Простой гибридный Hi-Fi усилитель мощности звуковой частоты

1
Простой гибридный Hi-Fi усилитель мощности низких частот.
Бубенщиков Сергей
Российская Федерация, Челябинская область, г. Челябинск, МОУ Лицей №11, 11 класс
Введение
В настоящее время существует большое разнообразие усилителей мощности звуковой
частоты. Но качественные усилители стандарта Hi-Fi стоят достаточно дорого и
доступны не всем любителям качественного звука. Цена ламповых стереофонических
усилителей мощности начинается от 30 тыс. рублей. Высокая цена представленных на
рынке усилителей обусловлена использованием дорогостоящих входных и выходных
трансформаторов, редких радиоламп.
Цель исследования: Разработать и создать стереоусилитель мощности, основываясь
на
опыте,
полученного
в
предыдущей
работе,
содержащего
минимум
воспринимаемых на слух искажений, довести его до логического завершения – ввести
в конструкцию усилителя регулятора тембра и сделать его стереофоническим
Объект исследования: Усилитель мощности звуковой частоты, воспроизводящий
звуковые сигналы без ощутимых на слух искажений.
Предмет исследования: схема гибридного лампово-транзисторного усилителя
мощности, обеспечивающее качественное стереофоническое звучание.
Гипотеза:
Основываясь
на
опыте,
полученного
при
конструировании
монофонического варианта усилителя можно сделать его стереофонический вариант,
введя в усилитель регулятор тембра, не допуская при этом существенного снижения
качества усиления звука.
Методы и приемы: изучение литературных и нормативных источников, анализ,
экспериментальная проверка идей, синтез оптимальной схемы усилителя.
Задачи:
1. Изучить нормативные и литературные источники, посвященные усилителям
звуковых частот.
2. Обосновать критерии качества усилителя с точки зрения основ теории
музыки.
3. Выбрать основные элементы усилителя, максимально соответствующие
выбранным критериям качества.
4. Разработать схему усилителя, не уступающего по качеству промышленным
образцам (ГОСТ 24388-88).
2
5. Реализовать на практике разработанную схему, и произвести оценку ее
технических параметров на основании ГОСТ-23849-87.
Изучение литературы
Первая электронная лампа, диод, была изобретена Томасом Эдисоном в 1883г. в ходе
экспериментов с лампами накаливания, а в 1906 г Ли Де Форест создал первый триод,
введя в конструкцию новый электрод – сетку (Приложение I, рис. 1, рис. 2;
Приложение II, рис. 1). Но созданный в 1947 году первый биполярный транзистор
вытеснил лампы в области вычислительной техники.
Стоит пояснить значение терминов Hi-Fi и Hi-End. Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая
точность) – стандарт радиоэлектронной аппаратуры, определяющий минимальные
значения характеристик усилителей, предусилилителей,
различных микшеров и
регуляторов, соответствующих этому стандарту. Основные стандарты: DIN 45000, DIN
45500, IEC 60581, ГОСТ 24388-88. При разработке мы опирались на российский
стандарт ГОСТ 24388-88, являющийся наиболее понятным среди представленных. HiEnd – всего лишь развитие стандарта Hi-Fi, любую аппаратуру высокого качества
можно назвать Hi-End, если они собраны вручную, редко выпускаются серийно или в
ней используются компоненты, экономически не обоснованные. Если разработанный
нами усилитель будет соответствовать ГОСТ 24388-88, то его можно будет обозначить
как High End, так как он собран вручную и, пока, представлен единственным
экземпляром.
Обоснование критериев качества звучания
Усилители имеют множество технических характеристик, но главными являются
мощность, коэффициент нелинейных и интермодуляционных искажений, отношение
сигнал/шум. Разработчики звуковой аппаратуры добиваются до 0,001% нелинейных
искажений в характеристиках своих усилителей. Эти цифры получаются путем все
большего усложнения схемы и себестоимости прибора и, как оказалось, этого вовсе
недостаточно и необязательно для качественного звучания.
Все музыкальные произведения состоят из звуков, частоты которых находятся в
последовательности, называемой темперированной гаммой. Она представляет собой
геометрическую прогрессию с шагом
12
√2 (Приложение IV, Схема 1). Нелинейные
искажения, полученные путем умножения исходного сигнала целое число раз,
3
меньшее 7, то такие искажения укладываются в натуральный звукоряд и не вызывают
диссонансов с основным сигналом. Так же происходит и со всеми четными
гармониками. Но в случае с интермодуляционными искажениями, ни одна из новых
компонент сигнала не укладывается в эту прогрессию, поэтому они всегда будут
вызывать неприятное звучание музыкального произведения.
Гармоники, неизбежно получаемые при усилении синусоидальных сигналов,
распределяются но номерам. На рис. 1 (Приложение II) приведен график, дающий
первые интересные результаты и показывающий распределение гармоник по
интенсивности. В работе Волошинова А.В. подробно описывается их влияние на
человеческое восприятие звука [1]. Гармоники под номерами 2-5 укладываются в
натуральный звукоряд и не вызывают нарушения воспроизведения звука (Приложение
IV, Таблица 1). То же самое происходит со всеми четными гармониками, так как они
являются октавными повторениями основного сигнала. Но нечетные гармоники 7,9,11
и т.д. все же влияют на качество звука не в лучшую сторону, и их появления
необходимо избежать или снизить их амплитуду до такого уровня, что будут
неразличимы на фоне основного сигнала. Однако гармоники №9, №11 очень малы
даже в усилителях среднего качества. Основной уровень искажений в большинстве
усилителей представляет гармоника под номером 7, так как остальные имеют
настолько маленькую амплитуду, что неразличимы для человека.
В прошлогодней работе, основанной на статье Креймера, мы выяснили причину
относительно плохого звучания транзисторных усилителей [3]. Ей являются
интермодуляционные искажения, появляющиеся в спектре выходного сигнала из-за
модуляции (в процессе усиления) высокочастотных компонентов низкочастотными.
Такое явление неизбежно возникает, если зависимость между входным и выходным
сигналом не прямо пропорциональна, что характерно для биполярных транзисторов,
использующихся в усилительных каскадах. В этом случае в спектре сигнала мы
получаем суммы и разности частот исходных сигналов. Также в книге «Математика и
искусство» объясняется, почему такие искажения вызывают воспринимаемые на слух
искажения звукового сигнала[1].
Для того чтобы избежать появления таких искажений необходимо использовать
усиливающий элемент с идеально прямой зависимостью усиления. В этом случае нам
идеально подходит лампа 6Н1П (Приложение II, рис. 2) и полевые транзисторы [5]. В
случае с лампой её анодно-сеточная характеристика очень приближена к линейной. Но
для правильного функционирования необходимо правильно настроить рабочую точку.
Для 6Н1П она составляет 0.7В. Это число мы получили в ходе исследования графиков
4
зависимостей тока и напряжения в лампе [5]. Полевые транзисторы, в отличие от
биполярных имеют прямую характеристику передачи, что наиболее безопасно с точки
зрения генерации интермодуляционных искажений.
Техническая проблематика
При разработке усилителя мы столкнулись с двумя проблемами:
1. Введение регулятора тембра увеличивает выходное сопротивление, что снижает
мощность
2. Наличие двух каналов может оказать взаимное проникание одного канала в другой
через общий источник питания.
В качестве первичного источника питания мы применили инвертор для галогенных
ламп мощностью 250Вт. Основные потребители тока: выходные каскады усилителей –
они
имеют
самостоятельные
выпрямители
и
сглаживающие
конденсаторы
(Приложение V, cхема 1). Тем самым мы решили проблему взаимного влияния одного
канала в другой. Бросок тока при включении его в сеть ~220В эффективно
ограничивается
модулем,
предложенным
в
2010
году
другим
участником
радиолаборатории – Бесчастновым Иваном.
Мощность усилителя, теряющаяся на регуляторах баланса и тембра, можно усилить
введением обратной связи или дополнительным выходным каскадом. Мы отказались
от идеи отрицательной связи, поэтому регулятор тембра расположен между каскадами
усилителя: усилителя напряжения и усилителя мощности. Вариант набора номиналов
деталей мы использовали из справочника [2]. Отказ от идеи обратной отрицательной
связи обоснован возможной автогенерацией сигнала в выходном каскаде усилителя и
возможными динамическими искажениями при использовании нескольких выходных
каскадов.
В исходной схеме практически вся выходная мощность первого каскада на лампе
расходовалась
на резисторах
регулятора
тембра,
устанавливающих исходное
напряжение на затворе истокового повторителя VT1. Для устранения этого эффекта
мы отделили первый каскад и регулятор тембра буферным усилителем – катодным
повторителем на триоде 6Н1П. Главным преимуществом каскада с динамической
нагрузкой на лампе 6Н1П является автоматическая балансировка, и при этом простота
сборки усилителя (Приложение VI,
cхема 1).
Заключение
Нам удалось разработать и апробировать качественный, не уступающий современным
образцам Hi-Fi усилитель. По некоторым параметрам, таким как себестоимость и
5
масса, даже превосходит промышленные аналоги. Усилитель соответствует всем
стандартам [4,5] и обеспечивает отличное качество усиления звукового сигнала.
1. Мы изучили литературу, посвященную математическому аспекту музыки и
обосновали критерии качества звучания усилителя.
2. В ходе изучения литературы также были выбраны основные элементы,
использующиеся в усилителе: электронные лампы и полевые транзисторы
3. Путём усовершенствования прошлогоднего прототипа была разработана
схема стереофонического усилителя мощности.
4. Нам удалось создать качественный, но при этом относительно дешевый и
легкий в сборке стереоусилитель мощности.
5. Проведены испытания усилителя, что подтвердило заявленные на этапе
проектирования технические параметры.
Литература
1. Волошинов А.В. «Математика и искусство». Москва, «Просвещение», 1992 г.
2. «Справочник начинающего радиолюбителя». М.-Л., Госэнергоиздат. 1963 г.
3. Креймер В. «Святая простота-2/ Креймер В//Радиолюбитель.-2008.-№8.-стр.22-25.
4. Кацнельсон В.В. «Отечественные приемно-усилительные лампы и их зарубежные
аналоги» Москва Энергоиздат 1981г. стр. 139.
5. ГОСТ-23849-87
6. ГОСТ-24388-88