т2, можно изменять коэффициент усиления усилителя в 20 и более раз. При этом глубина общей обратной связи изменяется всего на 20—30%.

Подъем усиления на высших частотах достигается с помощью конденсатора С6, подключенного параллельно резистору R6 через переменный резистор R8-1. С увеличением частоты емкостное сопротивление конденсатора С6 уменьшается и при полностью выведенном резисторе R8-1 все в большей степени шунтирует резистор R6. При этом достигается подъем усиления 6 дБ на октаву в диапазоне частот от 1,3 до 16 кГц. При перемещении движка переменного резистора R8 с участка R8-2 снижается усиление на высших частотах. При R8-2=0 конденсатор С6 вместе с резистором R14 образуют RС-фильтр нижних частот, включенный на выходе предварительного усилителя. При увеличении сопротивления резистора R8-2-1 на участок R8-2 усиление на высших частотах увеличивается.

Подъем и снижение усиления в области низших частот достигается при помощи последовательного резонансного контура L1C5 добротностью Q ≈ 1, настроенного на частоту 20 — 30 Гц. Подъем усиления обеспечивается в том случае, если движок переменного резистора находится на участке R7-1 резистора R7, а снижение — на участке R7-2 того же резистора. При R7-2—0 резистор R14 и катушка L1 образуют фильтр верхних частот.

Необходимо отметить, что при таком способе регулировки усиления на высших и низших звуковых частотах выходное сопротивление предварительного усилителя практически не изменяется во всем рабочем диапазоне и не зависит от величины подъема усиления на краях диапазона, что важно для согласования предварительного усилителя НЧ с оконечным, Однако, поскольку величина входного сопротивления транзистора Т2 уменьшается на низших и высших частотах пропорционально величине подъема усиления, для сохранения его постоянства во всем рабочем диапазоне частот базу транзистора пришлось подключить к выходу эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1. Транзисторы Т1 и Т2 включены по схеме составного транзистора. Входное сопротивление эмиттерного повторителя около 300—500 кОм.

Оконечный усилитель содержит четыре каскада усиления. Первый и второй каскады (транзисторы Т4 и Т5 соответственно) работают в режиме усиления напряжения, а третий и четвертый каскады (транзисторы Т6—Т9) — в режиме усиления тока.

Схема оконечного блока усилителя НЧ имеет некоторые отличия от стандартной схемы бестрансформаторного усилителя НЧ. Из-за введения более глубокой общей отрицательной обратной связи по переменному току в усилитель пришлось ввести конденсаторы СП, С14 и С15, с помощью которых обеспечивается его устойчивая работа за пределами высокочастотной части рабочего диапазона.

Для получения максимально возможного к.п.д. усилителя при одном напряжении источника питания в цепи эмиттера транзистора Т5 отсутствует сопротивление местной последовательной обратной связи.

Для стабилизации тока покоя транзисторов Т6 — Т8 в цепь коллектора транзистора Т5 включено два последовательно соединенных диода: кремниевый и германиевый. На схеме они показаны одним диодом Д1. Необходимо, чтобы эти диоды имели тепловой контакт с радиаторами транзистора Т8 или Т9. Функции кремниевого диода выполняет переход коллектор-база транзистора КТ315А (можно использовать и другие кремниевые транзисторы, например МП116, МП113). В качестве германиевого применен диод ДЗПА, его также можно заменить любым сплавным транзистором. При необходимости более точной подгонки тока покоя транзисторов Т6—Т9 германиевый диод можно зашунтировать резистором сопротивлением в несколько сотеном. В оконечном каскаде усилителя используются сравнительно маломощные кремниевые транзисторы КТ801Б, которые значительно облегчают режим работы предоконечных транзисторов Т6 и Т7, поскольку обладают достаточно большим коэффициентом усиления по току В_ст= 10—30 при токе покоя 20—50 мА. Транзисторы КТ805 или аналогичные им применять нецелесообразно, так как при токе до 100 мА они имеют В_ст =2—3, что требует значительного тока коллектора 20—40 мА от предоконечных транзисторов, а это оправдано только в усилителях мощностью выше 25— 30 Вт.

При напряжении питания 27 В сопротивление звуковой катушки громкоговорителя должно быть равно 6 Ом. При уменьшении или увеличении этого сопротивления для получения выходной мощности 10 Вт напряжение источника питания должно быть соответственно изменено. Однако увеличивать его более 30— 33 В нецелесообразно, поскольку примененные в усилителе элементы на это не рассчитаны. Усилитель хорошо работает при пониженном напряжении 16—20 В, отдавая в нагрузку 4—7 Вт.

Блок питания состоит из понижающего трансформатора Tpl, выпрямителя на диодах Д4—Д7 и стабилизатора напряжения, собранного на транзисторах Т10—Т13 но компенсационной схеме с защитой от короткого замыкания в нагрузке.

Рис. 3. Конструкция переделанного резистора: 1 — оставшаяся часть проводящего слоя; 2 — участки с удаленным проводящим слоем; 3 — вырез в подкове из гетинакса, на которую нанесен проводящий слой; 4 и 6 — лепестки, соединенные с концами проводящего слоя; 5 — лепесток, соединенный со скользящим контактом

Детали. В усилителе используются резисторы МЛТ-0,125 или УЛМ-0,125. Конденсаторы — МБМ, БМ-2 и К50-6. Катушка L1 намотана на односекционном каркасе, размещена в сердечнике ОБ-20, из феррита 2000НМ зазор 0,15—0,2. Обмотка ее содержит 1500 витков провода ПЭВ-1 0,1. Сопротивление катушки постоянному току 100—120 Ом, индуктивность 0,8— 1,3 Г.

Переменные резисторы R7-1, R7-2 и R8-1, R8-2 изготавливают в соответствии с эскизом, показанным на рис. 3, из переменных резисторов СП-1-A или СП-П-А сопротивлением от 2,4 до 3,3 кОм. При переделке с резисторов снимают защитный экран и ось со скользящим контактом. Лепестки 4 и 6 (рис. 3) подключают к омметру. Острым ножом удаляют края проводящего слоя так, чтобы в средней части он стал уже и равномерно расширялся к концам (участок проводящего слоя, по которому двигается скользящий контакт, удалять нельзя). В этом случае сопротивление переменного резистора должно немного увеличиться. Затем очень мелкой наждачной бумагой начинают стирать оставшуюся часть проводящего слоя от середины в обе стороны на угол до 100°—110° (всего на 200°—220°) так, чтобы проводящий слой в средней части стирался больше, чем у краев. Следует стремиться к тому, чтобы в процессе стирания толщина оставшегося слоя равномерно уменьшалась от концов к середине и не было резких скачков изменения сопротивления при перемещении скользящего контакта. В этом случае подъем усиления в децибелах будет приблизительно пропорционален углу поворота движка переменного резистора.

Стирая проводящий слой, следует постоянно следить за стрелкой омметра, которая будет отклоняться в сторону больших сопротивлений. После того как омметр покажет сопротивление 8—9 кОм, дальнейшее стирание надо прекратить и в средней части подковы из гетинакса, на которую нанесен проводящий слой, вырезать поперечную канавку 3 (см. рис. 3) шириной 3—4 мм и глубиной до 0,5— 1 мм, разрезав на две электрически изолированные части проводящий слой. Затем ось со скользящим контактом устанавливают на место и, вращая ее, убеждаются, что скользящий контакт фиксируется в среднем положении при попадании его пружины в вырезанную канавку 3. Если эта фиксация недостаточно четкая, канавку следует углубить. Затем устанавливают скользящий контакт в среднее положение и, поочередно подключая омметр к контактам 5, 6 и 5, 4 (рис. 3), проверяют сопротивление между ними. Это сопротивление должно быть равно бесконечности.

Далее подключают омметр к контактам 5, 6 переменного резистора, а скользящий контакт из среднего положения смещают на начало проводящего слоя, соединенного с контактом 6. При этом стрелка омметра должна показывать сопротивление около 3 кОм.

Этот участок сопротивления соответствует резистору R7-1. Затем омметр соединяют с контактами 5, 4, скользящий контакт переводят из среднего положения на начало проводящего слоя, соединенного с контактом 4, измеряют сопротивление этого участка и, стирая проводящий слой мелкой наждачной бумагой в соответствии с приведенными выше рекомендациями, доводят сопротивление этого участка до 10 кОм. Участок сопротивления, соединенный с контактом 4, соответствует резистору R7-2. Резисторы R8-1 и R8-2 изготавливаются аналогичным образом.

Силовой трансформатор Тр-1 можно выполнить на любом сердечнике с сечением внутреннего керна не менее 6 см2, например, Ш20Х30. Обмотка I содержит 1270 витков провода ПЭВ 0,27, обмотка II — 930 витков провода ПЭВ 0,2 н обмотка III — 270 витков провода ПЭВ 0,8—0,9.

Налаживание. Налаживание усилителя начинают с проверки выпрямителя. Напряжение 27 В на выходе стабилизатора устанавливают переменным резистором R27. Затем амперметр с пределом измерения 1,5— 2 А включают на выход стабилизатора и убеждаются в отсутствии тока при коротком замыкании выхода стабилизатора амперметром.

Перед включением оконечного блока усилителя к нему подключают эквивалент нагрузки и замыкают накоротко диоды Д1. Резистором R20 устанавливают напряжение 12,5—13 В на коллекторе транзистора Т5. Затем подбирают диоды Д1 так, чтобы потребляемый усилителем ток (при отсутствии сигнала на входе) возрос с 4—5 мА до 40-50 мА.

Режим работы транзистора Т4 устанавливают резистором R15 (см. таблицу режимов работы транзисторов). Далее проверяют отсутствие самовозбуждения усилителя за пределами высокочастотного участка рабочего диапазона и, если оно имеет место, на 20—50% увеличивают емкости конденсаторов СИ, С14 и С15. При выходной мощности 10 Вт ток, потребляемый усилителем от источника питания, должен составлять 0,6 А, а напряжение на входе оконечного блока —1,5— 1,8 В.

Входной блок усилителя НЧ работает сразу после включения. Если индуктивность велика, то емкость конденсатора С5 следует уменьшить до 50 мкФ. Последовательно с резистором R8-1 следует включить резистор сопротивлением 100 Ом.

Описанный усилитель хорошо работает в стереофоническом варианте.

Регуляторы тембров можно спарить механическим путем либо применить ступенчатые регуляторы с использованием переключателей.

В этом случае при малой глубине подъема могут быть получены частотные характеристики с максимумом на частотах 20—30 Гц и 15— 20 кГц. При этом корректирующие цепи должны подключаться к части резистора R6.