Трехканальный стереоусилитель /1977 г./
 

Трехканальный стереоусилитель

Ю. Макаров

Сконструировать и построить стереофонический усилитель мощности, обеспечивающий минимальные искажения, применяя доступные, дешевые промышленные детали,— вот цель, которую ставят перед собой большинство радиолюбителей. В состав звуковоспроизводящего тракта такого усилителя должны входить звуконоситель (магнитофильм или грампластинка), считывающее устройство (магнитная головка магнитофона или звукосниматель ЭПУ), механизм транспортирования ленты (или вращения диска ЭПУ), устройство коррекции частотных характеристик, усилитель мощности, акустические системы, а также помещение для прослушивания музыкальных программ.

Оптимальная выходная мощность усилителя для создания в средней жилой комнате необходимого звукового давления [21, 24J должна быть равна 15—20 Вт синусоидального сигнала (20—25 Вт музыкального) [8, 9], Существует большое количество схемных решений, позволяющих относительно просто получить такую мощность. Но нельзя при этом забывать о качестве сигнала [19], определяемом шумами, динамическим диапазоном, нелинейными и интермодуляционными искажениями [6, 8, 12, 23]. Получение достаточно широкополосного сигнала (20—20 000 Гц) с малыми нелинейными искажениями относительно просто, но весьма трудно достичь малых интермодуляционных искажений, возникающих вследствие неизбежного взаимодействия близстоящих по частоте сигналов (или сигналов и шумов) [18]. Интер-модуляиионные искажения придают основному сигналу неприятную окраску, появляются заметные хрипы, теряется сочность, звонкость, прозрачность, разборчивость тембров отдельных музыкальных инструментов [19]. Кроме того, получение сигнала с малыми нелинейными искажениями в широкополосном усилителе связано с использованием элементов, имеющих высокие граничные частоты, малый уровень шумов, большой динамический диапазон [6, 11, 12]. Такие элементы дефицитны и дорогостоящи, что создает трудности их взаимной замены и повышает стоимость усилителя.

Разделение сигнала по частоте (после каскадов предварительного усиления) на несколько полос и осуществление усиления раздельными усилителями, каждый из которых нагружен на собственную динамическую головку, упрощает принципиальную схему и настройку усилителя и позволяет получить неплохие результаты звуковоспроизведения. Причем предпочтительнее всего оказывается разделение спектра на три полосы. В этом случае ширина каждой полосы довольно мала, что облегчает настройку, введение отрицательной обратной связи (ООС) без нарушения устойчивости и позволяет осуществлять глубокую регулировку тембров без ухудшения параметров усилительного тракта. Обычно регуляторы тембров (РТ) построены по схемам частотно-зависимой ООС, поэтому при подчеркивании тех или иных частот происходит одновременное ухудшение качества воспроизведения этих частот из-за снижения ООС. Глубина регулировки в таких темброблоках не более ±12 дБ, они содержат много деталей и склонны к самовозбуждению.

В случае трехполосного сквозного тракта воспроизведения звука регуляторы тембров превращаются в регуляторы уровней только в данной полосе, а глубина регулировки тембра зависит лишь от динамического диапазона потенциометров, т. е. равна около 40 дБ. Такую глубину регулировок тембров не имеют даже лучшие (и дорогостоящие*) отечественные и зарубежные усилители.

Создание трех селективных (каждый в своей полосе) усилителей относительно несложно. Выделение же трех полос требует сначала определения частот раздела, а затем оптимальной реализации фильтров [8, 17, 18, 19].

Опираясь на теорию акустики и музыки, учитывая существующие схемно-технические решения, первая частота раздела должна лежать в диапазоне 300—500 Гц, вторая — 4, 0—5,0 кГц.


В предлагаемой конструкции использованы RC фильтры третьего порядка с крутыми срезами. В дополнение к фильтрам в каждой полосе усиления имеется частотно-зависимая ООС, линеаризирующая характеристику усилителя своей полосы и снижающая взаимопроникание сигналов разных полос [5, 10, 11, 20]. Две последовательные ступени селекции по частоте обеспечивают повышенное затухание между каналами.

Второй особенностью предлагаемого усилителя является наличие регулятора тембра средних частот (РТСЧ). При прослушивании звуковой программы этот регулятор позволяет выделить более выпукло «провалившуюся» часть музыкального образа, увеличить сочность и прозрачность звучания. В эстрадной музыке, где основная часть звуковой энергии сосредоточена в диапазоне частот от 800 до 1500 Гц [19], посредством этого регулятора удается несколько смягчить характер звучания, если при записи программы чрезмерно выделены солисты и подавлены сопровождающие инструменты.

Регуляторы тембров низкочастотной (РТНЧ) и высокочастотной (РТВЧ) полос дают возможность при любых, даже минимальных, уровнях громкости слышать полноценное звучание, так как глубина регулировок на частотах 100 и 10 000 Гц достигает по напряжению от 0,02—0,05 до 3,6—4,0 В, т. е. 80—180 раз, что составляет 38—48 дБ. Надо заметить, что пределы регулировки снизу ограничены лишь первым скачком изменения сопротивления потенциометра, а сверху — мощностью полосового усилителя. Такая глубина регулировок в диапазоне от 20 до 500 Гц и от 3,5 до 20,0 кГц позволяет весьма точно следовать кривым равной громкости (псо-фометрической функции) при любом возможном уровне звучания [6, 8, 19, 21, 24]. Приведенные на рис. 1 амплитудно-частотные характеристики наглядно подтверждают сказанное.


Другой особенностью предлагаемого усилителя является принцип компоновки аппарата. Во-первых, выбран навесной монтаж, позволяющий осуществлять изменения в схеме, применять детали почти любых типов и габаритов, а также допускающий многократные перепайки в процессе настройки и экспериментов. Кроме того, навесной монтаж имеет меньшие паразитные связи [4] и трудоемкость по сравнению с монтажом на печатных платах при малых тиражах изготавливаемой аппаратуры.

Во-вторых, в отличие от большинства известных усилителей в конструкции нет жгута из соединительных проводов. Единственными проводниками в блоке усилителя, имеющими максимальную длину до 30 см, являются провода накала, анодного питания ламп и (до 15 см) провода к выходным разъемам. Все остальные соединения в подавляющем большинстве выполнены непосредственно выводами самих элементов схемы.

Все регуляторы (тембров, громкости, баланса) и селектор входов установлены по месту монтажа, а их оси удлинены и выведены на лицевую панель.

Далеко не каждый радиолюбитель располагает достаточной технической базой для изготовления ручек сложной конфигурации, многие испытывают затруднения при нанесении надписей на стекле или металле. Обычно радиолюбитель может выполнить жестяные работы, сделать конструкцию из стали или дюралюминия, использовать узлы заводского производства для коммутации и управления. Это тоже учтено при проектировании настоящего усилителя.

Вся конструкция выполнена из мягкой стали толщиной 1 мм, являющейся электромагнитным экраном [4], что позволило простыми средствами значительно уменьшить возможные паразитные связи, наводки и фон. Усилители и выходные трансформаторы разделены стальными экранами и закрыты стальными крышками. Эти меры значительно увеличили переходное затухание между каналами и полосами и уменьшили возможность самовозбуждения. Размещение деталей на шасси показано на рис. 2.


В качестве активных элементов в усилителе применены радиолампы по той причине, что транзисторы и микросхемы создают больший уровень собственных шумов, особенно в верхней части звукового диапазона. Кроме этого, применение полупроводниковых приборов вызывает необходимость увеличения числа каскадов усиления, усложняет блок стабилизированного питания, требует применения радиаторов к выходным транзисторам и, наконец, приводит к необходимости обеспечения защиты выходных транзисторов от замыканий в нагрузке и защиты обмоток динамических головок от сгорания при неисправностях в выходных каскадах (в бестрансфор-маторных схемах). При единичном изготовлении в домашних условиях транзисторный усилитель аналогичного типа более трудоемок и выше по стоимости. Кроме того, музыкальный сигнал, носящий обычно динамический, многопиковый характер [19, 20], вызывает в транзисторных усилителях резкие смещения рабочих точек характеристик транзисторов из-за недостаточности динамического диапазона последних. Увеличение динамического диапазона транзисторных каскадов требует увеличения силы начального тока транзисторов, а это ведет за собой возрастание шумов (и без того значительных). Особые затруднения вызывает отбраковка комплементарных пар выходных транзисторов. Применение же транзисторов однотипной проводимости означает усложнение фазоинверсного каскада и требует большего количества деталей.

В широкополосном транзисторном усилителе проблема ООС противоречива. Стремление к уменьшению спадов характеристики по краям диапазона, увеличению термостабилизации и линеаризации характеристики транзисторов заставляет увеличивать обратную связь [11, 12, 16]. В то же время ограниченная реакция усилителя по цепи ООС вызывает его перегрузку, резкое возрастание нелинейных и интермодуляционных искажений [11, 12]. Тогда приходится уменьшать глубину обратной связи и применять на выходе редкие и дорогие высокочастотные транзисторы. Чрезмерное же расширение полосы пропускания ведет к возбуждению усилителя на СВЧ, что вызывает хриплость звука [12, 18]. Высокочастотные транзисторы выпускаются в первую очередь с параметрами, нужными в их основном режиме использования, и имеют ненормированный уровень шумов на низких частотах [15, 22, 23]. Эти шумы, взаимодействуя с полезным сигналом, вносят интермодуляционные искажения [18]. Конечно, в трехполосном усилителе в полосе НЧ можно применить транзисторы с низкой граничной частотой. Но в СЧ и ВЧ полосах это не удастся. Такое решение еще более увеличит номенклатуру деталей и без того дефицитных.


Ламповый вариант усилителя не требует отбраковки деталей, имеет меньше каскадов и деталей вообще, выпрямитель прост и не требует налаживания, себестоимость относительно мала, настройка не вызовет трудностей даже у радиолюбителей средней квалификации. Масса, габариты и энергопотребление не являются определяющими факторами в стационарных высококачественных усилителях [6, 14].

Принципиальная схема усилителя (одного канала) показана на рис. 3.

Стерео- или моносигнал, поступивший на один из выходов Ш2—Ш5У подается через селектор входов В1, на лампу Л1У включенную по схеме катодного повторителя, имеющего большой динамический диапазон. Сигнал усиливается по мощности, поступает на дискретный регулятор усиления ВЗ [1, 2, 5, 20]. Затем сигнал усиливается каскадом на лампе Л2 с регулятором баланса (R22) в цепи катода. С анодной нагрузки лампы Л2 сигнал попадает на фильтры Z1 и Z2, где и происходит первая селекция по частоте. Через фильтр низших частот Z1 сигнал с частотами от 20 до 400 Гц поступает на лампу Л39 усиливается и через РТНЧ (R31) поступает на фазоинверсный каскад, собранный по схеме с катодной связью на лампе Л4 (Л5). Такая схема имеет большую симметрию плеч и стабильность параметров, коэффициент усиления 2 и большой динамический диапазон, легко настраивается [1, 13, 20].

Далее сигнал попадает на управляющие сетки ламп Л6, Л7 (Л8, Л9), включенных по традиционной схеме ультралинейного двухтактного усиления с выходным трансформатором Т2 (Т5) от радиоприемников «Симфония» или «Фестиваль», «Минск», магнитофонов «Днепр-11», «Днепр-12», «Днепр-14» [5, 6, 10, 16].


Через фильтр средних и высоких частот Z2 сигнал с частотами от 400 до 20 000 Гц поступает на промежуточный каскад усилителя на лампе Л10, компенсирующий потери в фильтре Z2. Усиленный сигнал вторично селектируется фильтрами средних (Z3) (400—4000 Гц) и высших (Z4) частот (4000—20 000 Гц). Далее сигналы в каждой полосе соответственно попадают на лампы ЛИ и Л15, регулируются потенциометрами РТСЧ (R69) и РТВЧ (R87), усиливаются лампами Л12 и Л16, после чего поступают на оконечные лампы Л13 {Л 14) и Л17 (Л 18), включенные по ультралинейной однотактной схеме с выходными трансформаторами ТрЗ (Трб) и Тр4 (Тр7) от приемников «Урал-110», «Ригонда», «Факел», реверберационной приставки «Эхо» [5, 6, 10, 17].

Оконечные каскады всех полос особенностей не имеют и настраиваются обычным путем.

Отрицательные обратные связи, подаваемые с вторичных обмоток выходных трансформаторов, отличаются глубиной и частотными свойствами, определяемыми параметрами емкостей и резисторов R50, R51, С20, R78, R79, С38, R97, R98, С47.

При соответствии номиналов применяемых деталей номиналам, указанным на схеме, усилитель будет работать сразу (если в конструктивной части не окажется ошибок, проявляющихся при перекомпоновке деталей и узлов).


Настройка усилителя традиционная: от выходных каскадов каждой из полос к входным. Особенностью является только применение трех разных частот для настройки каждой полосы: 100 Гц — для полосы НЧ; 1000 Гц — СЧ, 10 000 Гц — ВЧ. Каскады на Л1, Л2 я ЛЮ настраивают на частоте 1000 Гц. В каждой полосе после настройки усилителя надо правильно сфазировать и подобрать глубину ООС. Режимы ламп по постоянному и переменному току указаны в табл. 1 и 2.

С катодной нагрузки лампы Л1 входной сигнал может быть подан на вход стереомагнитофона через гнездо В связи с тем, что монофонические программы вытесняются стереофоническими, усилитель не имеет отдельного переключателя «моно/стерео», но при подаче монофонического сигнала на Ш5 и установке переключателя В1 в положение 4 происходит замыкание входов левого и правого каналов (3 и 5 лепестки гнезда Ш5 соединены между собой). В этом случае с разъема Ш1 снимается моносигнал. В тех же случаях, когда нужно записать стереофоническую программу на монофонический магнитофон, то через стандартный соединительный кабель стереосигнал нужно подать на гнездо Ш5.


Такой способ перевода усилителя из режима «стерео» в режим «моно» позволил не устанавливать отдельного переключателя этих режимов, упростить композицию передней панели усилителя, уменьшить длину соединительных проводов и паразитные емкости.

Блок питания выполнен в отдельном съемном стальном кожухе, соединенном с блоком усилителя четырьмя винтами М4.

Особенность состоит лишь в применении для каждого канала отдельных дросселей (от телевизора «Ре-корд-Б») и конденсаторов фильтра выпрямителя в целях улучшения развязки левого и правого каналов по анодному питанию. Силовой трансформатор от телевизора «КВН-49», «Рубин-102» или «Экран», «Т-2», т. е. любой, дающий 290—310 В переменного тока на вторичной обмотке. Мощность по первичной обмотке— 180—200 Вт. Данные трансформаторов помещены в табл. 3.

Нити накала первых двух ламп подогреваются постоянным током, каждая через отдельный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром [2, 4, 7].

Акустические системы должны иметь не менее трех динамических головок прямого излучения. Экспериментально проверялось применение головок с сопротивлением постоянному току от 2 до 15 Ом в полосе НЧ, от 4 до 10 Ом в полосе СЧ и от 4 до 12 Ом в полосе ВЧ без переделки выходных трансформаторов и изменения обратной связи. В зависимости от степени согласования с нагрузкой изменялась отдача динамических головок без существенных качественных различий. Большая глубина регулировок тембров позволяла компенсировать недостаточность КПД и отдачи динамических головок разных типов, что также показывает преимущество трехполосного усилителя по сравнению с однополосным.

Схему и конструкцию настоящего усилителя можно значительно упростить, выполнив усилитель полосы НЧ по однотактной схеме, подобно СЧ и ВЧ. Это допустимо при наличии хорошей низкочастотной динамической головки с высоким КПД и отдачей (не компрессионной). Количество ламп при этом сократится на четыре.

В полосах СЧ и ВЧ можно также сократить число ламп. Поскольку лампы Л12 к Л16 работают в режиме без усиления (с включенной ООС), их допустимо убрать, изменив глубину и подобрав фазу ООС. В результате упрощений число ламп в усилителе уменьшится до 12. В сокращенном варианте усилитель также показал хорошие результаты.

Литература

1. Бонч-Бруевич А. М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике. М., «Наука», 1966.

2. Бонч-Бруевич А. М. Применение электронных ламп. М., Гос* изд-во технико-теоретич. лит-ры, 1955.

3. Варламов В. Г. Компоновка РЭА. М., «Советское радио», 1975.

4. Волин М. Л. Паразитные связи и наводки. М., «Советское радио», 1965.

5. Войшвилло Г. В. Усилители низкой частоты на электронных лампах. М., «Связьиздат», 1963.

6. Гендин Г. С. Высококачественное звуковоспроизведение. М., «Энергия», 1970.

7. Говоров Б. А. и др. Особенности применения приемно-усилительных ламп. М., «Советское радио», 1966.

8. Дольник А., Эфрусси М. Как сделать радиоустановку с хорошим звучанием. М., ДОСААФ, 1965.

9. Красов Ю., Черкунов В. О выборе мощности усилителя НЧ.— «Радио», № 12, 1975.

10. Криксунов В. Г. Низкочастотные усилители, Киев, Гос. изд-во технич. лит-ры УССР, 1961,