Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-1. Улучшаем УМЗЧ Питера Смита

В заключительной пятой части проекта проведем серию экспериментов по улучшению потребительских свойств усилителя мощности звуковой частоты. В свою очередь, эта часть проекта состоит из пяти частей, сгруппированных по принципу: одна схема (техническое решение) - одна публикация.
По сути, предлагается ряд вариантов усилителя мощности с разной идеологией построения и по – разному звучащих. Звук каждого из них завораживает!

↑ Стремимся к лучшему

В предыдущих статьях мы рассмотрели сборку усилителя Питера Смита. Пришло время его улучшить! Посмотрите на рис. 1: на нём красным цветом указаны направления деятельности по улучшению качества звучания и надежности.

Усовершенствования коснулись следующего:
• На входе установлен разделительный конденсатор С1 высокого качества – пленочный полистирольный (К71), полипропиленовый (К78) или в крайнем случае металлопленочный полиэтилентерефталатный (К73);
• Интегратор DA2, R8 – R10, C3, C13 в цепи обратной связи [1];
• Цепь Буше (L1, R11);
• Диоды VD1, VD2 для защиты выходного каскада микросхемы DA1.

Рассмотрим подробнее каждое из предложенных усовершенствований усилителя.

Разделительный конденсатор на входе. Отлично показали себя полипропиленовые premium конденсаторы для аудио с датагорского магазина 1,0uF x 250V, 5%.
Прекрасные результаты в плане звучания усилителя дали отечественные фольговые металлизированные полипропиленовые конденсаторы К78-2 и высокочастотные металлопленочные полипропиленовые конденсаторы К78-19.
Неплохие результаты получены с металлизированными полипропиленовыми конденсаторами CBB21-CBB22 (MPP).
Металлопленочные полистирольные конденсаторы К71-4 оказались менее доступными, к тому же их пришлось включать параллельно, но по звуку они практически не уступают полипропиленовым конденсаторам.
Полиэтилентерефталатные «народные» конденсаторы К73-17 в тестировании оказались на последнем месте.

Интегратор в цепи обратной связи (сервопривод). Кроме основной функции – поддержания нуля на выходе, интегратор обеспечивает низкое выходное сопротивление на низких и инфранизких частотах, что улучшает демпфирование низкочастотных громкоговорителей в акустических системах.

Включение интегратора в цепь обратной связи усилителя повышает порядок передаточной функции, превращая его в фильтр высокой частоты второго порядка с параметрами:


где KU - коэффициент усиления усилителя, fР – частота среза, Q – добротность фильтра.
Как указано в [2], при величине Q>0,707 АЧХ усилителя имеет выброс в области низких частот, что нежелательно. Следует выбирать номиналы С1, С3, R2, R9 таким образом, чтобы обеспечить величину Q≤0,5. Указанным на схеме номиналам соответствуют Q=0,48 и fР=1,6 Гц, при которых обеспечивается монотонный спад в области низких частот.

Для удобства испытания макета интегратор на ОУ DA2 размещен на небольшой отдельной печатной плате (рис. 2).

В нем применены резисторы МЛТ, С2-2, С2-14 мощностью 0,125-0,25 Вт или импортные. Оксидные конденсаторы С9, С11 (100/25V 0511, +105°C), пленочные С10, С12 (0,1/100V МКТ) также импортные. Конденсаторы С3, С13 типа К73-17 на рабочее напряжение 63 В.

Соединения платы интегратора с усилителем мощности выполнены проводом МГТФ.

Цепи Зобеля и Буше. Для предотвращения неустойчивой работы усилителя на комплексную нагрузку применяют цепи Зобеля и (или) Буше. Первая цепь состоит из последовательно включенных конденсатора емкостью 0,01…0,47 мкФ и резистора сопротивлением 1…10 Ом. Эта цепь шунтирует на общий провод выход УМЗЧ.

Многие усилители вообще не могут устойчиво работать без цепи Зобеля. Чтобы избежать перегрева резистора при воспроизведении фонограмм с большим содержанием высоких частот, его рассеиваемая мощность выбирается в пределах 1…4 Вт.

Цепь Буше позволяет повысить стабильность работы усилителя, компенсируя емкость нагрузки и (или) акустических кабелей. Значения индуктивности обычно находятся в диапазоне 1…10 мкГн.

Следует особо подчеркнуть, что катушка индуктивности не должна содержать сердечник, поскольку через нее протекают большие токи, неминуемо приводящие к насыщению большинства материалов сердечников.

Для предотвращения паразитного «звона» при емкостных нагрузках добротность катушки уменьшают, шунтируя ее резистором сопротивлением 5…10 Ом (мощностью 1…2 Вт).

В исходной схеме применена только стабилизирующая цепь Зобеля R7, C4. В нашем случае на выходе усилителя дополнительно установлена цепь L1, R11, эффективно изолирующая выходной каскад микросхемы от паразитных воздействий нагрузки (акустической системы).

Эта простая мера ощутимо улучшает звучание усилителя. Резистор R11 является демпфирующим и позволяет ограничить добротность последовательного контура L1 – емкость акустической системы.

Для желающих продолжить эксперименты можно рекомендовать установить еще одну RC – цепь Зобеля R12, C14 после катушки индуктивности (рис. 3).



В выборе элементов поможет таблица 1. В процессе прослушивания полезно изменять приведенные в таблице значения сопротивлений резисторов на ±(25…35)%.


На рис. 4 показан результат дальнейших экспериментов. Вместо цепи Зобеля включена цепочка Тиля L1, R11, C4. Указанные элементы служат для предотвращения самовозбуждения УМЗЧ, а также эффективно изолируют выход усилителя как от индуктивной и емкостной составляющих комплексной нагрузки в ультразвуковой области, так и от радиочастотных наводок в акустических кабелях.



Ограничительные диоды VD1, VD2, присоединенные в обратной полярности между шинами питания и выходом усилителя, полезны во всех случаях. Их назначение заключается в подавлении выбросов напряжения, вызванных нагрузкой с большой индуктивной составляющей и тем самым, защите транзисторов выходного каскада. Обычно в качестве диодов рекомендуют выпрямительные диоды общего применения, скажем, 1N4001…1N4007. Однако я на практике убедился, что лучше использовать быстродействующие диоды, например КД212, SF56, HER508.

↑ Полная схема улучшенного УМЗЧ

Положительные результаты экспериментов подвигли меня к разработке законченной конструкции УМЗЧ, схема которой показана на рис. 5. Конструкция является продуманным балансом простоты, надежности, стабильности и качества звуковоспроизведения.



Входной сигнал через RC – фильтры верхних частот R2, C1 и нижних частот R3, C2 поступает на неинвертирующий вход микросхемы усилителя мощности звуковой частоты DA1.

Цепь L1, R10, C5 обеспечивает устойчивость усилителя при работе на реальную нагрузку. На звуковых частотах реактивное сопротивление катушки индуктивности L1 мало, а конденсатора С5, наоборот, велико, поэтому они не оказывают влияния на работу акустических систем.

На ультразвуковых частотах повышение импеданса катушки L1 изолирует усилитель от емкостной, а снижение реактивного сопротивления конденсатора С5 защищает от индуктивной составляющей нагрузки.

Радиочастотные наводки с акустического кабеля, являющегося антенной, также не пропускаются в цепь общей ООС УМЗЧ элементами C5, L1.

Резистор R10 ограничивает добротность последовательного контура L1, C5.

На ОУ DA2 выполнена схема поддержания нуля на выходе УМЗЧ по постоянному току.

Фильтр нижних частот R9, C4 с инфразвуковой частотой среза 0,03 Гц пропускает на неинвертирующий вход ОУ практически только постоянное напряжение смещения, которое сравнивается с нулевым на заземленном инвертирующем входе ОУ и интегрируется цепью R8, C3. Это медленно изменяющееся постоянное напряжение через резистор R5 подается для компенсации на инвертирующий вход УМЗЧ DA1.

Точность поддержания нуля на выходе DA1 определяется статическими параметрами ОУ DA2 и составляет единицы милливольт.

Коэффициент передачи УМЗЧ по напряжению, как и прежде, определяется отношением резисторов цепи ООС R6 и R4. Благодаря интегратору на ОУ DA2 отпала необходимость в оксидном конденсаторе, включаемом последовательно с резистором R4. Последнее благоприятно отражается на воспроизведении усилителем низких частот.

Операционный усилитель DA2 питается от отдельного двухполярного стабилизатора напряжения, размещенного на печатной плате усилителя. Он выполнен на маломощных стабилизаторах напряжения положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности по типовой схеме.

Замечу, что для надежной работы стабилизаторов DA3, DA4 в аварийных ситуациях, когда закорачивается питание усилителя, емкость конденсаторов С7, С8 должна находится в пределах 10…22 мкФ. Предпочтительны оксидные конденсаторы с малым импедансом и большим сроком службы.

↑ Детали, монтаж и налаживание

Катушка L1 мотается на оправке диаметром 10 мм и содержит 13 витков провода ПЭЛ, ПЭВ диаметром 1,0 мм. Резистор R10 находится внутри катушки L1.



Размещение деталей на печатной плате показано на рис. 6.


Монтаж деталей на печатной плате не вызовет трудностей, если соблюсти определенную последовательность сборки. Сначала монтируют резисторы. Учитывая, что в своем большинстве они имеют цветовую маркировку, полезно перед установкой резистора на печатную плату проверить его сопротивление тестером.

Затем устанавливают проволочную перемычку, панельку для микросхемы DA2, микросхемы, конденсаторы, клеммники и элементы L1, R10.

Проверяют монтаж, обратив особое внимание на правильность установки на печатной плате микросхем и оксидных конденсаторов. Целесообразно провести визуальный контроль пайки, выявить и устранить непропаи, перемычки из припоя, дефекты установки элементов.

Закрепляют микросхему DA1 на радиаторе, подсоединяют провода к клеммникам и производят первое включение усилителя.
При отсутствии «сюрпризов» проверяют наличие питающих напряжений ±15 В на выходах микросхем стабилизаторов DA3 и DA4, «ноля» на выходе усилителя; далее подсоединяют акустические системы, источник сигнала и слушают музыку.

↑ Файлы

Печатная плата усилителя в Спринте:
🎁Part_5-1.7z  16.46 Kb ⇣ 291 [26-05-2014] Перекачайте архив, поправлена ПП!

↑ Упомянутые источники

1. Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ // Радио, 1987, №12, с. 40 – 43.
2. Лозицкий С. УМЗЧ с токовой обратной связью // Схемотехника, 2003, №2, с. 12 – 16.

↑ Дополнение по цепям защиты интегратора

Учитывая, что напряжение питания усилителя мощности превышает напряжение питания интегратора, выполненного на ОУ DA2, целесообразно позаботиться о защите его входа.

Варианты организации защиты показаны на рис. 1.
Схема защиты с двумя встречно-параллельными диодами (рис. 1 "а") ограничивает напряжение на неинвертирующем входе на уровне ±0,6В.
На рис. 1 "б" показана схема защиты с резистивным делителем R11, R12. Выбираем R11, R12 << R9, а коэффициент деления R12/(R11+R12) равным 0,3…0,5.
Можно упростить схему защиты, включив делитель непосредственно к входу ОУ DA2 (рис. 1 "в").
Схема защиты с делителем предложены Игорем (AudioKiller), за что ему большое спасибо.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации