High-End усилитель для активных мониторов

Увеличьте громкость ваших динамиков с помощью этого компактного модуля усилителя.

Автор: Alfred Rosenkranzer (Германия)

Хотя активные громкоговорители являются более сложными и более дорогими, чем пассивные громкоговорители, они имеют явные преимущества с точки зрения технологий и полученного в результате звука. Чтобы удержать сложность и стоимость в определенных пределах, мы разработали простой модуль усилителя мощности. Наряду с подходящим активным кроссовером, вы можете установить два, три или четыре громкоговорителя в корпус колонки (в зависимости от того, какую колонку вы хотите получить, двухполосную, трехполосную или четырехполосную) и запитывать их от одного источника.

Колонки, оснащенные более чем одним громкоговорителем, обычно содержат пассивные кроссоверы, которые (в высококачественных устройствах) изготавливаются с огромными катушками с воздушным сердечником и довольно дорогими пленочными конденсаторами. Их работа заключается в распределении звука между низкочастотными, среднечастотными и высокочастотными динамиками (при условии использовании обычной трехполосной колонки) в соответствии с их частотными диапазонами. Поэтому для стереозвука вам понадобятся два усилителя мощности (или выходных каскада) в пассивной системе. Напротив, в активном громкоговорителе каждый динамик подключен к собственному усилителю, а кроссовер активен, что означает, что он выполнен на транзисторах или операционных усилителях и расположен перед усилителем мощности.

Плюсы и минусы

Основным недостатком активных громкоговорителей является их сложность: для трехполосных громкоговорителей вам потребуется шесть усилителей мощности для активной версии вместо обычных двух. Эта дополнительная схема делает активные динамики более дорогими, поэтому встречаются они значительно реже. Даже в высококлассном секторе активные громкоговорители встречаются относительноредко.

Сложность с лихвой компенсируется техническими и звуковыми преимуществами активных громкоговорителей. Начнем с того, что тот факт, что каждый динамик подключен к выходу усилителя мощности с помощью короткого кабеля, является огромным преимуществом. Среди прочего, это устраняет необходимость в длинных и соответственно дорогих кабелях, которые также могут быть сложны в установке. Устранение наводок между выходным каскадом и блоком динамика приводит к оптимальному демпфированию динамика и позволяет избежать искажений, которые могут быть вызваны высокими токами, протекающими через пассивные компоненты. Это особенно относится к недорогим кроссоверам, которые изготавливаются с недорогими катушками с ферритовым сердечником и биполярными электролитическими конденсаторами вместо высококачественных и соответственно дорогих катушек с воздушным сердечником и пленочными конденсаторами.

Другое преимущество активных громкоговорителей состоит в том, что частотные кривые с более крутыми юбками (что означает лучшее разделение полос частот) могут быть достигнуты с помощью активных кроссоверов, и они обеспечивают дополнительные возможности, такие как фазовая коррекция.

В акустических системах 2.1 для сабвуфера не требуется специальный динамик с двумя звуковыми катушками, поскольку активный кроссовер может легко смешивать низкочастотный сигнал из двух стереоканалов для генерации сигнала для канала с одним усилителем мощности. В интернете вы можете найти множество различных дизайнов кроссоверов для любого применения.

Технические характеристики усилителя
Максимальное входное напряжение:0,62 В для 23 Вт / 8 Ом.
Выходная мощность (при ± 25 В):34 Вт / 4 Ом; 23 Вт / 8 Ом
Напряжение питания:± 25 В для 4 Ом; ± 42 В для 8 Ом
Ширина полосы (1 Вт / 8 Ом):от 16,4 Гц до 230 кГц (-3 дБ)
Соотношение сигнал/шум:>100 дБ (от 22 Гц до 22 кГц)
THD + N (белый шум):0,0023% (1 кГц; 1 Вт / 8 Ом)
THD+N (B = 22 kHz):0.006% (11 Вт /8 Ом)
0.006% (1 Вт / 4 Ом)
0.015% (17 Вт / 4 Ом)
Коэффициент демпфирования:>600 (1 кГц)
Постоянная составляющая на выходе:
54 мВ

Особенности конструкции

По сравнению с пассивными громкоговорителями, активные громкоговорители содержат много электроники. Размещение активных элементов вне корпуса громкоговорителя приведет к увеличению длины кабеля между усилителем мощности и громкоговорителем и, таким образом, уменьшит высокий коэффициент демпфирования, что является одним из преимуществ активного громкоговорителя.При использовании трехполосного громкоговорителя три толстых кабеля, необходимые для подключения к динамикам, также создают неприглядные джунгли. Таким образом, альтернативы нет: электроника должна быть размещена в корпусе громкоговорителя вместе с громкоговорителями, а доступное для этого пространство обычно ограничено.

Пространство также ограничено и по другой причине: усилители мощности из разряда «киллерватт» и их источники питания громоздки. Это означает, что для домашнего прослушивания нужно учить матчасть, а не заниматься погоней за ваттами. Поэтому для громкоговорителей в жилых комнатах вам нужны довольно простые, компактные усилители мощности с превосходными характеристиками и мощностью от сравнительно низкой до умеренной.

Также важно иметь возможность управлять несколькими усилителями мощности от одного источника питания без взаимных помех. В связи с этим вы должны иметь в виду, что сильные басовые сигналы потребляют соответствующие токи от источника питания, и это может легко вызвать изменения напряжения. Это не должно влиять на среднечастотные и высокочастотные каналы. В противном случае вам понадобится отдельный источник питания для каждого усилителя мощности, что слишком шикарно.

В соответствии с этими требованиями автор разработал модульный усилитель мощности, который хорошо подходит для использования в активных динамиках. В схемотехнике автор руководствовался идеями Дугласа Селфа [1]. Наряду с другими схемами, Селф ранее опубликовал хороший предусилитель в Elektor [2], который идеально подходит для управления активными громкоговорителями.

Рисунок 1. Принципиальная схема усилителя

Схема усилителя

Как принято в современных усилителях мощности, этот усилитель питается от двуполярного источника питания. Это устраняет необходимость в выходном конденсаторе, что особенно нежелательно в активных громкоговорителях. Первое, что вы заметите на принципиальной схеме, показанной на рисунке 1, это то, что в качестве выходных транзисторов используется комплиментарная пара полевых МОП-транзисторов. Это не те транзисторы, которые используются в импульсных источниках питания или аналогичных устройствах, это полевые МОП-транзисторы Hitachi с довольно низкой проводимостью и относительно высоким сопротивлением. Они часто используются в схемах усилителей мощности, опубликованных в Elektor. Для этого есть веская причина: хотя относительно высокое сопротивление сток-исток вызывает более высокое рассеивание мощности и, следовательно, более низкую выходную мощность при заданном напряжении питания, вы получаете более качественный звук, поскольку они дают мягкое ограничение сигнала, схожее с лаповыми усилителями.

Транзисторы Hitachi также имеют очень низкую емкость затвор-исток по сравнению с МОП-транзисторами с более низким сопротивлением. Входная емкость транзистора N-типа (T9) составляет всего 600 пФ, в то время как емкость транзистора P-типа (T10) составляет 900 пФ. С12 в значительной степени нейтрализует эту разницу. Эти низкие значения емкости позволяют использовать относительно простой высокоимпедансный драйвер на звуковых частотах с соответственно низким током возбуждения. Они также уменьшают высокочастотное затухание благодаря резисторам R16 и R17 (330 кОм). Другое преимущество состоит в том, что транзисторы драйвера T7 и T8 не должны обеспечивать высокую мощность драйвера и, следовательно, остаются достаточно холодными даже без радиаторов. Подстроечный резистор (P1) - это все, что необходимо для регулировки тока покоя; нет необходимости в схемах стабилизации. Это связано с тем, что температурные характеристики T9 и T10 противоположны температурным характеристикам биполярных транзисторов, поэтому ток покоя является самоограничивающимся и не повышается с ростом температуры.

Драйверный каскад работает следующим образом. Схема квазидарлингтонского общего эмиттера формируется Т11 и T7, она имеет источник постоянного тока (построенный вокруг T8) в выводе коллектора вместо резистора. Ток через Т7 и Т8 определяется напряжением на R15. Это напряжение, в свою очередь, определяется напряжением на коллекторе Т6, которое состоит из напряжения базы-эмиттера Т6 плюс напряжения коллектора-эмиттера Т5 минус напряжение базы-эмиттера Т8. Результирующее напряжение на R15 составляет примерно 0,67 В, что дает ток чуть менее 7 мА. Поэтому рассеиваемая мощность Т7 или Т8 составляет всего 170 мВт при напряжении питания ± 25 В, поэтому радиаторы не нужны. Даже при напряжении питания ± 42 В транзисторы драйвера не становятся критически горячими.

Теперь давайте посмотрим на входной каскад. Транзисторы T3 и T4 образуют почти классический дифференциальный усилитель.
Коллекторы подключены к токовому зеркалу, состоящему из T1 и T2, что является элегантным способом повысить относительно низкий коэффициент усиления в разомкнутом контуре транзисторов на входной ступени. Токи эмиттера подаются через R6 и R7 от источника тока, построенного вокруг Т5 и Т6, ток которого определяется значением R8 и напряжением базового эмиттера Т6. Результирующий ток через каждый из транзисторов Т3 и Т4 составляет около 1,1 мА. Фильтр нижних частот, образованный R1 и C2, расположен перед базой T3, которая является неинвертирующим входом. Он блокирует RFI на входе и ограничивает наклон входного сигнала, что эффективно ограничивает полосу пропускания усилителя. Конденсатор C1 не пропускает на входе постоянное напряжение. Частота среза фильтра высоких частот, образованного R2 (плюс R1), составляет около 3,5 Гц, что достаточно мало, чтобы позволить граничной нижней частоте усилителя усилителя (16 Гц) в значительной степени влиять на фильтр нижних частот, образованный R11 и С6. Общее усиление определяется отношением R12 к R11, которое составляет приблизительно 22 (что соответствует 27 дБ). Токовое зеркало и источник постоянного тока отделяют входной каскад от напряжения питания и тем самым делают весь усилитель в значительной степени нечувствительным к изменениям напряжения питания. Это то, что позволяет питать несколько таких усилителей мощности от одного источника питания, который может даже быть нестабилизированным.


Рисунок 2. Схема управления реле.

Подключение реле

Когда вы включаете усилитель, требуется некоторое время (как любая цепь с отрицательной обратной связью), чтобы установить устойчивое рабочее состояние. Смещение на входе или какое-либо другое явление может генерировать переходный процесс на выходе, что приводит к отчетливо слышимому шуму. В случае громкоговорителя с большой звуковой катушкой это может привести только к неприятному шуму, но для твитера с прямым подключением это может быть смертельным. Это связано с тем, что активные громкоговорители не имеют защитного конденсатора, соединенного последовательно с твитером для ограничения передаваемой энергии. Высокочастотные динамики чувствительны, потому что они рассчитаны не на высокую непрерывную мощность, а на среднюю высокочастотную звуковую мощность типичных музыкальных сигналов, которая довольно низкая.

Поэтому для подключения динамика рекомендуется использовать реле задержки с усиленными контактами, а не подключать его непосредственно к усилителю. Задержка срабатывания реле предотвращает любые неприятности. В идеале динамик также должен отключаться раньше, чем общее напряжение питания. Это также предотвращает нежелательные последствия. Вот почему реле RE1 включено в цепь. Каждый усилитель мощности имеет свое отдельное реле.

Оно приводится в действие схемой, показанной на рис. 2. Разъем K1 просто подключается параллельно вторичной обмотке силового трансформатора. Когда питание включено, C1 заряжается быстро, а C2 - медленно, через R2. Это задерживает срабатывание реле, подключенного к K2, на несколько секунд. Когда питание отключено, энергия, накопленная в относительно небольшом конденсаторе C1, быстро расходуется реле, в результате чего напряжение на базе T1 быстро падает, поскольку D3 обеспечивает прямой путь разряда для C2. Хотя T2 (BC547B) может показаться недостаточным для работы, реле, показанному на рисунке 1, требуется только 18 мА при 25 В. Таким образом, схема управления может легко обрабатывать три реле этого типа. Вся схема настолько проста, что ее можно легко собрать на небольшом кусочке макетной платы и установить в подходящем месте.

Рисунок 3. Расположение компонентов усилителя на печатной плате.

Конструкция

Компоновка печатной платы была разработана для этого замечательного модуля усилителя, причем расположение компонентов показано на рисунке 3. Если вы используете PCB Prototyper [3] или свой собственный набор инструментов, чтобы изготовить эту двустороннюю плату [4] самостоятельно, сквозная металлизация отверстий будет отсутствовать. Это означает, что вы должны припаять выводы компонентов на обеих сторонах платы, где это необходимо и возможно. Например, есть дополнительные отверстия для керамических конденсаторов с разными расстояниями между выводами. Вы можете припаять короткие провода с обеих сторон в неиспользуемые отверстия, чтобы соединить верхнюю и нижнюю поверхности. Вы также можете установить электролитические конденсаторы, расположенные над платой, чтобы паять их выводы с обеих сторон. С готовой платой у вас нет этой проблемы, и сборка платы довольно проста благодаря использованию свинцовых компонентов (см. рисунок 4).

Рисунок 4Вид сверху на полностью собранную макетную плату.

Установка Т9 и Т10 немного сложнее. Они идут последними и монтируются непосредственно на радиатор (см. рисунок 5). На печатной плате есть соответствующие отверстия для винтов, которые крепят транзисторы. Их можно использовать в качестве шаблона для обозначения расположения отверстий, которые необходимо просверлить в радиаторе. Плата должна быть установлена как минимум на 6 мм выше радиатора. Это может быть достигнуто с помощью 5-мм металлических стоек и разделительных шайб или подходящих шпилек. Т9 и Т10 вместе с их изоляционными прокладками находятся в чуть менее, чем 5 мм над радиатором, поэтому прямой тепловой контакт между ними и печатной платой отсутствует.

После сверления отверстий в радиаторе прикрутите T9 и T10 вместе с их изоляционными прокладками к радиатору с легким давлением. После правильного сгибания проводов вы можете надеть на них плату и припаять выводы сверху. После
Сняв крепежные винты для T9 и T10 (что легко, поскольку отверстия в плате имеют диаметр 7 мм), вы сможете поднять плату вместе с транзисторами и припаять выводы снизу. После этого прикрутите плату обратно к радиатору и не забудьте винты для T9 и T10. Шайбы M3 также проходят через 7-мм отверстия.


Рисунок 5Здесь вы можете четко увидеть, как монтируются выходные транзисторы.

Первое включение

Модули усилителя рассчитаны на работу с напряжением питания ± 25 В. Самый простой способ обеспечить это - использовать силовой трансформатор с двумя 18-вольтными вторичными контурами, рассчитанными на 1,2 А (для громкоговорителей на 8 Ом). Вам также понадобится мостовой выпрямитель B40C2200 и два конденсатора фильтра, каждый из которых рассчитан на 4700 мкФ / 35 В. Этого более чем достаточно для трех модулей усилителя высокого класса. С 4-омными громкоговорителями и соответственно более высокой мощностью трансформатор должен быть рассчитан на 2 А.

Перед подключением модуля усилителя вы должны установить P1 на минимальное сопротивление. В качестве меры предосторожности рекомендуется сначала подключить модуль к подходящему лабораторному источнику питания или подключить пару автомобильных ламп на 12 В высокой мощности последовательно с проводами питания. Таким образом, если что-то пойдет не так, то у вас лампочка ярко загорится и ничего не сгорит. С замкнутым входом установите ток покоя на 90 мА. Для этого установите общий ток усилителя с отключенным динамиком на 99 мА в положительном плече питания (что соответствует току 101 мА в отрицательном плече). Если все работает и постоянное напряжение на выходе с включенным реле находится в диапазоне ± 50 мВ, все в порядке, и вы можете подключить динамик и источник входного сигнала для тестирования.

Если вместо этого вы видите более высокое постоянное напряжение на выходе, вы можете попробовать установить другой транзистор того же типа вместо T3 или T4, поскольку выходное напряжение постоянного тока зависит от разницы между их коэффициентами усиления по току, или попытаться отрегулировать значение R2. Увеличение значения снижает напряжение, и наоборот. Значения в диапазоне от 4,7 кОм до 33 кОм являются приемлемыми для R2.

Список компонентов
Резисторы
По умолчанию 0,25 Вт 1%
R1 = 560 Ом
R2 = 10 кОм

R3, R6, R7, R9, R13, R14, R15 = 100 Ом, 0,4 Вт
R4, R5 = 68 Ом
R8 = 300 Ом
R10 = 11 кОм

R11, R19 = 1 кОм
R12 = 22 кОм
R16, R17 = 330 Ом
R18 = 10 Ом 1 Вт 5%

P1 = 200 Ом многооборотный, вертикальный монтаж
Конденсаторы
C1 = 4,7 мкФ 63 В, шаг 5 / 7,5 мм
C2 = 1 нФ 63 В, шаг 2,5/5 мм
C3, C4 = 100 нФ, 100 В, X7R, шаг 2,5/5 мм
C5 = 100 нФ, 63 В, МКТ, шаг 2,5 / 5 мм
C6 = 10 мкФ 63 В, MKT, Шаг 5 / 7,5 / 10/15 мм
C7 = 100 пФ, 1000 В, MKP, шаг 5 мм
C8 = 100 нФ, 63 В, шаг 2,5 / 5
C9 = 100 нФ, MKT, 2,5 / 5 мм
C10, C11= 100 мкФ, 100 В, электролитический, макс. диаметр 13,5 мм, шаг 5 мм
C12 = 220 пФ, 1000 В, 5%, МКР, шаг 5 мм
ПолупроводникиD1,D2 = 1N5402
D3 = 1N4148
T1,T2,T11 = MPSA92
T3,T4,T5 = MPSA42
T6 = BC549C
T7 = MJE350
T8 = MJE340
T9 = 2SK1058
T10 = 2SJ162
Разное
K1, K2 = 2-х контактный винтовой клеммный блок для монтажа на печатной плате, шаг 5 мм
RE1 = реле, RT314024, монтаж на печатную плату, 24 В 1440 Ом, 1x c/o, 250 В переменного тока 16A
K3-K10 = клемма Faston, вертикальная, шаг 0,2 дюйма
T9, T10 = Изолирующая шайба типа TO-3P, например, Kapton MT Film.
Радиатор 15 мм, 1,2 К / Вт, например, SK 85/75 SA (Fischer Elektronik) Печатная плата # 130007-1 v l. L

Графики

Высококачественный усилитель был тщательно протестирован и измерен Elektor Labs. Измерения дали хорошие кривые, показанные на рисунке 6, которые свидетельствуют о высоком качестве этого усилителя.Верхняя кривая (A) показывает ширину полосы мощности при 1 Вт на 8 Ом. Она простирается от 16 Гц до более 200 кГц (-3 дБ). Передаточная функция значительно более плоская, чем у любого громкоговорителя или комнаты для прослушивания.

Средняя кривая (B) показывает процент THD + N от частоты при 1 Вт на 8 Ом. Компоненты искажения и шума минимальны на низких частотах. Искажение медленно возрастает выше 1 кГц. Тем не менее, 0,04% при 20 кГц, несомненно, отлично.

Две кривые на нижней диаграмме (C) показывают искажение в зависимости от мощности при нагрузке 4 или 8 Ом соответственно. При 8 Ом искажение возрастает выше 1 Вт. При 4 Ом нарастание начинается с того же уровня тока и, следовательно, с половины уровня мощности. Искажение быстро возрастает до более 1%, когда происходит ограничение сигнала.

Рисунок 6. Три графика измерения показывают ширину полосы (A), искажение плюс шум в зависимости от частоты (B) и искажение в зависимости от мощности (C) с 4 Ом (зеленый) и 8 Ом (синий) нагрузкой.


Разное

Если вы хотите получить больше мощности от модулей усилителя, вы можете поднять рабочее напряжение максимум до 42 В. Это дает вам хорошие 60 Вт при 8 Ом с немного более высокими искажениями. При этом напряжении резистор 1 кОм / 1 Вт должен быть подключен последовательно с каждым реле. В этом случае подходящим выбором является трансформатор с двумя вторичными обмотками 30 В / 2 А. Конденсаторы фильтра должны иметь номинальное напряжение 63 В.

Автор даже приводил в действие 4-омные динамики с напряжением питания ± 42 В, обеспечивая хорошую выходную мощность 100 Вт. В этом случае трансформатор должен обеспечивать 3 А. Даже с указанным теплоотводом это не вызывает проблем при прослушивании музыки в домашних условиях, поскольку средняя выходная мощность намного меньше пиковой мощности. Однако это не так в некоторых других случаях, таких как гитарный усилитель. Более высокая пиковая мощность в основном увеличивает динамический диапазон и повышает уровень, на котором происходит ограничение сигнала.

Печатная плата имеет два разъема для каждого напряжения питания. Это упрощает последовательное подключение цепей питания. Очевидно, что низкочастотный модуль должен быть первым в цепочке, поскольку он потребляет больше всего тока.

Источник статьи

Список литературы

[1] Конструкции усилителей мощности звука от Douglas Self
[2] Предсилитель 2012: высококачественный предусилитель DIY
[3] PCB Prototyper
[4] Веб-сайт Elektor с загрузками для этого проекта
Следующий пост

Посмотреть

Другие статьи

Комментарии0

Оставить комментарий