Мощный усилитель для наушников на основе схемы Рода Эллиотта (ESP)

Здравствуйте! Хочу поделиться с датагорцами своим скромным опытом создания телефонного усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Схема усилителя до безобразия проста, не содержит дефицитных деталей, не требует настройки, но тем не менее обеспечивает очень приличное качество воспроизведения музыки. Усилитель обладает огромным запасом мощности и способен «раскачать» абсолютно любые общедоступные головные телефоны!

Статья содержит все материалы для повторения конструкции.

↑ Вступление

Сразу откровенно скажу, что это был мой первый аудиоусилитель, а это первая моя подобная статья, и если кто-то из более опытных и знающих датагорцев увидит слабые места данного проекта, прошу сообщить мне об оных, буду премного благодарен!
Началось все с того что под новый год решил я сам себе сделать небольшой подарок, а именно наушники одной небезызвестной немецкой фирмы. Так как всю жизнь музыку я слушал либо через недорогую китайскую мультимедийную акустику либо в корейской машине, новое приобретение показалось мне просто сказкой! Музыку в новых наушниках я слушал вечера напролет. Дальше - больше, если «уши» за 50 баксов выдают такое качество звука, что если купить что-то посерьёзней, загорелся я!?
Посидев в интернете выяснил, что «серьёзные» наушники имеют сопротивление больше 32 Ом (которое я считал стандартом для всех наушников), попутно выяснил что для подобных экземпляров лучше обзавестись специальным телефонным УМЗЧ, чтобы раскрыть их потенциал. Но покупать ещё и усилитель в мои планы никак не входило. Сделаю сам, подумал я, благо моя профессия напрямую связана с электроникой.

↑ Схема усилителя

Наткнулся в интернете на сайт австралийца Р. Эллиотта Elliott Sound Products, где заинтересовался следующей простой схемой (рис.1)




Схема усилителя отвечает всем моим требованиям:
- простота;
- нет дефицитных элементов;
- возможность работы с головными телефонами любого сопротивления;
- автор обещал отсутствие фона и низкие нелинейные искажения.
Примененная пара биполярных комплементарных транзисторов BD139 (отечественный аналог КТ815Г) и BD140 (КТ814Г) в даташитах производителей позиционируются, как разработанные специально для аудио-усилителей. СтОят они копейки, звёзд с неба не хватают, но и не так плохи, особенно произведенные зарубежом. Сдвоенный операционный усилитель по умолчанию NE5532, но всеми любимый OPA2134/OPA2132 или скажем LM4562 (рекомендую), также подойдут.

↑ Сборка усилителя

Итак, со схемой я определился, следующий этап - разработка печатной платы. Чертежи печатных плат из интернета меня никогда не устраивали. А еще в голове была конструкция корпуса усилителя, в который вписывалась плата усилителя определенного размера, но об этом позже. Первый разработанный мной вариант платы казался мне очень удачным (сейчас я понимаю, что это не так, поэтому печатку не выкладываю). Плата вытравлена, вырезана, просверлены отверстия, облужены дорожки, осталось собрать все воедино (рис.2)!


Подробнее об элементной базе. Потенциометр малогабаритный для печатного монтажа с логарифмической характеристикой, специально для регулировки громкости от ALPS. Операционный усилитель NE5532P от Texas Instruments, транзисторы BD139-10, BD140-10 производства ST Microelectronics. Все электролиты Epcos на напряжение 50 В (просто было таких много), конденсаторы на входе микросхемы – мои любимые К73-16 (обожаю «военку»), все резисторы С2-33Н 0.25 ВТ, кроме тех что стоят в эмиттерных цепях, те 2-х ватные (с запасом, можно ставить на 1 Вт), диоды отечественные аналоги 1N4148 – 2Д510А (ммм… "военка") ну и китайская пленка в питании, не помню откуда выпаял. Украшение сборки - радиаторы со старых материнских плат ASUS (они здесь больше для красоты, транзисторы греются не сильно).
Элементы я по номиналам не подбирал за исключением резисторов, те с допуском в 1%.

↑ Первый пуск, корректировка схемы

Заработало сразу! А такое случается редко со схемами из интернета, по крайней мере у меня.
Собирал я все на работе, где есть цифровой 4-канальный осциллограф, генератор сигналов специальной формы, ну и конечно качественный 4-х канальный источник постоянного тока.

Всем этим оборудованием я не преминул воспользоваться, прогнал синус, полоса пропускания усилителя широкая. АЧХ линейна ~ 10 Гц до 100 КГц. Форма синуса на выходе усилителя идеальна. Ради интереса посмотрел, как усилитель справится с меандром - прекрасно, начиная примерно с 200 Гц идеально ровная "полочка"! К сожалению осциллограмм я сохранить не догадался. Самовозбуждения нет, постоянки на выходе нет (0.6 мВ, 0.4 мВ по каналам).

Можно подключать наушники! Запас громкости огромен (надо уменьшить коэффициент усиления по напряжению), есть фон, обусловленный низким сопротивлением тестовых наушников (об этом предупреждал автор схемы). Резистор на 100 Ом последовательно с нагрузкой - фон исчез как понятие (разумеется и часть выходной мощности тоже). Но усилитель работает от очень качественного источника питания, посмотрим, как будет работать от своего собственного.

Немного собственно о звуке. Сразу заметил разительные изменения в низкочастотном спектре, бас не просто стал глубже, появился объем, барабаны не то что слышно - их чувствуешь! Но в общем и целом звук мне показался абсолютно нейтральным, мониторным, как говорится. Хотя мои низкоомные наушники отлично раскачиваются встроенным смартфонным усилителем, звук этот не идет в сравнение с пропущенным через внешний новый устлитель. Однако замечу, проект разрабатывался на будущее, совсем не для этих головных телефонов!

Вроде бы работало все отлично, но мучил меня один вопрос, а именно: насколько качественно работает пара транзисторов на выходе схемы. Ведь возможные искажения могут отсутствовать из-за глубокой оос операционника? Долой ОУ тестирую отдельно выходной каскад без всякой ОС. Осцилограммы ниже:




Как видите, каскад отлично работает и смещение напряжения, создаваемое диодами, вполне достаточно для компенсации нелинейности. Я успокоился и оставил выходной каскад как есть.

Но кое-какие изменения я все же внес. Измененная мною схема приведена ниже (рис.4). Усилитель стал лучше обрабатывать сигналы сложной формы (прямоугольник, пила), по моему разумению если такие сложные сигналы будут меньше искажаться схема только выиграет (возможно я заблуждаюсь).

Уменьшил коэффициент усиления до 12, этого вполне достаточно, а искажения в теории меньше. Добавил возможность переключения между режимами низкоомная/высокоомная нагрузка (переключатель S1). Добавил возможность уменьшить полосу пропускания, впаяв конденсаторы С5, С6 (для NE5532 не требуется).
Емкость электролитов в питании увеличил. Ну и наконец, если вдруг на выходе усилителя висит постоянка > 10мВ, желательно поставить электролиты С15, С17, они заодно спасут наушники, при внезапном выходе из строя самого усилителя. На звук они если и влияют, то очень не значительно – я их точно не слышу (лучше если эти конденсаторы будут Low ESR, но и обычные подойдут).



Свою же печатку я тоже подправил, вот финальная версия - рис.5. Все транзисторы поставил под один радиатор (все равно не греются сильно), освободил место под свои доработки.


Две черные дорожки находятся с обратной стороны платы (я их вырезал ножом после травления и сверления). Плата получилась двухслойной по другому нормально не разводилось, размер 90х110 мм.

↑ Блок питания

Схему блока питания (рис.6) нашел здесь у Ti Kan. Мощность блока питания излишня для этого проекта, но я выбирал с запасом на будущее (возможно в этом же корпусе соберу другой усилитель). Никто не мешает взять трансформатор поменьше, по моим прикидкам на 5Вт самое то.


Сразу возникло несколько вопросов:
- почему нет пленочных или керамических конденсаторов в выпрямителе?
- есть ли реальная польза от конденсаторов в параллель диодам моста?
- с какой целью выбраны именно такие номиналы резисторов в обвесе стабилизаторов?
Соберу - увижу, подумал я. Ну в общем – не фонтан. Как я и думал без пленочных конденсаторов в выпрямителе никуда, конденсаторы в параллель диодам в теории снижают уровень ВЧ помех, но и без них не плохо, разницы я не заметил ни на слух, ни по приборам. А вот работа схемы включения стабилизаторов мне понравилась, надо взять на заметку. При подключении усилителя прослушивался фон 100 Гц. Не буду размусоливать свои эксперименты, конечная схема блока питания, с моими корректировками (рис.7)


Теперь блок питания меня устраивает, фон из наушников ушел. При максимальной нагрузке (1А по обоим плечам) напряжения на выходе стабилизаторов просаживаются на 10 мВ.

Моя печатка на рис. 8



Готовый к работе блок питания установленный на шасси представлен на рис.9.



Немного о конструкции. Слепыш БП изготовлен из двухстороннего 3-х мм стеклотекстолита, т.к после травления дорожек на обратной стороне осталась медная фольга, решил её не отдирать (противное занятие), будет дополнительная экранировка. Радиатор на два стабилизатора один, опять же от старой материнской платы. В правой части платы присутствует разъем для подключения голубого светодиода (для светодиодов другого цвета нужно уменьшить номинал резистора R1 см. рис. 7). Выходные напряжения выводятся через провода, впаянные непосредственно в плату (синий жгут рис. 9). Трансформатор прикручен к плате шпилькой М6. Размер платы 90х200 мм.

↑ Корпус

Как всегда самая трудоемкая часть проекта - корпус. Корпус полностью разборный (мое специфическое требование, кто работает на режимном предприятии - поймет :blush: ) изготовлен из алюминия 2.5 мм и стеклотекстолита 3 мм. К прямоугольной пластине из стеклотекстолита, служащей шасси для прибора, припаяны латунные гайки М5. К шасси 4-мя шестигранными стойками и 2-мя винтами прикручена плата блока питания (см. рис. 9). К стойкам прикручивается плата усилителя, подключается разъем от блока питания рис. 10.



Лицевая и задняя панели изготовлены из листового алюминия, согнутого на станке. Верхняя крышка выполнена из стеклотекстолита. Боковые панели из алюминия прикручиваются в конце сборки к уголкам на шасси и на верхней крышке, они образуют своеобразные ножки.
Собранный усилитель (рис. 11) получился полностью экранированным, винтовые соединения обеспечивают надежный электрический контакт между деталями корпуса. Задняя панель содержит стандартную 3-х контактную вилку от компьютерного БП, и выключатель от туда же.



Кратко опишу важные аспекты сборки.

1. Все провода скручены, а те, что идут от блока питания к усилителю экранированы (на всякий случай).
   
2. ВАЖНО! Корпус блока питания связан с шасси в одной точке, там, где прикручивается трансформатор (поэтому шпилька крепящая трансформатор латунная)
   
3. ВАЖНО! Гайки разъёмов под наушники на передней панели (на них висит сигнальный корпус) изолированы от передней панели диэлектрическими шайбами.
   
4. Вал потенциометра электрически связан с корпусом прибора, если этого не сделать при прикосновении к валу потенциометра будут наводки в наушниках.
   

Дизайн получился сдержанным. Корпус окрашен матовой черной краской из баллончика (2 шт. ушло на 3 слоя). Ручка на вал потенциометра из колпачка от духов. Все винты и торцы боковых панелей, отполированы до зеркального блеска.

↑ Заключение

Усилителем я доволен на 200%. Огромный запас мощности, полное отсутствие фона, кстати хлопка при включении тоже нет, четкое нейтральное звучание, не вносящее ни приукрашиваний, ни артефактов в звуковой тракт. Даже и не знаю, чего еще можно ждать от подобного прибора.

P.S.: Недавно поставил в свой усилок вместо NE5532, операционный усилитель LM4562, и понял что может быть и лучше. Как говорится нет предела совершенству!

↑ Дополнения от камрадов

От Вячеслава (avals), в ответ на жалобы Александра (Espumizan) в комментах о недостатках звучания:

Хорошим "противоступенчатым" средством для таких схем является включение резистора 100 - 300 Ом между выходом ОУ и выходом усилителя.

↑ Файлы

Платы усилителя и БП в Sprint Layout 6
🎁Platy.zip  48.97 Kb ⇣ 345

↑ Файлы от камрада Yanshun

Плата к оригинальной схеме Р. Эллиотта. Форматы: lay + проект DipTrace + схема картинкой.
🎁datagor.ru-headphone-amplifier-rod-elliott-esp-ot-yanshun.7z  128.59 Kb ⇣ 121

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации