четверг, 15 июня 2017 г.

Как собрать гибридный усилитель для наушников. Схема. Часть 1.

Подсвеченные лампы 6н1п в предварительном усилителе

Добрый день :)

В статье речь пойдет о гибридном усилителе для наушников. Я покажу схемы основных модулей и дам ссылки на результаты некоторых измерений, проведенных для них. Кое-что из этого уже упоминалось в более ранних записях, но не все....



Рассказывать об особенностях гибридных схем можно до бесконечности. Поэтому, для того чтобы текст не разросся слишком сильно, я буду останавливаться только на том, что сочту действительно важным, оставляя за кадром мелочи. Тем не менее, если что-то Вас заинтересует, а ответа в статье не найдется, пишите в комментариях. Я обязательно отвечу :)



Итак, начнем:

В первую очередь определимся со структурой усилителя. Как обычно, мы выбрали такую:

Структура гибридного усилителя для наушников

На входе стоит ламповый пред. усилитель: он усиливает сигнал по напряжению. На выходе - полупроводниковый буфер. Он усиливает только ток, согласуя усилитель с низкоомной нагрузкой (наушниками).

На мой взгляд, такая структура позволяет успешно объединять достоинства ламп и полупроводников. Элементы делают именно то, что у них лучше получается: лампы усиливают напряжение, а транзисторы - ток.  

Еще одно достоинство структуры: ламповый пред.усилитель и полупроводниковый буфер можно проектировать как самостоятельные, практически независимые друг от друга, функционально законченные модули. При соблюдении некоторых ограничений любой из них может быть заменен без пересмотра остальной схемы. На мой взгляд, это удобно :)



Выходной полупроводниковый буфер:

На первый взгляд выбор возможных подходов и концепций так велик, что глаза разбегаются. Но все становиться проще, если ввести несколько условий:

Во-первых, нам интересны схемы, работающие в классе А. В конце-концов, выходная мощность усилителей для наушников слишком мала, чтобы переживать из-за низкого КПД (присущего схемам в классе А). Тем более проигрыш в КПД (по сравнению с классом АВ) компенсируется более высокой линейностью. На мой взгляд, такой обмен нам выгоден.

Нет смысла гнаться за высокой эффективностью выходного буфера и по другой причине. Из-за применения в пред.усилителе ламп общий КПД усилителя все равно будет низким, а нагрев высоким. Т.е. придется оснастить усилитель мощной системой питания и попутно решить вопрос эффективного отвода тепла... На этом фоне выходной буфер, работающий в классе А, не сильно увеличит сложность и стоимость системы.

Во-вторых, выходной буфер должен быть повторителем напряжения. Усиливать напряжение ему не нужно: этим займется лампа.

В-третьих, для того чтобы полностью раскрылись возможности схемы работающей в классе А, она должна быть однотактной.... В случае усилителя для наушников единственное достоинство двухтаткных схем - более высокий КПД. Но как мы уже решили КПД нас не волнует.

В-четвертых, у трех пунктов, озвученных выше, есть не очевидное, на первый взгляд, следствие: нам совершенно не нужны ОУ. Схемы, отвечающие перечисленным требованиям, и без ОУ способны обеспечить необходимые характеристики, например, низкое выходное сопротивление, высокое входное, достаточную линейность....

Всем этим условиям хорошо соответствует схема повторителя с источником тока в нагрузке. Только строить ее нужно на составном транзисторе: иначе входное сопротивление будет недостаточным для работы от лампового пред.усилителя...

Для того чтобы выбрать, какой именно повторитель использовать, мы провели немало экспериментов с разными модификациями схемы. Рассказ о некоторых из этих экспериментов можно найти в статье "О линейности разных схем выходного буфера гибридного усилителя для наушников"

В результате собрали такую схему:

Схема выходного буфера гибридного усилителя для наушников

Напряжение питания: 24 В, ток покоя выходных транзисторов: 100 мА.

Результаты измерения спектров искажений для этого буфера, можно найти в заметке "Спектр искажений выходного буфера гибридного усилителя"

Из-за существенного (по меркам усилителей для наушников) тепловыделения и необходимости в больших разделительных емкостях, модуль получился крупным, с объемными банками электролитов и радиаторами на выходных транзисторах:

Выходной буфер гибридного усилителя для наушников в сборе

Радиаторов по мощности вполне хватает: перегрева нет. Но если вдруг появится желание увеличить ток покоя выходных транзисторов (и выходную мощность), то придется задуматься о их выносе на дополнительные увеличенные радиаторы.


Схема задержки подключения нагрузки:

У описанной схемы буфера есть одна особенность, о которой обязательно нужно упомянуть: при подачи питания конденсаторы С6 и С7 заряжаются через наушники (если они подключены) и резистор R9 до половины напряжения питания.

Это нехорошо, так как зарядные токи вызывают электрическую и механическую перегрузку наушников и рано или поздно могут их испортить. Кроме того, в момент заряда в наушниках раздается громкий щелчок. Он не приятен и вреден для наших замечательных ушей :).

Чтобы и наушники, и уши были целы, мы добавили в усилитель схему задержки. Она подключает наушники к усилителю через некоторое время после подачи питания. Если все правильно настроить, то подключение будет происходить уже после того, как емкости С6 и С7 полностью зарядятся через резистор R9.

Вот эта схема:

Схема задержки подключения нагрузки к выходу усилителя

Ничего особенного в ней нет. Как и во многих других подобных схемах есть времязадающий конденсатор (С1), который после включения начинает заряжаться. Заряжается он до некоторого порогового напряжения, после достижения которого происходит быстрое открывание ключевого транзистора (VT5), и реле включается, подсоединяя наушники к выходу усилителя.

Есть более простые схемы, решающие ту же задачу. Но мы решили сделать чуть сложнее.

Часто в простых схемах задающий время конденсатор заряжают через высокоомный резистор. Процесс проходит нелинейно: его скорость зависит от напряжения питания и уровня заряда конденсатора. К сожалению, это приводит к усложнению расчетов, снижению точности и стабильности настройки времени задержки.

Мы избавились от этих проблем, заменив резистор на источник тока (VT1, VT2, R2, R1). С источником тока скорость заряда постоянна и не зависит от внешних факторов.

Следующим шагом к улучшению схемы стало введение повторителя на транзисторах VT3 и VT4. Имея очень высокое входное сопротивление и малый базовый ток, он выполняет роль буфера, предотвращая разряд конденсатора С1 через цепи сравнения напряжения.

Так как тока разряда конденсатора С1 практически нет, то и зарядный ток может быть, при желании, уменьшен. Вместе с расширением вниз границы диапазона допустимых значений зарядного тока, увеличиваются возможности по настройке времени задержки...

Описанные изменения позволили сделать схему значительно более универсальной: с широким диапазоном регулировки времени задержки и его независимостью от напряжения питания. На мой взгляд для таких улучшений не жаль добавить в схему четыре дополнительных транзистора...

Схему задержки мы собрали и установили в усилитель. После ее настройки полностью исчезли все проблемы, связанные с щелчками в наушниках при включении питания. Для удобства схему расположили на отдельной плате. На ней же установили и входные разъемы:

Схема задержки подключения нагрузки к выходу усилителя в сборе

Кстати, время задержки выбрали почти 60 секунд... Такая пауза нужна не только для того чтобы прошли переходные процессы в буфере, но и для того чтобы лампы вышли на режим.


О ламповом предварительном усилителе:

Лаповый пред. усилитель для гибридного усилителя по режимам немного отличается от своего собрата для чисто ламповой техники. Это связано, среди прочего, с отсутствием необходимости в большом коэф. усиления, с меньшим сопротивлением и большей емкостью нагрузки (входа полупроводникового буфера).

В данном усилителе ламповый пред. усилитель - простой каскад с резистивной нагрузкой в аноде. Для увеличения тока покоя и снижения выходного сопротивления в каждом канале использована отдельная лампа 6Н1П, триоды которой включены параллельно. С этой же целью использовано довольно низкое сопротивление резистора в аноде.

Схема предварительного усилителя на лампе 6н1п

Примечание: низкое сопротивление анодного резистора также приводит к снижению коэф. усиления. Но в то же время происходит рост нелинейности каскада... Впрочем, это не имеет особого значения, так как при тех уровнях выходного сигнала, которые характерны для данного лампового пред.усилителя (до 8 В), линейность остается достаточно высокой.

Рассказывать о схеме особенно нечего. Чуть подробнее почитать о ней и некоторых измерениях можно в небольшой заметке "Ламповый пред. усилитель. Некоторые измерения" .

Размеры пред.усилителя и его компоновка выбраны для удобного совмещения с описанным выше выходным полупроводниковым буфером: ниже фото этой парочки :)

Ламповый предварительный усилитель в сборе



Продолжение следует....

В заметке я рассказал только о "звуковых" и сервисных схемах усилителя, но обошел вниманием блок питания. Сделал я это сознательно, так как решил, что он заслуживает отдельной большой статьи. В следующий раз я буду писать именно о нем.

Кстати, макет собранного усилителя выглядит так:

Гибридный усилитель для наушников

На этом, я хочу закончить статью. Спасибо за ваше внимание.

С уважением, Константин М.



Упомянутые в статье ссылки:

"О линейности разных схем выходного буфера гибридного усилителя для наушников" - в записи приведены схемы и результаты измерения спектров искажений для нескольких модификаций выходного буфера.

"Спектр искажений выходного буфера гибридного усилителя" - короткая запись с результатами измерений спектров искажений выходного буфера, выбранного для гибридного усилителя.

"Ламповый пред. усилитель. Некоторые измерения" - немного о ламповом предварительном усилителе описанного гибридного ушника.