Усилитель для наушников AKG K550. Класс А, MOSFET на выходе

Пару лет назад мой сын подарил мне головные телефоны AKG K520. У них был хороший звук, но абсолютно дебильное оголовье, которое сломалось через несколько сеансов пользования наушниками. Многочисленные попытки как-то укрепить конструкцию к положительному результату не привели.

Я имел неосторожность сообщить об этом сыну, на что он заявил, мол, папа, не проблема, и подарил мне наушники AKG K550 Mk III.
Мне такое направление его внимания зацепило душевные струны, и я решил сделать ответный ход: собрать и подарить ему усилитель для головных телефонов.

Проштудировал конструкции усилителей для наушников от разных гуру, и на лампах, и на микросхемах, и на транзисторах. Хотелось потратить минимум усилий и получить максимум результата, поэтому решил «замутить» на транзисторах. Прочитал на Датагорском сайте статью Андрея Зеленина «Усилитель для наушников "Green JLH". Класс А на трёх транзисторах», подумал и решил, что и двух транзисторов будет достаточно!
В итоге предлагаю вашему вниманию мою конструкцию.

↑ Технические характеристики усилителя для наушников

— номинальное входное напряжение: 1 В;
— коэффициент усиления: 2;
— сопротивление нагрузки: 32 Ом, не менее;
— входное сопротивление: 100 кОм;
— потребляемый ток: 350 мА, два канала;
— напряжение питания: 24 В, однополярное;
— работа в классе А.

Почему выбраны такие характеристики? В основном, исходя из информации, почерпнутой на просторах сайта reference-audio-analyzer.pro. Я многое узнал там про характеристики своих наушников, об источниках сигнала (ЦАПы) и о всяких других полезных штуках. Вот и подумалось, что так будет необходимо и достаточно!

↑ Моделирование схемы

Прежде чем начать работать руками, я все-таки провел некоторое время за моделированием, поигрался транзисторами, режимами работы для получения максимальной неискаженной амплитуды выходного сигнала и т. п. с целью минимизации нелинейных искажений и получением «красивого» спектра гармонических искажений с преобладанием 2-й гармоники.



Понимая, что бумага все стерпит, сильно не обольщался результатами, но, тем не менее, определил, что схема тонко реагирует на всякие отклонения от оптимальных значений номиналов в основном резисторов. Поэтому, для исключения неприятных последствий я использовал в схеме резисторы с 1% допуском.

Макетирование одного канала на «слепыше» показало, что в цепях питания желательно использовать электролитические конденсаторы большой емкости с низким значениям ESR, т. к. ток, потребляемый от источника питания, имеет значительную переменную составляющую, которая на проводниках, а значит и на дорожках будущей печатной платы будет создавать паразитную амплитудную модуляцию, отрицательно влияющую на сигнал.

↑ Схема усилителя на 2х транзисторах

↑ Перечень используемых элементов

↑ Фильтр питания

Я решил применить готовый импульсный блок питания. По идее электронный дроссель (VT1, VT2) вообще не нужен в такой схеме. Но я электронный дроссель оставил: это довольно эффективный фильтр пульсаций, плюс есть возможность в некоторых пределах менять напряжение питания схемы усилителя.
Применение полевого транзистора в фильтре питания обусловлено только тем, что «пусть все силовые транзисторы (VT1, VT2, VT5, VT6) будут одинаковыми»! По-моему, хорошее объяснение.

↑ Печатная плата усилителя

Поскольку я использовал покупной корпус, это определило размеры печатной платы 135×100 мм. Разводку левого и правого каналов постарался сделать насколько возможно симметричной. Для домашнего производства развёл на одном слое.

Смотри чертёж в разделе файлов.

Пробовал все доступные мне способы изготовления: лазерно-утюжный способ с использованием фотобумаги «Lomond», способ с использованием термотрансферной бумаги и способ с использованием пленочного фоторезиста.
Сразу сообщаю, что ламинатора у меня нет.

Эксперименты начались с того, что кончилась фотобумага «Lomond», а на покупку новой пачки чего-то воли не хватило, тем более, что попались статейки про термотрансферную бумагу и пленочный фоторезист. Решил попробовать новое.

↑ Термотрансферная бумага

Тонер никак не хотел держаться на меди, часть (большая или меньшая) обязательно оставалась на бумаге при любых режимах переноса.

↑ Пленочный фоторезист

Отличная технология для массового производства. Фотошаблон не меняется. Однако, если надо поправить ошибки, допущенные при проектировании, необходимо изготавливать новый фотошаблон. И опять камнем преткновения явилось отсутствие ламинатора: ну отслаивался местами фоторезист при травлении!

↑ ЛУТ на журнальной бумаге

Пришлось вернуться к классической ЛУТ, только на бумаге от женского журнала «Мери Кей», любезно предоставленного женой. Когда-то читал, что можно использовать бумагу от журнала «Лиза» и подумал, что американский журнал тоже подойдёт.

Итого, считаю фотобумагу «Lomond» лучшим вариантом, меловку от модных журналов согласен применять за неимением Ломонда.

↑ Мощность, звуковое давление, напряжения и токи в схеме усилителя

↑ О питании и звуковом давлении

Каков допустимый диапазон питающего напряжения? 12В, 15В, 18В потянет? Если да, то нужно ли менять номиналы каких-либо резисторов?
Вопрос вроде простой, а ответ на него не очень. Конечно, можно использовать источник питания с другим значением напряжения: 12В, 15В, 18В, и даже, например, 30В! Схема всё равно найдёт свою рабочую точку и будет там стоять.
Номиналы элементов при этом менять не надо.

Чем же руководствовался я при выборе напряжения питания? Это усилитель для головных телефонов. В моём случае наушники с номинальным сопротивлением 33 Ом, чувствительность средняя к напряжению: 117.85 дБ/В SPL, т. е. при подведении к ним действующего напряжения 1 Вольт создается звуковое давление 117.85 дБ.



Информация об уровнях звукового давления создаваемых различными источниками легко находится на просторах интернета.


Так что получается, что выбранные характеристики усилителя обеспечивают в пределе звуковое давление на уровне 120 дБ «почти невыносимо — болевой порог», обеспечивая при этом безопасную работу моих наушников.
При выбранном напряжении питания 24 Вольт и уровне искажений выходного сигнала не более 0,1% усилитель обеспечивает выходное напряжение (амплитудное) 3,5 Вольт.

При использовании наушников с номинальным сопротивлением 100 Ом будет гарантирована подводимая мощность к наушникам 75 мВт, что тоже немало.

Для наушников с сопротивлением 600 Ом этот усилитель, наверное, не подойдет, хотя, если бы у меня были такие наушники, я бы и в этой схеме заставил их работать по максимуму.

Опережая возможные вопросы о напряжениях, токах и мощностях в схеме привожу картинки из модели с соответствующими данными. Надо сказать, что они достаточно точно соответствуют реальным значениям — напряжения во всяком случае.

↑ Напряжения в схеме

↑ Токи в схеме

↑ Мощности в схеме

↑ Заказ деталей и корпуса

Трудился по двум направлениям: разработка схемы и разработка конструкции. Если по первому направлению я ещё что-то соображаю, то по второму мои способности более чем скромные. Поэтому я не стал ломать голову над конструкцией, а сразу заказал у китайских товарищей корпус, заточенный под усилитель для головных телефонов подходящего размера, регулятор громкости, гнездо подключения телефонов и пр.

	Алюминиевый корпус для усилителя головных телефонов Очень симпатичный корпус! Внутренний размер 135×230×48 мм. Передняя панель толщиной 8 мм. В комплекте резиновые ножки, алюминиевая ручка, выключатель питания, разъём питания, винты.
	Импульсный блок питания 24 Вольт, 1 А Вход: AC 100-265 V 50/60Hz Выход: DC 24 В 1A Защита от короткого замыкания, защита от перегрузки, защита от перегрева.
	Потенциометр RH2702, клон ALPS RK27 Металлический вал 6 мм, 8 pin (отводы для тонкомпенсации), зубчатая накатка под ручку.
	Разъёмы RCA на панель Есть попроще, есть подороже. Все вполне применимы.
	Розетка для наушников 1/4" (6,35 мм) Монтаж в плату и/или на панель
	Свёрла для плат из карбида вольфрама Наборы от 0.3 мм до 1.2 мм и более. Отлично берут стеклотекстолит, долго не тупятся. Диаметр хвостовика: 3,175 мм (1/8''). Общая длина: 38 мм.
	Экструдированные радиаторы Размер: 25×35×12 мм. Для корпусов TO-220.
	Транзисторы BC807-40 (5C) SOT-23 PNP 45V 500mA
	Фольгированный текстолит Односторонний, разные размеры кусков.
	Термотрансферная бумага для ЛУТ Берите целыми листами А4, не свёрнутыми в рулон.
	Трубчатый припой Mechanic с флюсом внутри Хороший припой. Для тонких работ берите 0,5 мм. Доступен в диаметрах от 0,3 мм до 1,5 мм. Точка плавления 185°С. Хорошо смачивает. Блестит.

Отдал определенную сумму денег, и понял, что поступил правильно! Самому такую красоту на родине за такие деньги не сделать. Осталась на мне печатная плата, но это мы более-менее делать умеем!

↑ Теплоотводы

Мощности на полевых транзисторах модель не считает, но они просто считаются через падения напряжения на них и токи, и примерно составляют Р=0,9 Вт. Отсюда вывод, что для них необходимо использовать теплоотводы.
Я применил упомянутые выше. Каждый из этих радиаторов может рассеять тепловой мощности Р = 1.2 — 1.4 Вт, проверено моим тестером теплоотводов. Поскольку корпус закрытый, я принял коэффициент нагрузки К = 0.3 — 0.5. Это касается и мощностей силовых резисторов, поскольку при коэффициенте нагрузки 0.7, к резисторам притронуться нельзя — горячие сильно! И на плате я их расставил подальше друг от друга.
Даешь на каждый силовой компонент поменьше тепла!

↑ Источник питания

В качестве источника питания решил использовать покупной китайский импульсный источник питания 24В, 1А.

Ждал долго, посылка один раз уходила обратно в Китай, т. к. китайские товарищи в целях экономии выбрали способ пересылки отправлений без уведомления, а наша почта молчала, как рыба об лёд. Уведомление почта в итоге высылала, и примерно такого содержания: «срок хранения отправления истек, отправление отправлено обратно в Китай».

Конструктивно я поместил источник питания на планку из стеклотекстолита размерами 135×40 мм и толщиной 1,5 мм. Т.к. ответных частей разъемов китайцы в посылку не кладут, то я выпаял установленные в модуль питания разъемы и припаялся проводами прямо к дорожкам.

↑ Проверка параметров ИБП

Всё-таки получить вожделенный заказ удалось, при этом хотелось убедиться, что модуль соответствует заявленным характеристикам и обеспечивает выходное напряжение 24 В при токе 1 А. Хотелось увидеть также уровень пульсации выходного напряжения.

Здесь меня выручил разработанный и изготовленный ранее приборчик под названием «Тестер теплоотводов». Я включил его в качестве нагрузки к купленному источнику питания, установив ток нагрузки 0,5 А. Частота преобразования оказалась около 40 кГц, что выходит за диапазон слышимых частот, а пульсации выходного напряжения на этой частоте и этом токе были в размахе около 10 мВ. В первом приближении это меня полностью устраивало.

↑ Сборка усилителя

Больше всего хлопот доставили работы, связанные с изготовлением печатной платы.
Собрал. Вот что в конце концов у меня получилось.

Не обошлось без накладок: неправильно разметил положение потенциометра ALPS.
Чертежа лицевой панели корпуса не было, размеры пришлось снимать самому. И я ошибся с потенциометром, сдвинул разметку для него на плате на 5 мм вправо, считая от осевой линии. Обнаружил сей факт уже после того, как протравил плату.

Переделывать не стал, с новой технологией намучился.
Спасло то, что заготовка платы была размером 150×100, а итоговая плата должна была иметь размеры 135×100, и по счастливой случайности я перенес рисунок на плату по центру заготовки. Решил установить потенциометр на плату как есть, а контур платы сдвинуть в нужную сторону (т.е. вправо) и плату обрезать по месту корпуса. Разъем телефонов пришлось припаять на проводах.
Вот так и получилось, что неправильно разведен ALPS, а «пострадал» JACK.
Трассировку платы, каюсь, не правил — двигайте под себя.

↑ Борьба с фоном

Включил, выставил подстроечным резистором R1 на фильтрах питания напряжение питания усилительной части U=18 В.

Имею жуткий 50-герцовый фон. Стал разбираться, оказалось, забыл соединить землю ALPSа с землей схемы, пришлось бросать перемычку. Фон снизился, но ненамного.
Кардинально помогло соединение корпуса ALPS и, соответственно, корпуса всего усилителя с общим проводом схемы.

Очень важным оказалось использовать хорошо экранированный провод от потенциометра до входных гнезд RCA «тюльпан». И межблочный кабель тоже должен быть хорошо экранирован.

↑ Итоги

Включил, слушаю, не утомляет, нравится. Позже, может быть, сниму характеристики. Послушаю с другими наушниками, дам другим послушать.

На усилителе понравится лежать коту: внутри около 8 Ватт тепла, снаружи корпуса градусов 35С.

↑ Файлы

🎁Платы в формате .lay6  36.75 Kb ⇣ 69

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации