Схема мощного унч с защитой: Схемы усилителей мощности на транзисторах, самодельные УНЧ и УМЗЧ

Схемы защиты акустических систем на микросхемах и транзисторах

Схема защиты АС с применением резисторнорго оптрона

Предлагаемое устройство (рис.4)

Рис. 4. Принципиальная схема защиты акустических систем с применением резисторнорго оптрона.

обеспечивает защиту акусических систем (АС) от повреждения при появлении на выходах стереофонического усилителя постоянного напряжения положительной или отрицательной полярности.

Функции исполнительного элемента защиты выполняет резисторный оптрон U1. Работает он следующим образом. При появлении отрицательного или положительного постоянного напряжения на любом из выходных усилителей звуковой частоты (УЗЧ) через опрон начинает протекать входной ток и сопротивление его резистора резко уменьшается.

Как только величина постоянного напряжения достигнет 3-4 В (в зависимости от экземпляра оптрона), сопротивление это становится столь малым, что транзисторы VT1, VT2 закрываются, обмотка реле К1 обесточиваются и его контакты К1.1, К1.2 отключают АС от УЗЧ.

Стабилитроны VD1, VD2 ограничивают входной ток оптрона величиной 18 мА. Поскольку для стабилитронов Д815А допускается разброс напряжения стабилизации 15%, необходимо подобрать такие экземпляры, чтобы напряжение прикладываемое к светоизлучателю оптрона не превышало 5,5 В.

Дроссели L1, L2 ограничивают переменную составляющую входного тока оптрона до величины исключающей возможность срабатывания защиты. Они выполнены на магнитопроводах ШЛ12*12 и содержат по 1200 витков провода ПЭЛ-0,23. активное сопротивление каждого дросселя 36 Ом.

За счёт большого времени зарядки конденсатора С1 через резистор R1 обеспечивается задержка открывания транзисторов VT1, VT2, срабатывания реле К1 и подключения АС к усилителю.

В результате переходных процессов, возникающие в усилителе после его включения, затухают раньше, чем устройство подключит АС, поэтому щелчок в них не прослушивается.

При включении питания усилителя выключателем 8В1 контакты 1 и 4 последнего замыкаются, вызывая мгновенное закрывание транзисторов VT1, VT2. Естественно АС открывается от усилителя до начала в нём переходных процессов и щелчок в громкоговорителе также не будет слышен.

Устройство защиты АС питается от 2-хполярного источника питания усилителя мощности. При выборе элементов VT1, VT2, C1, R2, K1 следует учитывать величину напряжения источника.

В изготовленном автором экземпляре использовано реле РСМ-1, паспорт Ю-171.81.37. Можно применить и другое подходящее по напряжению и току срабатывания (он не должен превышать 100 мА) реле.

При использовании реле РЭС-9, РЭС-22 устройство защиты можно дополнить системой сигнализации его срабатывания.(рис.5)

Рис. 5. Схема дополнения устройства защиты АС световой сигнализацией.

Описанное устройство разрабатывалось для конкретного усилителя с напряжением питания равным плюс-минус 15 В. В этом случае при появлении на одном из выходов усилителя максимальное напряжение, тепловая мощность, выделяемая на дросселях L1 или L2, не превышает 3 Вт, что исключает его значительный перегрев за время в течении которого может быть сделан вывод о неисправности усилителя мощности (УМ) и принято решение о его выключении.

Как уменьшить коэффициент нелинейных искажений в схемах защиты АС

Известно, что контактные группы электромеханических реле в схемах защиты акустических систем, с помощью которых осуществляется подключение/отключение последних к выходу УНЧ, значительно увеличивают коэффициент нелинейных искажений воспроизводимого аудиосигнала. Уменьшить нелинейные искажения, возникающие в системах защиты АС, можно различными способами, однако все они приводят к усложнению их электрических схем. Так, радиолюбители из Японии предложили защитить акустику от воздействия постоянного напряжения

путем устранения возможности его появления на входе последнего.

Интеграторы входного/выходного напряжения

На выходе современных усилителей достаточно часто используются интеграторы, которые следят как за выходным, так и за входным напряжением, компенсируя возникающие изменения смещением режимов работы входных каскадов. Компенсация обеспечивается включением контактов реле в цепь общей отрицательной обратной связи (ОООС)

. При этом даже в случаях, когда контакты реле разомкнуты, интегратор обеспечивает наличие обратной связи по постоянному току, что дает возможность УНЧ работать в штатном режиме.

На примере усилителя звука в авто, собранного на китайской

видно, что и наличие интегратора необязательно. Ведь если громкоговорители не подключены, то цепь ОООС замыкается через резистор R1 и контакты реле К1.1. При этом источник тока на транзисторе Т1 выключен, и микросхема переведена в режим mute. А при подсоединении АС контакты К1.2 переключаются, и цепь ОООС замыкается через резистор R2. В результате источник тока включается, микросхема переводится в рабочий режим, а нелинейность контактных групп реле компенсируется за счет включения их в цепь ОООС.

На заметку! Для большей гарантии в схему введен конденсатор С2, емкость которого достаточна для того, чтобы задержать запуск микросхемы на 0,5-1 сек, что в свою очередь позволит обеспечить надежное срабатывание реле. В результате при включении УНЧ пользователь не услышит в динамиках ни щелчков, ни каких-либо других посторонних звуков.

Симисторные блоки

Радиолюбители, обладающие глубокими знаниями в радиотехнике и имеющие опыт самостоятельного конструирования звуковоспроизводящей аппаратуры класса Hi-End, могут попробовать уменьшить нелинейные искажения, вносимые узлами защиты АС, путем замены механических контактов в сильноточных цепях электронными ключами, собранными на основе оптотиристоров (симисторов). Однако схемы симисторных блоков защиты, одна из которых показана

. отличаются повышенной сложностью, а собранные узлы требуют тщательной настройки.

Защита блока питания от перегрузки

В большинстве простых блоков, реализована защита блока питания от перегрузки только по превышению максимального тока нагрузки. Подобная электронная защита, главным образом, предназначается для самого блока питания, а не для подключенной к нему нагрузки.

Для надежного функционирования, как блока питания, так и подсоединенного к нему электронного устройства, желательно иметь возможность изменения порога срабатывания защиты по току в больших пределах, причем при срабатывании защиты подключенная нагрузка должна быть обесточена.

Приведенная в данной статье схема является еще одним вариантом лабораторного блока питания, позволяющая производить плавную регулировку всех перечисленных выше параметров.

Схема защиты акустических систем усилителя «Бриг-001»

Рис. 1. Схема защиты акустических систем усилителя «Бриг-001»

При появлении на выходе усилителя любого из каналов постоянного напряжения положительной полярности открывается транзистор VT1, который шунтирует цепь базы составного транзистора на общий провод. При этом ток через реле К1 уменьшается настолько, что оно отпускает контакты и отключает акустические системы от усилителя. Конденсатор С1 предотвращает срабатывание реле К1 от переменного напряжения выходного сигнала.В случае, если на выходе усилителя появится напряжение отрицательной полярности, оно поступит через делитель R6, R7 на базу составного транзистора, в результате реле К1 отпустит и отключит нагрузку от усилителя.

Случай появления на выходах усилителя равных по модулю двухполярных напряжений учтен выбором различных значений резисторов R1 и R2.Таким образом, акустическая система защищена от постоянного напряжения любой полярности на выходе усилителя.

Подобная схема защиты акустических систем проработала в одном из моих усилителей более двух десятков лет, и ни разу не подвела, хотя около половины указанного срока усилитель трудился на увеселительных мероприятиях.

Достоинства:
простота и надежность; практически полное отсутствие ложных срабатываний; универсальность применения.

Недостатки:
Отсутствует схема отключения акустических систем при пропадании питания.Этот недостаток был принесен в угоду простоте и надежности устройства.

В схеме защиты установлены пассивные инфразвуковые фильтры нижних частот второго порядка (соответственно C3, C5, R10, R12 и C4, C6, R11, R13) и сенсоры аварийного постоянного напряжения на выходе усилителя (VT2, VT4, VT6 и VT3, VT5, VT7). При напряжении любой полярности более 1,5 В открывается соответствующий ключ (VT2 или VT3 для положительной полярности постоянного напряжения и VT4, VT6 или VT5, VT7 – отрицательной). При аварии база составного транзистора VT8, управляющего последовательно включенными электромагнитным реле К1 и К2, через низкоомный антизвоновый резистор R5 надежно соединяется с общим проводом, размыкая соединение выходов акустических систем через контакты реле.

Интегрирующая цепь R1, C2 в базовой цепи транзистора VT1 обеспечивает задержку подключения акустических систем при включении питания (на время 1,8 с), тем самым предотвращается проникновение в акустическую систему помех, вызванных переходными процессами в усилителе.Схема защиты универсальна и может использоваться с другими УМЗЧ. В таблице, размещенной в правом верхнем углу схемы рис. 5 указаны номиналы R6, R7, которые необходимо изменить в соответствии с напряжением питания Uп усилителя.

Технические характеристики:
Напряжение питания, В=+25…45
Время задержки включения, с=1,8
Порог срабатывания защиты, В=более ±1,5
Выходной ток для питания реле, мА=до 100
Размеры печатной платы, мм=75х75

Детали модернизированной схемы устройства защиты акустических систем.

VT1…VT3, VT6, VT7 – Транзистор BC546B (ТО-92) – 5 шт.,VT4, VT5 – Транзистор BC556B – 2 шт.,VT8 – Транзистор КТ972А – 1 шт.,VD1 — Стабилитрон КС212Ж (BZX55C12, 12V/0,5W, корпус DO-35) – 1 шт.,VD2 — Диод 1N4004 – 1 шт.,K1, К2 — Реле электромеханическое (1C, 12VDC, 30mA, 400R) BS-115C-12A-12VDC – 2 шт.,R1 — Рез.-0,25-220 кОм (красный, красный, желтый, золотистый) – 1 шт.,R2 — Рез.-0,25-1 м (коричневый, черный, зеленый, золотистый) – 1 шт.,R3, R4 — Рез.-0,25-11 кОм (коричневый, коричневый, оранжевый, золотистый) – 2 шт.,R5 — Рез.-0,25-10 Ом (коричневый, черный, черный, золотистый) – 1 шт.,R6 — Рез.-0,25-2,2 кОм (красный, красный, красный, золотистый) – 1 шт.,R7 – Перемычка,R8…R11 — Рез.-0,25-22 кОм (красный, красный, оранжевый, золотистый) – 4 шт.,R12, R13 — Рез.-1-22 кОм (красный, красный, оранжевый, золотистый) – 2 шт.,C1, C2 — Конд.47/25V 0511 +105 °С – 2 шт.,C3 – C6 — Конд.47/50V 1021 NPL (47/25V 1012 NPL) – 4 шт.,Клеммник 2к шаг 5мм на плату TB-01A – 5 шт.

Рис. 9. Клещи для зачистки провода и обжима наконечников – помощник при монтаже усилителя

Схемы на транзисторах

Специалистами разработано большое количество самых различных электрических схем, более или менее эффективно защищающих громкоговорители звуковых колонок от повреждений. Большинство из них выполнены на микросхемах или транзисторах, а в качестве исполнительного механизма в этих схемах задействовано реле. Так, практически все широко известные варианты защиты АС с использованием транзисторов и реле разработаны на базе нескольких схем, детально описанных ниже.

Электросхема УНЧ «Бриг-001»

Электрическая схема, аналогичная используемой в высококачественном УНЧ «Бриг-001» отличается от оригинала только типом транзисторов, из-за чего в ней были изменены некоторые номиналы. Технико-эксплуатационные характеристики данной схемы:

• питающее напряжение, В — от +27 до +65;
• задержка подключения АС, сек — 2,0;
• чувствительность к входному постоянному напряжению, В — ±1,5.

Электросхема Котова

Электрическая схема А. Котова популярна среди начинающих радиолюбителей за свою простоту и эффективность. Однако она не лишена некоторых недостатков:

• рабочий режим с «оторванной базой»;
• протекание всего потребляемого тока через светодиод;
• неизменная величина питающего напряжения;
• невозможность быстрого отключения АС от усилителя.

В результате творческого переосмысления вышеизложенных технических решений многочисленными радиолюбителями были предложены достаточно оригинальные варианты защитных схем АС с использованием транзисторов и реле (перечислены ниже).

Электросхема на 4 транзисторах

Схема  защиты и задержки включения на 4-х транзисторах обеспечивает отключение АС при появлении на выходе УНЧ высоких показателей постоянного напряжения разных полярностей, а также задерживает подключение динамиков АС при включении УНЧ, защищая их от так называемых щелчков питания.

Модернизированная электросхема

Модернизированная схема защиты АС отключает систему при подключении головных телефонов, а также защищает ее излучатели при повышении или понижении питающего напряжения на выходе УНЧ (в том числе и при его включении/выключении) до уровня предельно допускаемых значений.

Универсальная электросхема на 2 транзисторах

Универсальная схема защиты на двух транзисторах предохраняет громкоговорители АС от воздействия кратковременных бросков напряжения при включении УНЧ (задержка подключения АС не более, чем на 1 сек) и обеспечивает их защиту от перегрузки или появления на выходе усилителя высокого питающего напряжения разных полярностей.

Простая электросхема на 3 транзисторах

Простая электросхема защиты АС на трех транзисторах отключает громкоговоритель при появлении постоянного тока на выходе УНЧ (схема разрабатывалась для УНЧ «Ланзар»).

Другие варианты

Были разработаны и опробованы на практике и другие варианты, позволяющие, например, защитить динамики в случае появления на выходе УНЧ повышенного питающего напряжения разных полярностей, используя для этого резисторный оптрон. Также гарантированно обеспечит снижение уровня мощности, подаваемой на вход акустической системы при перегрузках УНЧ, дополнительное устройство, установленное между выходом усилителя и входом АС.

Применённые детали и настройка

Герметичные реле обычно меньше по размерам, поэтому легко устанавливаются с минимальными доработками печатной платы. Поскольку я расположил реле и зажимы с винтовыми клеммами достаточно плотно, при повторении платы надо убедиться в идентичности размеров зажимов, в противном случае чуть-чуть подкорректировать печатную плату. Можно обойтись без зажимов, это даже надежнее, но неудобно, особенно при настройке макетов усилителей.

При отсутствии ошибок в монтаже и исправных деталях, схема начинает работать сразу
, надо только рассчитать резистор ограничения тока через обмотку реле.Например, питание +18 В, реле на 12 В сопротивлением 280 Ом. Рабочий ток реле 12 В/280 Ом = 43 мА.Погасить надо 18В − 12В − 2В (падение напряжения на открытом TL431) = 4 Вольта.4 В / 43 мА = 100 Ом. Мощность резистора 43 мА х 4 В = 170 мВт, т. е. нужен резистор от 0,25 Вт и выше. На плате этот резистор «стоит», это сделано, чтобы можно было ставить резисторы разных габаритов и с запасом по мощности до 2 Вт.

Все диоды, кроме шунтирующего обмотку реле, практически любые маломощные, надо только не забыть, что маркировка полоской на корпусе диодов КД522 и других советских, обратная импортной маркировке.

При проблемах в работе, в первую очередь надо проверить правильность установки деталей, особенно диодов, транзисторов и TL431. Затем проверить качество паек (у меня плохо паялись выводы диодов), для этого надо хорошо промыть плату и осмотреть пайки с лупой (или с хорошим глазом).Затем проверить режимы по постоянному току, напряжения на базах транзисторов должны соответствовать указанным на схеме ± 0,1 В.

Поскольку среди начинающих любителей есть страсть к гигантомании и усилителям мощностью в сотни Ватт и с напряжением питания усилителей порядка ± 50 В, надо помнить, что чем больше мощность усилителя, тем большие токи протекают через контакты реле, при высоких напряжениях возрастает вероятность возникновения дуги между разомкнутыми контактами реле.

В этом случае на данной плате может быть установлено любое реле с одной группой контактов, это реле будет промежуточным и управлять другим, более мощным реле с контактами, рассчитанными на бОльший ток и с увеличенным расстоянием между разомкнутыми контактами. К этому мощному реле можно будет подвести провода бОльшего сечения.

Универсальность данного узла защиты со «своим» питанием и в том, что его можно подключить к выходам мостового (как правило, повышенной мощности) усилителя. Общий провод соединяют не с общим проводом усилителя, а с одним выходом усилителя, а один вход узла защиты со вторым выходом мостового усилителя.

При установке узла защиты в готовую конструкцию, надобность в отдельном блоке питания отпадает (для обычного, не мостового усилителя).

Тестирование устройств защиты АС

То же самое можно сказать и о тестировании устройств защиты, которое проводят, используя вместо эквивалента нагрузки контрольные (маломощные) звуковые колонки, оснащенные с. При этом желательно имитировать появление постоянного напряжения на выходе усилителя, поочередно искусственно подавая на вход устройства защиты громкоговорителей соответствующее постоянное напряжение разной полярности. Не лишним будет также убедиться в отсутствии дребезга контактов реле, который при необходимости нужно будет устранить. Положительные результаты тестирования позволят сохранить имеющиеся звуковые колонки в целости и сохранности.

Внешняя защита от статического электричества

Как показывает практика, главным разрушающим фактором, помимо мощных помех, являются электростатические разряды. Они возникают при сближении разнозаряженных элементов. Например, при подключении/отключении устройств или при прикосновениях. Известно, что человек в кожаной обуви при ходьбе генерирует электрическое напряжение 25 кВ. Очевидно, что в промышленной и автомобильной технике вращающиеся и трущиеся части механизмов создают колоссальные статические заряды. Статика приводит к катастрофическим для электроники последствиям. Пробой затворов транзисторов, деградация полупроводников и даже разрушение контактных соединений — вот лишь часть возможных повреждений.

Надежным и доступным способом защиты от электростатики являются защитные диоды. Компания Maxim Integrated выпускает широкий спектр дискретных элементов защиты (таблица 6).

Таблица 6. Защитные диодные сборки Maxim

Наименование	Число каналов	Рабочее напряжение, В	Входная емкость, пФ	Корпус	Область применения
MAX3202E	2	0,9…5,5	5	4WLP	USB, USB2.0
MAX3203E	3	6TDFN-EP	Ethernet
MAX3204E	4	FireWire
MAX3206E	6	SVGA
MAX3205E	6	2	9WLP, 16TQFN-EP	DVI
MAX3207E	2	6SOT23	USB, USB2.0
MAX3208E	4	10uMAX, 16TQFN-EP	FireWire

MAX3202/3/4/6 соответствуют уровню защиты от следующих уровней разрядов: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge). Применяются для высокоскоростных интерфейсов (таблица 5).

MAX3205/7/8 предназначены для защиты высокоскоростных дифференциальных интерфейсов. Имеют расширенный диапазон рабочих температур -40…125°С. Уровень защиты соответствует: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge).

Схема улучшенной защиты для АС

Большими возможностями обладает устройство защиты рис.2.

Рис. 2. Принципиальная схема защиты акустических систем от бросков выходного напряжения, питается от источника питания УМЗЧ.

Оно предохраняет громкоговорители от бросков выходного напряжения как при включении, так и при выключении питания, при неисправности УМЗЧ и в моменты вероятного отказа последнего — при понижении или полном исчезновении одного или обоих напряжений питания, а также при превышении ими предельно допустимых значении (это может иметь место при питании от стабилизированных источников) и, наконец, отключает их при подсоединении головных стерео телефонов. Питается устройство от того же двуполяного источника, что и выходные каскады УМЗЧ.

В момент включения питания начинает заряжаться конденсатор С3, поэтому транзистор VT2 открыт, VT3 закрыт, реле К1 обесточено и громкоговорители отключены. Как только напряжение на конденсаторе достигает значения

— напряжение стабилизации стабилитрона VD9), состояния указанных транзисторов изменяются на обратные, срабатывает реле К1 и громкоговоритель подключаются к выходам каналов УМЗЧ.

Время задержки подключения:

Приведенная формула справедлива при условии: .

Время задержки при указанных на схеме номиналах элементов:  .

Напряжение стабилизации стабилитрона VD11 выбрано из условия .

При понижении напряжении любого источника питания на величину, большую чем транзистор VT3 закрывается и реле К1 отключает громкоговорители от УМЗЧ.

Стабилитроны VD7 и VD9 в цепях баз соответственно транзисторов VT1, VT2 одинаковы и выбраны с учётом следующего. Как видно из схемы, для того, чтобы открылся транзистор VT2 (а следовательно, закрылся транзистор VT3 и отпустило реле К1), напряжение питания должно удовлетворять условию:

, где и — соответственно напряжение и минимальный ток стабилизации стабилитрона VD9.

Отсюда: . При указанных на схеме номиналах и типах деталей

, а это значит, что при устройство отключит громкоговорители, если отрицательное напряжение питания возрастёт (по отношению к номинальному) на 2,8 В.

Транзистор VT1 открывается по цепи VD1 — R5 — VD7, идентичной цепи VD6 — R7 — VD9. Это приводит к открыванию транзистора VT2 и закрыванию транзистора VT3, т.е. к отключению громкоговорителей при увеличении на 8 В напряжения питания положительной полярности.

В случае появления на выходе УМЗЧ постоянного положительного напряжения транзистор VT2 открывается током протекающим через резистор R3 (или R4), VD4 (VD5) и цепь R7VD9. Условие его открывания в этом случае выглядит так:

Если же напряжение на выходе УМЗЧ имеет отрицательную полярность, по цепи R3 (R4) — VD2 (VD3) — R5 — VD7 открывает транзистор VT1.

Для подключения стереотелефонов служит розетка ХS1, с которой механически связан выключатель SA1. При установке вилки стереотелефонов в розетку контакты выключателя размыкаются, реле К1 отпускает и громкоговорители отключаются от УМЗЧ.

То же происходит и при выключении питания УМЗЧ кнопкой SB1 (А1 — источник питания). Поскольку коллекторная цепь транзистора VT3 и цепь сетевого питания разрываются практически одновременно, громкоговорители отключаются до начала переходного процесса и щелчок не прослушивается.

В устройстве применено реле РЭС-22 (паспорт РФ-4.500.130). Неполярные оксидные конденсаторы С1, С2 — К50-6. Транзистор КТ815В можно заменить любым другим с допустимым напряжением коллектор — эмиттер более 50 В и максимальным током коллектора ни менее значения , где — — сопротивление обмотки реле К1).

Вместо стабилитронов КС527А можно использовать КС482А, КС510А, КС512А, КС175Ж, КС182Ж, КС191Ж и т.п., соединив нужное число приборов для получения напряжения стабилизации, выбранного приведённым формулам. Диоды VD1 — VD6, VD8, VD10, VD12 — любые кремниевые маломощные с обратным напряжением более 50 В.

Сборка и настройка устройств защиты АС

Узлами, защищающими акустические колонки (включая активные двухполосные и трехполосные) от повреждений, вызванных нарушением рабочих режимов УНЧ, должна в обязательном порядке оснащаться как профессиональная, так и любительская звуковоспроизводящая аппаратура. Особенно это актуально в тех случаях, когда цена АС в несколько раз превышает стоимость УНЧ. Мощные высококачественные УНЧ заводского производства, как правило, включают в свой состав схемы защиты АС, а вот радиолюбителям, конструирующим и изготавливающим такую аппаратуру для собственного употребления, их приходится делать самостоятельно. При этом у них есть широкий выбор решений:

1. самостоятельно разработать электрическую схему и изготовить устройство, способное защитить АС от повреждений;
2. воспользоваться готовой электрической схемой из числа существующих и самостоятельно собрать устройство защиты АС;
3. купить один из имеющихся в розничной продаже КИТ-наборов, например, RadioKit K217 украинского производства или KIT DIV, привезенный из Китая, и без проблем самому оснастить свой УНЧ простейшим устройством защиты звуковых колонок.

Во всех случаях для радиолюбителя даже средней квалификации самостоятельно собрать устройство защиты особого труда не составит. Подробные описания технологических процессов разработки, изготовления и сборки печатных плат в домашних условиях легко найти в Интернете. Что касается настройки таких устройств, то, как правило, они начинают работать сразу и регулировки не требуют.

Важно! При внесении изменений в электрическую схему, связанных с применением других номиналов радиоэлементов, заменой микросхем и электромагнитных реле, необходимо убедиться в том, что такие параметры, как порог срабатывания реле, коэффициент нелинейных искажений аудиосигнала на выходе схемы защиты, задержка подключения звуковых колонок ко входу УНЧ и некоторые другие, должны оставаться неизменными

Оцените статью:

ДОМАШНИЙ УСИЛИТЕЛЬ — УНЧ И БЛОК ЗАЩИТЫ

   Мы наконец заставили достойно звучать наш усилитель домашней аудиосистемы, проверили его работоспособность, оценили качество звука основного канала. Самое время добавить в него модуль защиты от случайных замыканий, чтоб вся работа не пошла лесом, из-за неизбежных случайностей в процессе его эксплуатации. Также соберём остальные маломощные каналы УНЧ, для подключения тыловых колоночек.

ЗАЩИТА АС УМЗЧ

   Изначально задумал использовать схему защиты от БРИГ, но затем читая отзывы о симисторной защите захотел попробовать ее. Блоки защиты были сделаны в самом конце, тогда было туго с финансами, а симисторы и прочие компоненты схемы у нас оказались довольно дороги, поэтому вернулся к релейной защите. Напоминаю, что все схемы находятся в первой части обзора.

   В итоге были собраны три блока защиты, один из них для сабвуферного усилителя, а два остальных для каналов ОМ. 

   В сети можно найти большое количество схем блоков защиты, но эта схема перепробована мной неоднократно. При наличии постоянного напряжения на выходе (выше допустимого) защита мгновенно срабатывает спасая динамическую головку. После подачи питания реле замыкается, а при срабатывания схемы оно должно размыкаться. Защита включает головку с небольшой задержкой — это тоже в свою очередь, является дополнительной страховкой и щелчок после включения, почти не слышен. 

   Компоненты блока защиты могут отклоняться от указанного, Основной транзистор можно заменить на наш КТ815Г, использовал высоковольтные транзисторы MJE13003 — их у меня навалом, кроме того, они довольно мощные и не перегреваются в ходе работы, поэтому в теплоотводе не нуждаются. Маломощные транзисторы можно заменить на S9014, 9018, 9012, даже на КТ315, оптимальный вариант — 2N5551.

   Реле на 7-10 Ампер, подобрать можно любое реле на 12 или 24 Вольта, в моем случае на 12 Вольт. 

   Блоки защиты для каналов ОМ установлены возле трансформатора второго инвертора, работает все это дело довольно четко, при максимальной громкости защита может сработать (ложно) крайне редко.

МАЛОМОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

   Долго решал какой усилитель использовать для маломощных акустических систем. Как дешевый вариант вначале решил использовать микросхемы TDA2030, потом подумал, что 18-ти ватт на канал маловато и перешел к TDA2050 — умощненный аналог на 32 ватта. Затем сравнив звучание основных вариантов выбор впал на любимую микросхему — LM1875, 24 ватта и качество звучания на 2-3 порядка лучше, чем у первых двух микросхем.

   Долго копался в сети, но печатную плату под свои нужды так и не нашел. Сидя за компом несколько часов была создана своя версия для пятиканальноо усилителя на микросхемах LM1875, плата получилась довольно компактной, на плате также предусмотрен блок выпрямителей и фильтров. Этот блок был полностью собран за 2 часа — все компоненты к тому времени имелись в наличии.

ВИДЕО УСИЛИТЕЛЯ

   Качество звучания этих микросхем на очень высоком уровне, в конце концов разряд Hi-Fi, отдаваемая мощность приличная — 24 ватта синуса, но в моем случае мощность повышена путем повышения питающего напряжения до 24-х вольт, в таком случае можно получить порядка 30 ватт выходной мощности. На основной плате усилителя у меня было предусмотрено место для 4-х канального усилителя на TDA2030, но чем-то оно мне не понравилось…

   Плата для LM крепится на основную плату УНЧ через стойки в виде трубок и болтов. Питание для этого блока берется со второго инвертора, предусмотрена отдельная обмотка.  Выпрямитель и фильтрующие конденсаторы расположены непосредственно на плате усилителя. В качестве выпрямительных диодов уже традиционные КД213А.

   Дросселей для сглаживания ВЧ помех не использовал, да и нет нужды их применять, поскольку даже в довольно брендовых автомобильных усилителях их часто не ставят. В качестве теплоотвода использовал набор дюралюминиевых болванок 200х40х10 мм. 

   На плату также укреплен кулер, который одновременно отводит теплый воздух с этого блока и отдувает теплоотводы инверторов. С электроникой аудиокомплекса полностью разобрались — переходим к механике и слесарным работам… С уважением — АКА КАСЬЯН.

   Форум по созданию универсального домашнего аудиокомплекса

   Форум по обсуждению материала ДОМАШНИЙ УСИЛИТЕЛЬ — УНЧ И БЛОК ЗАЩИТЫ

Автомобильный унч на 100 ватт своими руками. Мощный УНЧ на микросхемах TDA7294 (100 Вт). Готовые печатные платы

Усилитель звука на TDA7294

К этому усилителю в интернете очень много притензий на этой микросхеме, что быстро сгорает, что самовозбуждается.Но не правда,все недостатки если происходят,то изза самого радиолюбителя.Схема усилителя на 100Вт на микросхеме тда7294 имеет защиту от короткого замыкания и с защитой от перегрева.

Схема усилителя:

Одной из основных особенностей этой микросхемы является применение полевых транзисторов в предварительных и выходных каскадах усиления. К ее достоинствам относятся большая выходная мощность (до 100 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом), возможность работы в широком диапазоне питающих напряжений, высокие технические характеристики (малые искажения, низкий уровень шума, широкий диапазон рабочих частот и т.д.), минимум необходимых внешних компонентов и небольшая стоимость.

Схема простая,и буквально не очень капризная.

Как видно по схеме конденсатора С10 нет. Он нужен для микросхемы TDA7293 (140W), и ставиться он место C9 между 6й и 12й ногами микросхемы. Вместо диода КД522 я поставил 1N4001.

Микросхему нужно ставить на радиатор из аллюминия площадью 600см 2 или больше

Если вы хотите пустить звук на два канала,то соответственно вам нужно будет сделать две таких схемы

Это многократно проверенная схема самодельного 100 ваттного усилителя на популярной микросхеме TDA7294 усиленной парой мощных транзисторов на выходе. Схема эта предназначена для низкоомной нагрузки, но в ней бОльшая часть выходного тока снимается не с микросхемы, а поставляется в нагрузку дополнительными транзисторами. А микросхема ими только управляет. УМЗЧ предназначен для работы с низкоомной нагрузкой, мощностью от 100 ватт.

Как видно, усилитель на МС TDA7294 дополняется двумя мощными выходными транзисторами, работающими в режиме В. Они усиливают выходной ток микросхемы, поэтому на ней рассеивается гораздо меньшая мощность, из-за чего можно поднять напряжение питания, чтобы получить повышенную мощность в нагрузке. В состоянии покоя выходные транзисторы закрыты и тока от источника питания не потребляют. При небольшом уровне сигнала (до ~0,5 вольт на нагрузке) транзисторы не открываются, а выходной сигнал протекает с выхода микросхемы в нагрузку через резистор R7. При этом на нем появляется напряжение. С ростом уровня сигнала напряжение на R7 растет, и когда оно достигает ~0,6 вольт (это соответствует мощности 30…50 мВт на нагрузке 4 Ома), выходные транзисторы начинают открываться. При маленьких выходных напряжениях выходные транзисторы открываются только на пиках громкости на непродолжительное время. По мере роста выходного сигнала, выходной каскад включается в работу, беря на себя питание нагрузки. При этом от микросхемы в динамик поступает только 10% мощности и еще ~10% от выходной мощности микросхема тратит на раскачку выходных транзисторов.

Таким образом, можно работать на низкоомной нагрузке и получить на ней максимум напряжения и тока без перегрева микросхемы. В отличие от «параллельного» включения, здесь микросхема выполняет роль предварительного каскада, а основной мощностью управляют дополнительные транзисторы. Такое включение будет неплохим вариантом для раскачки мощного сабвуфера, причем его мощность доходит до 100 Вт. Умощненная микросхема как раз легко такую мощность дает. Второй вариант — НЧ/СЧ канал двухполосного усилителя (ВЧ канал сделан на TDA7294 без умощнения) для озвучки помещения. В качестве выходных можно использовать только биполярные транзисторы! У полевых для открывания нужно приложить большое напряжение — порядка 4 вольт, а то и больше. А это напряжение образуется на резисторе R7. Его мощность при этом должна быть минимум 5 Вт, греться он будет соответственно. А, главное, на малой мощности будет работать только одна микросхема без выходников.

Катушку L1 можно намотать прямо на R8. Для этого берется резистор типа МЛТ-2 Вт и на него наматывается 2 слоя провода диаметром 1 мм. Верхний слой должен быть короче, чтобы витки не сползали. Катушку слегка пропитать клеем, чтобы не разлезалась. Выводы катушки наматываем на выводы резистора. Для микросхемы понадобится небольшой радиатор. Можно ее и транзисторы поставить на общий радиатор через прокладки. После сборки усилителя надо убедиться в отсутствии самовозбуждения, посмотрев на сигнал при помощи осциллографа.

Для повышения выходной мощности усилителя свыше 100 ватт, надо напряжение питания транзисторов поднять до 50 вольт нестабилизированным напряжением. А для микросхемы используем стабилизатор на +- 38 вольт. Стабилизатор включается в разрывы цепей питания микросхемы в точках А и Б. Теперь просадки напряжения питания на микросхему не влияют, поэтому питание микросхемы всегда максимально и она всегда может выдать максимум выходного напряжения. А значит напряжение и мощность на нагрузке всегда будут максимально возможными.

Представляемый усилитель благодаря своим великолепным техническим характеристикам рекомендуется для работы с домашним электроакустическим оборудованием Hi-Fi.

В его конструкции использованы интегральные схемы TDA7294, производимые фирмой SGS-THOMPSON. В своей структуре ониимеют защиту от замыкания в нагрузке от перегрева, а также систему шумопонижения.

Технические характеристики усилителя:

• входное сопротивление 22 кОм;
• полоса воспроизводимых частот 20 Гц-100 кГц;
• мощность выходная постоянная 70 Вт/8 Ом;
• мощность музыкальная 100 Вт/8 Ом (ІІвр. +/- 40 В).

Принципиальная схема

Входной сигнал подается на вход усилителя через конденсатор С1 и низкочастотный фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора С2. Резистор R4 вводит отрицательную обратную связь. Схемы «MUTT» и «STANDBY», которыми оборудован усилитель, автоматически включаются после включения питания.

Рис. 1. Принципиальная схема мощного УНЧ на микросхеме TDA7294 (100 Вт).

В случае возникновения необходимости изменения постоянной временной этих контуров следует соответствующим образом подобрать величины конденсаторов С9 и СЮ. Не рекомендуется уменьшать величины резисторов R5 и R6, так как это может привести к превышению максимально допустимого входного тока для входов «MUNF» и «STANDBY».

Детали и монтаж

Встроенная термическая защита выключает усилитель при росте температуры схемы более 145 °С. Монтаж усилителя не должен представлять сложностей. Сборку следует начать с впайки всех перемычек. Затем нужно впаять резисторы и конденсаторы.

Интегральные схемы следует сначала прикрепить к радиаторам, а затем впаять в плату. Это предохранит точки пайки от случайного отрывания.

Радиаторы, которые необходимо использовать в усилителе, должны обеспечивать соответствующий отвод тепла от интегральных схем, в противном случае они будут выключаться.

Для полного использования возможностей усилителя его следует оборудовать хорошим блоком питания. Лучше всего использовать тороидальный трансформатор мощностью 300 Вт и батарею конденсаторов 2 х 10000 мкФ. Можно также использовать два трансформатора мощностью 150 Вт каждый и установить отдельные блоки питания для каждого канала.

US1	TDA7294
С1	1 мкФ
С2	2,2 нФ
СЗ	22 мкФ/16 В
С4,С7	100 нФ
С8	22 мкФ/40 В
С4, С5	1000 мкФ/40 В
С9, С10	10 мкф/35 В
R1	450 Ом
R2, R4, R5, R6	22 кОм
R3	680 Ом

Напряжение, питающее усилитель, может быть в границах +/-10-+/- 40 В. В любом случае нельзя превышать напряжение в 40 В, поскольку это грозит повреждением дорогостоящих интегральных схем.

При включении усилителя необходимо последовательно с питанием включить резистор мощностью в несколько ватт и с сопротивлением в несколько десятков ом, что предохранит интегральные схемы в случае замыканий на плате.

Ток покоя усилителя при питании напряжением +/-40 В не должен быть больше 60 мА. Постоянное напряжение на выходе интегральных схем, измеряемое относительно массы, должно быть равно 0 В.

Комментарии (12):

#1 Владимир Январь 08 2017

Собрал данное устройство. По ошибке при первом включении подключил неправильно полярность вылетел диод один 4001 D4 и конденсатор 220мкф 63в С11 рванул, заменил, транзисторы все прозвонил рабочие 100пудов. Итог при включении постоянка на выходе(лампочка 12в горит ярко(24вольта причем обратной полярности)) и греется резистор R4 и дуется конденцатор С2. Народ если кто знает решение отзовитесь, может схема нерабочая? кто собирал?

#2 root Январь 09 2017

После подобного случая проверку стоит начать с отключенного от усилителя источника питания, прозвонить выпрямительные диоды и измерить напряжения на выходе для каждого плеча (+ и земля, — и земля).

После этого:

• Проверка монтажа, нет ли лишних соединений, все ли детали хорошо пропаяны, соответствует ли соединения на печатной плате принципиальной схеме усилителя;
• Проверка номиналов всех деталей — сопротивление резисторов желательно проверить тестером, диоды и транзисторы прозвонить;
• Все электролитические конденсаторы желательно заменить, некоторые уже могут быть подпорчены и без внешних признаков неисправности;
• Перед включением усилителя в разрыв каждой линии питания можно временно подключить по лампочке рассчитанной на напряжение питания, или же по предохранителю на 2-3А.

#3 Владимир Февраль 26 2017

Спасибо большое, думал никто и не ответит. Все хорошо пропаяно, все детали прозвонил. Может дело в питании, я брал с компьютерного блока питания 2 обмотки по 12вольт переменки в итоге выпрямления получил +30 общий -30 вольт может этого много?)))) Ну или может у меня не те транзисторы, TIP142 и TIP147 только вот они нифига не похожи на те что тут на фотографии(больше по размерам). Самое интересное то что когда я мерю напряжение на базе одного из них(TIP) то у одного 2вольта а у другого чет в районе 50вольт. Я не мега шарю в радиоделе просто увидел решил собрать плату вытравил с принтера так что ошибки не может быть. Ездил даже в сервисный центр с моим устройством, развели руками не могут понять принцип этой схемы. Жаль потраченного времени и денег. Понимаю что моя ошибка что поторопился но блин я же поменял неисправные детали и все ровно не работает. Жаль что мальенькая вероятность работы схем из интернета. Думаю может это все 241 транзюк виноват или мелкий 556. Но и их я менял))) Так что……..

#4 root Февраль 27 2017

Насчет компьютерного БП — в данном случае идея не очень хорошая, там скорее всего нужна более серьезная переделка чем просто домотать/отмотать обмотки. И еще, насчет линий питания 12В, которые присутствуют изначально в компьютерном БП — одна из них (синий провод, -12В) рассчитана на очень маленький ток (0.3-0,5А).
Здесь лучше использовать хотя бы 4 аккумулятора по 12В (24+24В) или же достать/изготовить трансформатор с двумя вторичными обмотками на напряжение порядка 30В и ток 4-6А. После выпрямления диодным мостом и сглаживания электролитическими конденсаторами получим напряжение где-то в районе 2х40В.
Проверить тестером диоды D2, D3, D4, они должны быть такого номинала как на схеме, это важно.
Вполне возможно что вы в шаге от работающей схемы, кто знает…

Схема двуполярного блока питания:

#5 Andriy Август 07 2017

яке навантаження в Омах можна давати

#6 root Август 07 2017

4 Ома, 8 Ом…

#7 Александр Анатольевич Март 05 2018

Этот усилитель собирать НЕЛЬЗЯ! Он горит, как с добрым утром. Я уж не знаю, что там в нём прекрасно сбалансировано, но лучше сделать какую нибудь другую схему, например усилитель Брагина 1, Трошина (модернизированный) Лайкова, Худа, и. т.д.

Ездил даже в сервисный центр с моим устройством, развели руками не могут понять принцип этой схемы ***** обходите этот «сервис» стороной.. там неучи.. классический вариант унч….это им не модуля и емкостя менять….за нереальные деньги..не понимая как это работает..

#9 паша Март 14 2018

Я собирал его работает отлично,у друга работает до сих пор на s90 4om жалоб нет легкая схема и повторяемость 100% работает без настройки!

#10 CcbikyH Март 14 2018

Печатка разведена криво, смещение выхода мало, температурной стабилизации нет — он сгорит.

#11 АЛЕКСЕЙ Июнь 02 2018

Собрал. Работает от 40 вольт на входе. Мощность довольно хорошая. Но тестил его без радиаторов и в итоге после минуты работы сгорели все транзисторы. Так что даже не стоит пытаться запускать его без дополнительного охлаждения

#12 Master Апрель 06 2019

Собирал на ТИПАХ. Круто играл, питание около 36 вольт +/-, вместе 72 вольта было чтобы понятнее, питание брал от старого видеомагнитофона. ТИПЫ сгорели даже при радиаторе… Поменял и ещё установил 2 кулера от компа. Сделал отдельный включатель чтобы они не шумели когда нужно послушать тихо. В общем обдув хороший нужен на большой громкости. Схема супер. Самая легкая и очень мощная. Даже мне без опыта удалось собрать для эксперимента.

– Сосед запарил по батарее стучать. Сделал музыку громче, чтобы его не слышать.
(Из фольклора аудиофилов).

Эпиграф иронический, но аудиофил совсем не обязательно «больной на всю голову» с физиономией Джоша Эрнеста на брифинге по вопросам отношений с РФ, которого «прёт» оттого, что соседи «счастливы». Кто-то хочет слушать серьезную музыку дома как в зале. Качество аппаратуры для этого нужно такое, какое у любителей децибел громкости как таковых просто не помещается там, где у здравомыслящих людей ум, но у последних оный за разум заходит от цен на подходящие усилители (УМЗЧ, усилитель мощности звуковой частоты). А у кого-то попутно возникает желание приобщиться к полезным и увлекательным сферам деятельности – технике воспроизведения звука и вообще электронике. Которые в век цифровых технологий неразрывно связаны и могут стать высокодоходной и престижной профессией. Оптимальный во всех отношениях первый шаг в этом деле – сделать усилитель своими руками: именно УМЗЧ позволяет с начальной подготовкой на базе школьной физики на одном и том же столе пройти путь от простейших конструкций на полвечера (которые, тем не менее, неплохо «поют») до сложнейших агрегатов, через которые с удовольствием сыграет и хорошая рок-группа. Цель данной публикации – осветить первые этапы этого пути для начинающих и, возможно, сообщить кое-что новое опытным.

Простейшие

Итак, для начала попробуем сделать усилитель звука, который просто работает. Чтобы основательно вникнуть в звукотехнику, придется постепенно освоить довольно много теоретического материала и не забывать по мере продвижения обогащать багаж знаний. Но любая «умность» усваивается легче, когда видишь и щупаешь, как она работает «в железе». В этой статье далее тоже без теории не обойдется – в том, что нужно знать поначалу и что возможно пояснить без формул и графиков. А пока достаточно будет умения и пользоваться мультитестером.

Примечание: если вы до сих пор не паяли электронику, учтите – ее компоненты нельзя перегревать! Паяльник – до 40 Вт (лучше 25 Вт), максимально допустимое время пайки без перерыва – 10 с. Паяемый вывод для теплоотвода удерживается в 0,5-3 см от места пайки со стороны корпуса прибора медицинским пинцетом. Кислотные и др. активные флюсы применять нельзя! Припой – ПОС-61.

Слева на рис. – простейший УМЗЧ, «который просто работает». Его можно собрать как на германиевых, так и на кремниевых транзисторах.

На этой крошке удобно осваивать азы наладки УМЗЧ с непосредственными связями между каскадами, дающими наиболее чистый звук:

• Перед первым включением питания нагрузку (динамик) отключаем;
• Вместо R1 впаиваем цепочку из постоянного резистора на 33 кОм и переменного (потенциометра) на 270 кОм, т.е. первый прим. вчетверо меньшего, а второй прим. вдвое большего номинала против исходного по схеме;
• Подаем питание и, вращая движок потенциометра, в точке, обозначенной крестиком, выставляем указанный ток коллектора VT1;
• Снимаем питание, выпаиваем временные резисторы и замеряем их общее сопротивление;
• В качестве R1 ставим резистор номинала из стандартного ряда, ближайшего к измеренному;
• Заменяем R3 на цепочку постоянный 470 Ом + потенциометр 3,3 кОм;
• Так же, как по пп. 3-5, в т. а выставляем напряжение, равное половине напряжения питания.

Точка а, откуда снимается сигнал в нагрузку это т. наз. средняя точка усилителя. В УМЗЧ с однополярным питанием в ней выставляют половину его значения, а в УМЗЧ в двухполярным питанием – ноль относительно общего провода. Это называется регулировкой баланса усилителя. В однополярных УМЗЧ с емкостной развязкой нагрузки отключать ее на время наладки не обязательно, но лучше привыкать делать это рефлекторно: разбалансированный 2-полярный усилитель с подключенной нагрузкой способен сжечь свои же мощные и дорогие выходные транзисторы, а то и «новый, хороший» и очень дорогой мощный динамик.

Примечание: компоненты, требующие подбора при наладке устройства в макете, на схемах обозначаются или звездочкой (*), или штрихом-апострофом (‘).

В центре на том же рис. – простой УМЗЧ на транзисторах, развивающий уже мощность до 4-6 Вт на нагрузке 4 Ом. Хотя и работает он, как и предыдущий, в т. наз. классе AB1, не предназначенном для Hi-Fi озвучивания, но, если заменить парой таких усилитель класса D (см. далее) в дешевых китайских компьютерных колонках, их звучание заметно улучшается. Здесь узнаем еще одну хитрость: мощные выходные транзисторы нужно ставить на радиаторы. Компоненты, требующие дополнительного охлаждения, на схемах обводятся пунктиром; правда, далеко не всегда; иногда – с указанием необходимой рассеивающей площади теплоотвода. Наладка этого УМЗЧ – балансировка с помощью R2.

Справа на рис. – еще не монстр на 350 Вт (как был показан в начале статьи), но уже вполне солидный зверюга: простой усилитель на транзисторах мощностью 100 Вт. Музыку через него слушать можно, но не Hi-Fi, класс работы – AB2. Однако для озвучивания площадки для пикника или собрания на открытом воздухе, школьного актового или небольшого торгового зала он вполне пригоден. Любительская рок-группа, имея по такому УМЗЧ на инструмент, может успешно выступать.

В этом УМЗЧ проявляются еще 2 хитрости: во-первых, в очень мощных усилителях каскад раскачки мощного выхода тоже нужно охлаждать, поэтому VT3 ставят на радиатор от 100 кв. см. Для выходных VT4 и VT5 нужны радиаторы от 400 кв. см. Во-вторых, УМЗЧ с двухполярным питанием совсем без нагрузки не балансируются. То один, то другой выходной транзистор уходит в отсечку, а сопряженный в насыщение. Затем, на полном напряжении питания скачки тока при балансировке способны вывести из строя выходные транзисторы. Поэтому для балансировки (R6, догадались?) усилитель запитывают от +/–24 В, а вместо нагрузки включают проволочный резистор 100…200 Ом. Кстати, закорючки в некоторых резисторах на схеме – римские цифры, обозначающие их необходимую мощность рассеяния тепла.

Примечание: источник питания для этого УМЗЧ нужен мощностью от 600 Вт. Конденсаторы сглаживающего фильтра – от 6800 мкФ на 160 В. Параллельно электролитическим конденсаторам ИП включаются керамические по 0,01 мкФ для предотвращения самовозбуждения на ультразвуковых частотах, способного мгновенно сжечь выходные транзисторы.

На полевиках

На след. рис. – еще один вариант достаточно мощного УМЗЧ (30 Вт, а при напряжении питания 35 В – 60 Вт) на мощных полевых транзисторах:

Звук от него уже тянет на требования к Hi-Fi начального уровня (если, разумеется, УМЗЧ работает на соотв. акустические системы, АС). Мощные полевики не требуют большой мощности для раскачки, поэтому и предмощного каскада нет. Еще мощные полевые транзисторы ни при каких неисправностях не сжигают динамики – сами быстрее сгорают. Тоже неприятно, но все-таки дешевле, чем менять дорогую басовую головку громкоговорителя (ГГ). Балансировка и вообще наладка данному УМЗЧ не требуются. Недостаток у него, как у конструкции для начинающих, всего один: мощные полевые транзисторы много дороже биполярных для усилителя с такими же параметрами. Требования к ИП – аналогичные пред. случаю, но мощность его нужна от 450 Вт. Радиаторы – от 200 кв. см.

Примечание: не надо строить мощные УМЗЧ на полевых транзисторах для импульсных источников питания, напр. компьютерных. При попытках «загнать» их в активный режим, необходимый для УМЗЧ, они или просто сгорают, или звук дают слабый, а по качеству «никакой». То же касается мощных высоковольтных биполярных транзисторов, напр. из строчной развертки старых телевизоров.

Сразу вверх

Если вы уже сделали первые шаги, то вполне естественным будет желание построить УМЗЧ класса Hi-Fi, не вдаваясь слишком глубоко в теоретические дебри. Для этого придется расширить приборный парк – нужен осциллограф, генератор звуковых частот (ГЗЧ) и милливольтметр переменного тока с возможностью измерения постоянной составляющей. Прототипом для повторения лучше взять УМЗЧ Е. Гумели, подробно описанный в «Радио» №1 за 1989 г. Для его постройки понадобится немного недорогих доступных компонент, но качество удовлетворяет весьма высоким требованиям: мощность до 60 Вт, полоса 20-20 000 Гц, неравномерность АЧХ 2 дБ, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) 0,01%, уровень собственных шумов –86 дБ. Однако наладить усилитель Гумели достаточно сложно; если вы с ним справитесь, можете браться за любой другой. Впрочем, кое-какие из известных ныне обстоятельств намного упрощают налаживание данного УМЗЧ, см. ниже. Имея в виду это и то, что в архивы «Радио» пробраться не всем удается, уместно будет повторить основные моменты.

Схемы простого высококачественного УМЗЧ

Схемы УМЗЧ Гумели и спецификация к ним даны на иллюстрации. Радиаторы выходных транзисторов – от 250 кв. см. для УМЗЧ по рис. 1 и от 150 кв. см. для варианта по рис. 3 (нумерация оригинальная). Транзисторы предвыходного каскада (КТ814/КТ815) устанавливаются на радиаторы, согнутые из алюминиевых пластин 75х35 мм толщиной 3 мм. Заменять КТ814/КТ815 на КТ626/КТ961 не стоит, звук заметно не улучшается, но налаживание серьезно затрудняется.

Этот УМЗЧ очень критичен к электропитанию, топологии монтажа и общей, поэтому налаживать его нужно в конструктивно законченном виде и только со штатным источником питания. При попытке запитать от стабилизированного ИП выходные транзисторы сгорают сразу. Поэтому на рис. даны чертежи оригинальных печатных плат и указания по наладке. К ним можно добавить что, во-первых, если при первом включении заметен «возбуд», с ним борются, меняя индуктивность L1. Во-вторых, выводы устанавливаемых на платы деталей должны быть не длиннее 10 мм. В-третьих, менять топологию монтажа крайне нежелательно, но, если очень надо, на стороне проводников обязательно должен быть рамочный экран (земляная петля, выделена цветом на рис.), а дорожки электропитания должны проходить вне ее.

Примечание: разрывы в дорожках, к которым подключаются базы мощных транзисторов – технологические, для налаживания, после чего запаиваются каплями припоя.

Налаживание данного УМЗЧ много упрощается, а риск столкнуться с «возбудом» в процессе пользования сводится к нулю, если:

• Минимизировать межблочный монтаж, поместив платы на радиаторах мощных транзисторов.
• Полностью отказаться от разъемов внутри, выполнив весь монтаж только пайкой. Тогда не нужны будут R12, R13 в мощном варианте или R10 R11 в менее мощном (на схемах они пунктирные).
• Использовать для внутреннего монтажа аудиопровода из бескислородной меди минимальной длины.

При выполнении этих условий с возбуждением проблем не бывает, а налаживание УМЗЧ сводится к рутинной процедуре, описанной на рис.

Провода для звука

Аудиопровода не досужая выдумка. Необходимость их применения в настоящее время несомненна. В меди с примесью кислорода на гранях кристаллитов металла образуется тончайшая пленочка окисла. Оксиды металлов полупроводники и, если ток в проводе слабый без постоянной составляющей, его форма искажается. По идее, искажения на мириадах кристаллитов должны компенсировать друг друга, но самая малость (похоже, обусловленная квантовыми неопределенностями) остается. Достаточная, чтобы быть замеченной взыскательными слушателями на фоне чистейшего звука современных УМЗЧ.

Производители и торговцы без зазрения совести подсовывают вместо бескислородной обычную электротехническую медь – отличить одну от другой на глаз невозможно. Однако есть сфера применения, где подделка не проходит однозначно: кабель витая пара для компьютерных сетей. Положить сетку с длинными сегментами «леварем», она или вовсе не запустится, или будет постоянно глючить. Дисперсия импульсов, понимаешь ли.

Автор, когда только еще пошли разговоры об аудиопроводах, понял, что, в принципе, это не пустая болтовня, тем более, что бескислородные провода к тому времени уже давно использовались в технике спецназначения, с которой он по роду деятельности был хорошо знаком. Взял тогда и заменил штатный шнур своих наушников ТДС-7 самодельным из «витухи» с гибкими многожильными проводами. Звук, на слух, стабильно улучшился для сквозных аналоговых треков, т.е. на пути от студийного микрофона до диска нигде не подвергавшихся оцифровке. Особенно ярко зазвучали записи на виниле, сделанные по технологии DMM (Direct Meta lMastering, непосредственное нанесение металла). После этого межблочный монтаж всего домашнего аудио был переделан на «витушный». Тогда улучшение звучания стали отмечать и совершенно случайные люди, к музыке равнодушные и заранее не предуведомленные.

Как сделать межблочные провода из витой пары, см. след. видео.

Видео: межблочные провода из витой пары своими руками

К сожалению, гибкая «витуха» скоро исчезла из продажи – плохо держалась в обжимаемых разъемах. Однако, к сведению читателей, только из бескислородной меди делается гибкий «военный» провод МГТФ и МГТФЭ (экранированный). Подделка невозможна, т.к. на обычной меди ленточная фторопластовая изоляция довольно быстро расползается. МГТФ сейчас есть в широкой продаже и стоит много дешевле фирменных, с гарантией, аудиопроводов. Недостаток у него один: его невозможно выполнить расцвеченным, но это можно исправить бирками. Есть также и бескислородные обмоточные провода, см. далее.

Теоретическая интермедия

Как видим, уже на первых порах освоения звукотехники нам пришлось столкнуться с понятием Hi-Fi (High Fidelity), высокая верность воспроизведения звука. Hi-Fi бывают разных уровней, которые ранжируются по след. основным параметрам:

1. Полосе воспроизводимых частот.
2. Динамическому диапазону – отношению в децибелах (дБ) максимальной (пиковой) выходной мощности к уровню собственных шумов.
3. Уровню собственных шумов в дБ.
4. Коэффициенту нелинейных искажений (КНИ) на номинальной (долговременной) выходной мощности. КНИ на пиковой мощности принимается 1% или 2% в зависимости от методики измерений.
5. Неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе воспроизводимых частот. Для АС – отдельно на низких (НЧ, 20-300 Гц), средних (СЧ, 300-5000 Гц) и высоких (ВЧ, 5000-20 000 Гц) звуковых частотах.

Примечание: отношение абсолютных уровней каких-либо величин I в (дБ) определяется как P(дБ) = 20lg(I1/I2). Если I1

Все тонкости и нюансы Hi-Fi нужно знать, занимаясь проектированием и постройкой АС, а что касается самодельного Hi-Fi УМЗЧ для дома, то, прежде чем переходить к таким, нужно четко уяснить себе требования к их мощности, необходимой для озвучивания данного помещения, динамическому диапазону (динамике), уровню собственных шумов и КНИ. Добиться от УМЗЧ полосы частот 20-20 000 Гц с завалом на краях по 3 дБ и неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ на современной элементной базе не составляет больших сложностей.

Громкость

Мощность УМЗЧ не самоцель, она должна обеспечивать оптимальную громкость воспроизведения звука в данном помещении. Определить ее можно по кривым равной громкости, см. рис. Естественных шумов в жилых помещениях тише 20 дБ не бывает; 20 дБ это лесная глушь в полный штиль. Уровень громкости в 20 дБ относительно порога слышимости это порог внятности – шепот разобрать еще можно, но музыка воспринимается только как факт ее наличия. Опытный музыкант может определить, какой инструмент играет, но что именно – нет.

40 дБ – нормальный шум хорошо изолированной городской квартиры в тихом районе или загородного дома – представляет порог разборчивости. Музыку от порога внятности до порога разборчивости можно слушать при наличии глубокой коррекции АЧХ, прежде всего по басам. Для этого в современные УМЗЧ вводят функцию MUTE (приглушка, мутирование, не мутация!), включающую соотв. корректирующие цепи в УМЗЧ.

90 дБ – уровень громкости симфонического оркестра в очень хорошем концертном зале. 110 дБ может выдать оркестр расширенного состава в зале с уникальной акустикой, каких в мире не более 10, это порог восприятия: звуки громче воспринимаются еще как различимый по смыслу с усилием воли, но уже раздражающий шум. Зона громкости в жилых помещениях 20-110 дБ составляет зону полной слышимости, а 40-90 дБ – зону наилучшей слышимости, в которой неподготовленные и неискушенные слушатели вполне воспринимают смысл звука. Если, конечно, он в нем есть.

Мощность

Расчет мощности аппаратуры по заданной громкости в зоне прослушивания едва ли не основная и самая трудная задача электроакустики. Для себя в условиях лучше идти от акустических систем (АС): рассчитать их мощность по упрощенной методике, и принять номинальную (долговременную) мощность УМЗЧ равной пиковой (музыкальной) АС. В таком случае УМЗЧ не добавит заметно своих искажений к таковым АС, они и так основной источник нелинейности в звуковом тракте. Но и делать УМЗЧ слишком мощным не следует: в таком случае уровень его собственных шумов может оказаться выше порога слышимости, т.к. считается он от уровня напряжения выходного сигнала на максимальной мощности. Если считать совсем уж просто, то для комнаты обычной квартиры или дома и АС с нормальной характеристической чувствительностью (звуковой отдачей) можно принять след. значения оптимальной мощности УМЗЧ:

• До 8 кв. м – 15-20 Вт.
• 8-12 кв. м – 20-30 Вт.
• 12-26 кв. м – 30-50 Вт.
• 26-50 кв. м – 50-60 Вт.
• 50-70 кв. м – 60-100 Вт.
• 70-100 кв. м – 100-150 Вт.
• 100-120 кв. м – 150-200 Вт.
• Более 120 кв. м – определяется расчетом по данным акустических измерений на месте.

Динамика

Динамический диапазон УМЗЧ определяется по кривым равной громкости и пороговым значениям для разных степеней восприятия:

1. Симфоническая музыка и джаз с симфоническим сопровождением – 90 дБ (110 дБ – 20 дБ) идеал, 70 дБ (90 дБ – 20 дБ) приемлемо. Звук с динамикой 80-85 дБ в городской квартире не отличит от идеального никакой эксперт.
2. Прочие серьезные музыкальные жанры – 75 дБ отлично, 80 дБ «выше крыши».
3. Попса любого рода и саундтреки к фильмам – 66 дБ за глаза хватит, т.к. данные опусы уже при записи сжимаются по уровням до 66 дБ и даже до 40 дБ, чтобы можно было слушать на чем угодно.

Динамический диапазон УМЗЧ, правильно выбранного для данного помещения, считают равным его уровню собственных шумов, взятому со знаком +, это т. наз. отношение сигнал/шум.

КНИ

Нелинейные искажения (НИ) УМЗЧ это составляющие спектра выходного сигнала, которых не было во входном. Теоретически НИ лучше всего «затолкать» под уровень собственных шумов, но технически это очень трудно реализуемо. На практике берут в расчет т. наз. эффект маскировки: на уровнях громкости ниже прим. 30 дБ диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот сужается, как и способность различать звуки по частоте. Музыканты слышат ноты, но оценить тембр звука затрудняются. У людей без музыкального слуха эффект маскировки наблюдается уже на 45-40 дБ громкости. Поэтому УМЗЧ с КНИ 0,1% (–60 дБ от уровня громкости в 110 дБ) оценит как Hi-Fi рядовой слушатель, а с КНИ 0,01% (–80 дБ) можно считать не искажающим звук.

Лампы

Последнее утверждение, возможно, вызовет неприятие, вплоть до яростного, у адептов ламповой схемотехники: мол, настоящий звук дают только лампы, причем не просто какие-то, а отдельные типы октальных. Успокойтесь, господа – особенный ламповый звук не фикция. Причина – принципиально различные спектры искажений у электронных ламп и транзисторов. Которые, в свою очередь, обусловлены тем, что в лампе поток электронов движется в вакууме и квантовые эффекты в ней не проявляются. Транзистор же прибор квантовый, там неосновные носители заряда (электроны и дырки) движутся в кристалле, что без квантовых эффектов вообще невозможно. Поэтому спектр ламповых искажений короткий и чистый: в нем четко прослеживаются только гармоники до 3-й – 4-й, а комбинационных составляющих (сумм и разностей частот входного сигнала и их гармоник) очень мало. Поэтому во времена вакуумной схемотехники КНИ называли коэффициентом гармоник (КГ). У транзисторов же спектр искажений (если они измеримы, оговорка случайная, см. ниже) прослеживается вплоть до 15-й и более высоких компонент, и комбинационных частот в нем хоть отбавляй.

На первых порах твердотельной электроники конструкторы транзисторных УМЗЧ брали для них привычный «ламповый» КНИ в 1-2%; звук с ламповым спектром искажений такой величины рядовыми слушателями воспринимается как чистый. Между прочим, и самого понятия Hi-Fiтогда еще не было. Оказалось – звучат тускло и глухо. В процессе развития транзисторной техники и выработалось понимание, что такое Hi-Fi и что для него нужно.

В настоящее время болезни роста транзисторной техники успешно преодолены и побочные частоты на выходе хорошего УМЗЧ с трудом улавливаются специальными методами измерений. А ламповую схемотехнику можно считать перешедшей в разряд искусства. Его основа может быть любой, почему же электронике туда нельзя? Тут уместна будет аналогия с фотографией. Никто не сможет отрицать, что современная цифрозеркалка дает картинку неизмеримо более четкую, подробную, глубокую по диапазону яркостей и цвета, чем фанерный ящичек с гармошкой. Но кто-то крутейшим Никоном «клацает фотки» типа «это мой жирный кошак нажрался как гад и дрыхнет раскинув лапы», а кто-то Сменой-8М на свемовскую ч/б пленку делает снимок, перед которым на престижной выставке толпится народ.

Примечание: и еще раз успокойтесь – не все так плохо. На сегодня у ламповых УМЗЧ малой мощности осталось по крайней мере одно применение, и не последней важности, для которого они технически необходимы.

Опытный стенд

Многие любители аудио, едва научившись паять, тут же «уходят в лампы». Это ни в коем случае не заслуживает порицания, наоборот. Интерес к истокам всегда оправдан и полезен, а электроника стала таковой на лампах. Первые ЭВМ были ламповыми, и бортовая электронная аппаратура первых космических аппаратов была тоже ламповой: транзисторы тогда уже были, но не выдерживали внеземной радиации. Между прочим, тогда под строжайшим секретом создавались и ламповые… микросхемы! На микролампах с холодным катодом. Единственное известное упоминание о них в открытых источниках есть в редкой книге Митрофанова и Пикерсгиля «Современные приемно-усилительные лампы».

Но хватит лирики, к делу. Для любителей повозиться с лампами на рис. – схема стендового лампового УМЗЧ, предназначенного именно для экспериментов: SA1 переключается режим работы выходной лампы, а SA2 – напряжение питания. Схема хорошо известна в РФ, небольшая доработка коснулась только выходного трансформатора: теперь можно не только «гонять» в разных режимах родную 6П7С, но и подбирать для других ламп коэффициент включения экранной сетки в ульралинейном режиме; для подавляющего большинства выходных пентодов и лучевых тетродов он или 0,22-0,25, или 0,42-0,45. Об изготовлении выходного трансформатора см. ниже.

Гитаристам и рокерам

Это тот самый случай, когда без ламп не обойтись. Как известно, электрогитара стала полноценным солирующим инструментом после того, как предварительно усиленный сигнал со звукоснимателя стали пропускать через специальную приставку – фьюзер – преднамеренно искажающую его спектр. Без этого звук струны был слишком резким и коротким, т.к. электромагнитный звукосниматель реагирует только на моды ее механических колебаний в плоскости деки инструмента.

Вскоре выявилось неприятное обстоятельство: звучание электрогитары с фьюзером обретает полную силу и яркость только на больших громкостях. Особенно это проявляется для гитар со звукоснимателем типа хамбакер, дающим самый «злой» звук. А как быть начинающему, вынужденному репетировать дома? Не идти же в зал выступать, не зная точно, как там зазвучит инструмент. И просто любителям рока хочется слушать любимые вещи в полном соку, а рокеры народ в общем-то приличный и неконфликтный. По крайней мере те, кого интересует именно рок-музыка, а не антураж с эпатажем.

Так вот, оказалось, что роковый звук появляется на уровнях громкости, приемлемых для жилых помещений, если УМЗЧ ламповый. Причина – специфическое взаимодействие спектра сигнала с фьюзера с чистым и коротким спектром ламповых гармоник. Тут снова уместна аналогия: ч/б фото может быть намного выразительнее цветного, т.к. оставляет для просмотра только контур и свет.

Тем, кому ламповый усилитель нужен не для экспериментов, а в силу технической необходимости, долго осваивать тонкости ламповой электроники недосуг, они другим увлечены. УМЗЧ в таком случае лучше делать бестрансформаторный. Точнее – с однотактным согласующим выходным трансформатором, работающим без постоянного подмагничивания. Такой подход намного упрощает и ускоряет изготовление самого сложного и ответственного узла лампового УМЗЧ.

“Бестрансформаторный” ламповый выходной каскад УМЗЧ и предварительные усилители к нему

Справа на рис. дана схема бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ, а слева – варианты предварительного усилителя для него. Вверху – с регулятором тембра по классической схеме Баксандала, обеспечивающей достаточно глубокую регулировку, но вносящей небольшие фазовые искажения в сигнал, что может быть существенно при работе УМЗЧ на 2-полосную АС. Внизу – предусилитель с регулировкой тембра попроще, не искажающей сигнал.

Но вернемся к «оконечнику». В ряде зарубежных источников данная схема считается откровением, однако идентичная ей, за исключением емкости электролитических конденсаторов, обнаруживается в советском «Справочнике радиолюбителя» 1966 г. Толстенная книжища на 1060 страниц. Не было тогда интернета и баз данных на дисках.

Там же, справа на рис., коротко, но ясно описаны недостатки этой схемы. Усовершенствованная, из того же источника, дана на след. рис. справа. В ней экранная сетка Л2 запитана от средней точки анодного выпрямителя (анодная обмотка силового трансформатора симметричная), а экранная сетка Л1 через нагрузку. Если вместо высокоомных динамиков включить согласующий трансформатор с обычным динамиков, как в пред. схеме, выходная мощность составить ок. 12 Вт, т.к. активное сопротивление первичной обмотки трансформатора много меньше 800 Ом. КНИ этого оконечного каскада с трансформаторным выходом – прим. 0,5%

Как сделать трансформатор?

Главные враги качества мощного сигнального НЧ (звукового) трансформатора – магнитное поле рассеяния, силовые линии которого замыкаются, обходя магнитопровод (сердечник), вихревые токи в магнитопроводе (токи Фуко) и, в меньшей степени – магнитострикция в сердечнике. Из-за этого явления небрежно собранный трансформатор «поет», гудит или пищит. С токами Фуко борются, уменьшая толщину пластин магнитопровода и дополнительно изолируя их лаком при сборке. Для выходных трансформаторов оптимальная толщина пластин – 0,15 мм, максимально допустимая – 0,25 мм. Брать для выходного трансформатора пластины тоньше не следует: коэффициент заполнения керна (центрального стержня магнитопровода) сталью упадет, сечение магнитопровода для получения заданной мощности придется увеличить, отчего искажения и потери в нем только возрастут.

В сердечнике звукового трансформатора, работающего с постоянным подмагничиванием (напр., анодным током однотактного выходного каскада) должен быть небольшой (определяется расчетом) немагнитный зазор. Наличие немагнитного зазора, с одной стороны, уменьшает искажения сигнала от постоянного подмагничивания; с другой – в магнитопроводе обычного типа увеличивает поле рассеяния и требует сердечника большего сечения. Поэтому немагнитный зазор нужно рассчитывать на оптимум и выполнять как можно точнее.

Для трансформаторов, работающих с подмагничиванием, оптимальный тип сердечника – из пластин Шп (просеченных), поз. 1 на рис. В них немагнитный зазор образуется при просечке керна и потому стабилен; его величина указывается в паспорте на пластины или замеряется набором щупов. Поле рассеяния минимально, т.к. боковые ветви, через которые замыкается магнитный поток, цельные. Из пластин Шп часто собирают и сердечники трансформаторов без подмагничивания, т.к. пластины Шп делают из высококачественной трансформаторной стали. В таком случае сердечник собирают вперекрышку (пластины кладут просечкой то в одну, то в другую сторону), а его сечение увеличивают на 10% против расчетного.

Трансформаторы без подмагничивания лучше мотать на сердечниках УШ (уменьшенной высоты с уширенными окнами), поз. 2. В них уменьшение поля рассеяния достигается за счет уменьшения длины магнитного пути. Поскольку пластины УШ доступнее Шп, из них часто набирают и сердечники трансформаторов с подмагничиванием. Тогда сборку сердечника ведут внакрой: собирают пакет из Ш-пластин, кладут полоску непроводящего немагнитного материала толщиной в величину немагнитного зазора, накрывают ярмом из пакета перемычек и стягивают все вместе обоймой.

Примечание: «звуковые» сигнальные магнитопроводы типа ШЛМ для выходных трансформаторов высококачественных ламповых усилителей мало пригодны, у них большое поле рассеяния.

На поз. 3 дана схема размеров сердечника для расчета трансформатора, на поз. 4 конструкция каркаса обмоток, а на поз. 5 – выкройки его деталей. Что до трансформатора для «бестрансформаторного» выходного каскада, то его лучше делать на ШЛМме вперекрышку, т.к. подмагничивание ничтожно мало (ток подмагничивания равен току экранной сетки). Главная задача тут – сделать обмотки как можно компактнее с целью уменьшения поля рассеяния; их активное сопротивление все равно получится много меньше 800 Ом. Чем больше свободного места останется в окнах, тем лучше получился трансформатор. Поэтому обмотки мотают виток к витку (если нет намоточного станка, это маета ужасная) из как можно более тонкого провода, коэффициент укладки анодной обмотки для механического расчета трансформатора берут 0,6. Обмоточный провод – марок ПЭТВ или ПЭММ, у них жила бескислородная. ПЭТВ-2 или ПЭММ-2 брать не надо, у них от двойной лакировки увеличенный наружный диаметр и поле рассеяния будет больше. Первичную обмотку мотают первой, т.к. именно ее поле рассеяния больше всего влияет на звук.

Железо для этого трансформатора нужно искать с отверстиями в углах пластин и стяжными скобами (см. рис. справа), т.к. «для полного счастья» сборка магнитопровода производится в след. порядке (разумеется, обмотки с выводами и наружной изоляцией должны быть уже на каркасе):

1. Готовят разбавленный вдвое акриловый лак или, по старинке, шеллак;
2. Пластины с перемычками быстро покрывают лаком с одной стороны и как можно быстрее, не придавливая сильно, вкладывают в каркас. Первую пластину кладут лакированной стороной внутрь, следующую – нелакированной стороной к лакированной первой и т.д;
3. Когда окно каркаса заполнится, накладывают скобы и туго стягивают болтами;
4. Через 1-3 мин, когда выдавливание лака из зазоров видимо прекратится, добавляют пластин снова до заполнения окна;
5. Повторяют пп. 2-4, пока окно не будет туго набито сталью;
6. Снова туго стягивают сердечник и сушат на батарее и т.п. 3-5 суток.

Собранный по такой технологии сердечник имеет очень хорошие изоляцию пластин и заполнение сталью. Потерь на магнитострикцию вообще не обнаруживается. Но учтите – для сердечников их пермаллоя данная методика неприменима, т.к. от сильных механических воздействий магнитные свойства пермаллоя необратимо ухудшаются!

На микросхемах

УМЗЧ на интегральных микросхемах (ИМС) делают чаще всего те, кого устраивает качество звука до среднего Hi-Fi, но более привлекает дешевизна, быстрота, простота сборки и полное отсутствие каких-либо наладочных процедур, требующих специальных знаний. Попросту, усилитель на микросхемах – оптимальный вариант для «чайников». Классика жанра здесь – УМЗЧ на ИМС TDA2004, стоящей на серии, дай бог памяти, уже лет 20, слева на рис. Мощность – до 12 Вт на канал, напряжение питания – 3-18 В однополярное. Площадь радиатора – от 200 кв. см. для максимальной мощности. Достоинство – способность работать на очень низкоомную, до 1,6 Ом, нагрузку, что позволяет снимать полную мощность при питании от бортовой сети 12 В, а 7-8 Вт – при 6-вольтовом питании, напр., на мотоцикле. Однако выход TDA2004 в классе В некомплементарный (на транзисторах одинаковой проводимости), поэтому звучок точно не Hi-Fi: КНИ 1%, динамика 45 дБ.

Более современная TDA7261 звук дает не лучше, но мощнее, до 25 Вт, т.к. верхний предел напряжения питания увеличен до 25 В. Нижний, 4,5 В, все еще позволяет запитываться от 6 В бортсети, т.е. TDA7261 можно запускать практически от всех бортсетей, кроме самолетной 27 В. С помощью навесных компонент (обвязки, справа на рис.) TDA7261 может работать в режиме мутирования и с функцией St-By (Stand By, ждать), переводящей УМЗЧ в режим минимального энергопотребления при отсутствии входного сигнала в течение определенного времени. Удобства стоят денег, поэтому для стерео нужна будет пара TDA7261 с радиаторами от 250 кв. см. для каждой.

Примечание: если вас чем-то привлекают усилители с функцией St-By, учтите – ждать от них динамики шире 66 дБ не стоит.

«Сверхэкономична» по питанию TDA7482, слева на рис., работающая в т. наз. классе D. Такие УМЗЧ иногда называют цифровыми усилителями, что неверно. Для настоящей оцифровки с аналогового сигнала снимают отсчеты уровня с частотой квантования, не мене чем вдвое большей наивысшей из воспроизводимых частот, величина каждого отсчета записывается помехоустойчивым кодом и сохраняется для дальнейшего использования. УМЗЧ класса D – импульсные. В них аналог непосредственно преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов (ШИМ) высокой частоты, которая и подается на динамик через фильтр низких частот (ФНЧ).

Звук класса D с Hi-Fi не имеет ничего общего: КНИ в 2% и динамика в 55 дБ для УМЗЧ класса D считаются очень хорошими показателями. И TDA7482 здесь, надо сказать, выбор не оптимальный: другие фирмы, специализирующиеся на классе D, выпускают ИМС УМЗЧ дешевле и требующие меньшей обвязки, напр., D-УМЗЧ серии Paxx, справа на рис.

Из TDAшек следует отметить 4-канальную TDA7385, см. рис., на которой можно собрать хороший усилитель для колонок до среднего Hi-Fi включительно, с разделением частот на 2 полосы или для системы с сабвуфером. Расфильтровка НЧ и СЧ-ВЧ в том и другом случае делается по входу на слабом сигнале, что упрощает конструкцию фильтров и позволяет глубже разделить полосы. А если акустика сабвуферная, то 2 канала TDA7385 можно выделить под суб-УНЧ мостовой схемы (см. ниже), а остальные 2 задействовать для СЧ-ВЧ.

УМЗЧ для сабвуфера

Сабвуфер, что можно перевести как «подбасовик» или, дословно, «подгавкиватель» воспроизводит частоты до 150-200 Гц, в этом диапазоне человеческие уши практически не способны определить направление на источник звука. В АС с сабвуфером «подбасовый» динамик ставят в отельное акустическое оформление, это и есть сабвуфер как таковой. Сабвуфер размещают, в принципе, как удобнее, а стереоэффект обеспечивается отдельными СЧ-ВЧ каналами со своими малогабаритными АС, к акустическому оформлению которых особо серьезных требований не предъявляется. Знатоки сходятся на том, что стерео лучше все же слушать с полным разделением каналов, но сабвуферные системы существенно экономят средства или труд на басовый тракт и облегчают размещение акустики в малогабаритных помещениях, почему и пользуются популярностью у потребителей с обычным слухом и не особо взыскательных.

«Просачивание» СЧ-ВЧ в сабвуфер, а из него в воздух, сильно портит стерео, но, если резко «обрубить» подбасы, что, кстати, очень сложно и дорого, то возникнет очень неприятный на слух эффект перескока звука. Поэтому расфильтровка каналов в сабвуферных системах производится дважды. На входе электрическими фильтрами выделяются СЧ-ВЧ с басовыми «хвостиками», не перегружающими СЧ-ВЧ тракт, но обеспечивающими плавный переход на подбас. Басы с СЧ «хвостиками» объединяются и подаются на отдельный УМЗЧ для сабвуфера. Дофильтровываются СЧ, чтобы не портилось стерео, в сабвуфере уже акустически: подбасовый динамик, ставят, напр., в перегородку между резонаторными камерами сабвуфера, не выпускающими СЧ наружу, см. справа на рис.

К УМЗЧ для сабвуфера предъявляется ряд специфических требований, из которых «чайники» главным считают возможно большую мощность. Это совершенно неправильно, если, скажем, расчет акустики под комнату дал для одной колонки пиковую мощность W, то мощность сабвуфера нужна 0,8(2W) или 1,6W. Напр., если для комнаты подходят АС S-30, то сабвуфер нужен 1,6х30=48 Вт.

Гораздо важнее обеспечить отсутствие фазовых и переходных искажений: пойдут они – перескок звука обязательно будет. Что касается КНИ, то он допустим до 1% Собственные искажения басов такого уровня не слышны (см. кривые равной громкости), а «хвосты» их спектра в лучше всего слышимой СЧ области не выберутся из сабвуфера наружу.

Во избежание фазовых и переходных искажений усилитель для сабвуфера строят по т. наз. мостовой схеме: выходы 2-х идентичных УМЗЧ включают встречно через динамик; сигналы на входы подаются в противофазе. Отсутствие фазовых и переходных искажений в мостовой схеме обусловлено полной электрической симметрией путей выходного сигнала. Идентичность усилителей, образующих плечи моста, обеспечивается применением спаренных УМЗЧ на ИМС, выполненных на одном кристалле; это, пожалуй, единственный случай, когда усилитель на микросхемах лучше дискретного.

Примечание: мощность мостового УМЗЧ не удваивается, как думают некоторые, она определяется напряжением питания.

Пример схемы мостового УМЗЧ для сабвуфера в комнату до 20 кв. м (без входных фильтров) на ИМС TDA2030 дан на рис. слева. Дополнительная отфильтровка СЧ осуществляется цепями R5C3 и R’5C’3. Площадь радиатора TDA2030 – от 400 кв. см. У мостовых УМЗЧ с открытым выходом есть неприятная особенность: при разбалансе моста в токе нагрузки появляется постоянная составляющая, способная вывести из строя динамик, а схемы защиты на подбасах часто глючат, отключая динамик, когда не надо. Поэтому лучше защитить дорогую НЧ головку «дубово», неполярными батареями электролитических конденсаторов (выделено цветом, а схема одной батареи дана на врезке.

Немного об акустике

Акустическое оформление сабвуфера – особая тема, но раз уж здесь дан чертеж, то нужны и пояснения. Материал корпуса – МДФ 24 мм. Трубы резонаторов – из достаточно прочного не звенящего пластика, напр., полиэтилена. Внутренний диаметр труб – 60 мм, выступы внутрь 113 мм в большой камере и 61 в малой. Под конкретную головку громкоговорителя сабвуфер придется перенастроить по наилучшему басу и, одновременно, по наименьшему влиянию на стереоэффект. Для настройки трубы берут заведомо большей длины и, задвигая-выдвигая, добиваются требуемого звучания. Выступы труб наружу на звук не влияют, их потом отрезают. Настройка труб взаимозависима, так что повозиться придется.

Усилитель для наушников

Усилитель для наушников делают своими руками чаще всего по 2-м причинам. Первая – для слушания «на ходу», т.е. вне дома, когда мощности аудиовыхода плеера или смартфона не хватает для раскачки «пуговок» или «лопухов». Вторая – для высококлассных домашних наушников. Hi-Fi УМЗЧ для обычной жилой комнаты нужен с динамикой до 70-75 дБ, но динамический диапазон лучших современных стереонаушников превышает 100 дБ. Усилитель с такой динамикой стоит дороже некоторых автомобилей, а его мощность будет от 200 Вт в канале, что для обычной квартиры слишком много: прослушивание на сильно заниженной против номинальной мощности портит звук, см. выше. Поэтому имеет смысл сделать маломощный, но с хорошей динамикой отдельный усилитель именно для наушников: цены на бытовые УМЗЧ с таким довеском завышены явно несуразно.

Схема простейшего усилителя для наушников на транзисторах дана на поз. 1 рис. Звук – разве что для китайских «пуговок», работает в классе B. Экономичностью тоже не отличается – 13-мм литиевых батареек хватает на 3-4 часа при полной громкости. На поз. 2 – TDAшная классика для наушников «на ход». Звук, впрочем, дает вполне приличный, до среднего Hi-Fi смотря по параметрам оцифровки трека. Любительским усовершенствованиям обвязки TDA7050 несть числа, но перехода звука на следующий уровень классности пока не добился никто: сама «микруха» не позволяет. TDA7057 (поз. 3) просто функциональнее, можно подключать регулятор громкости на обычном, не сдвоенном, потенциометре.

УМЗЧ для наушников на TDA7350 (поз. 4) рассчитан уже на раскачку хорошей индивидуальной акустики. Именно на этой ИМС собраны усилители для наушников в большинстве бытовых УМЗЧ среднего и высокого класса. УМЗЧ для наушников на KA2206B (поз. 5) считается уже профессиональным: его максимальной мощности в 2,3 Вт хватает и для раскачки таких серьезных изодинамических «лопухов», как ТДС-7 и ТДС-15.

УНЧ на микросхеме TDA 7293/7294

---

Усилитель звука на ПК, как следует из названия, представляет собой схему, которая помогает усилить звуковую систему компьютера. В большинстве случаев звук компьютера или ноутбука недостаточно громкий или чистый для воспроизведения видео/аудио. Следовательно, здесь пригодится небольшая схема компьютерного усилителя.

Таким образом, усилитель звука на ПК преобразует слабый аудиосигнал в громкий звук. В настоящее время многие люди используют свои компьютеры и телефоны в качестве развлекательных устройств; таким образом, высокое качество звука является обязательным. Если вы считаете, что ваша звуковая система не соответствуют стандартам, это руководство научит вас, как сделать звук громче и улучшить ваши впечатления от игр, прослушивания или просмотра.

Представленная здесь схема усилителя звука для ПК, довольно простая для повторения, выполнить ее может практически любой радиолюбитель, собрана она на популярной микросхеме TDA7294. В работе TDA7294 достаточно надежна, обладает приличным звучанием и стоимость ее по сравнению с аналогичными ИС заметно ниже. При условии правильной сборки схемы, усилитель начинает работать без дополнительных настроек.

Принципиальная схема — усилитель звука на ПК TDA 7293/7294

В процессе построения схемы усилителя я добавил в проект устройство задержки включения и защиты акустической системы от щелчков, возникающих при подачи напряжения питания на усилитель. Время задержки включения динамиков я установил на 5 секунд, этого вполне достаточно, чтобы локализовать динамический удар в громкоговорителе. Разводку печатной платы выполнял самостоятельноПечатную плату разводил сам, но как назло исходника не сохранилось. Тем не менее, при необходимости печатную плату можно выполнить по фотографии.

Схема защита акустической системы

В виду того, что усилитель звука на ПК подключен к компьютеру практически столько же сколько включен ПК, то в первичную обмотку трансформатора я включил небольшую схемку для автоматического включения и отключения усилителя, реализованную на 3-х позиционном выключателе SA2.

В средней позиции выключателя — усилитель полностью отключен. В позиции ВЕРХ по схеме — усилитель постоянно включен. В позиции НИЗ по схеме — УНЧ получает напряжение питания по шине USB, то-есть при включении системного блока включается и усилитель звука на ПК и также отключается.

Схема автоматического включения/выключения и блок питания усилителя звука

Последовательные этапы построения усилителя звука на ПК:

Верхняя и боковые панели корпуса

Корпус без начинки

Фронтальная и боковые панели корпуса изготовлены из металла толщиной 1,5мм. Тыльная стенка (она же выполняет функцию радиатора охлаждения), сделана из алюминия с помощью фрезерного станка. Для днища корпуса было использована многослойная фанера. Внутри корпуса, в углах передней панели установлен алюминиевый уголок с шириной полки 10 мм.

Процесс лужения и сверловки печатных плат

Монтаж подготовленных плат

Две платы усилителя (стерео)

Плата автоматического включения/выключения усилителя

Плата блока питания

Плата защиты акустики

Силовые провода питания усилителей скрутил в виде косички. Сетевой фон 50гц немного улавливается на слух на расстоянии 50 мм от колонок.

Усилитель звука на ПК установлен на своем штатном месте.

Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294

Скачать: Печатная плата для усилителя на TDA7293/7294

Как собрать блок питания для TDA7293 и TDA7294

Радиосхемы. — Мягкое включение УНЧ

Мягкое включение УНЧ

категория

Источники питания

материалы в категории

М. СИРАЗЕТДИНОВ,г. Уфа
Радио, 2000 год, №9

При сборке мощных УНЧ всегда встает вопрос о защите от импульсных перегрузок в момент включения. Как правило выходной каскад любого мощного усилителя питается от двухполярного источника в котором устанавливаются конденсаторы очень большой емкости (до 10 000 мкФ а порою и выше). При включении блока питания через них начинает протекать очень большой зарядный ток что создает значительную нагрузку на сам источник питания, да и для выходного каскада это тоже не сильно-то хорошо…

Выход из положения- так называемый «мягкий» запуск: плавная подача сетевого напряжения на сетевой трансформатор. В литературе рассматривалось достаточно много устройств и здесь представлено очередное из них.

Главная его отличительная особенность заключается в том что что здесь нарастание сетевого напряжения происходит действительно плавно, а не ступенчато как во многих подобных устройствах.

Схема устройства для мягкого включения УНЧ

Принципиальная схема устройства «мягкого» включения питания УМЗЧ показана на рисунке. Транзистор VT1 через диодный мост VD1-VD4 включен последовательно с первичной обмоткой трансформатора Т1 блока питания. Выбор полевого транзистора МОП-структуры с изолированным затвором обусловлен высоким входным сопротивлением его управляющей цепи, что позволяет уменьшить потребляемую мощность.

Узел управления состоит из цепей, формирующих напряжение на затворе транзистора VT1, и электронного ключа на транзисторах VT2, VT3. Первая цепь образована элементами VD5, C1, R1 — R3, VD7, С4, устанавливающими начальное напряжение на затворе транзистора VT1. Во вторую — входят элементы VD8, R4, R5, С2, СЗ, обеспечивающие плавное нарастание напряжения на затворе транзистора VT1. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на затворе транзистора VT1 и защищает его от пробоя.

В исходном состоянии конденсаторы цепей узла управления разряжены, поэтому в момент замыкания контактов выключателя сетевого питания SB1 напряжение на затворе транзистора VT1 относительно его истока равно нулю и ток цепи исток-сток отсутствует. Это означает, что ток в первичной обмотке трансформатора Т1 и падение напряжения на ней также равны нулю. С приходом первого положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор С1 начинает заряжатьсячерез цепь VD5, VD3 и в течение этого полупериода заряжается до амплитудного значения сетевого напряжения.

Стабилитрон VD7 стабилизирует напряжение на делителе R2R3. Напряжение на нижнем по схеме плече подстро-ечного резистора R3 определяет начальное напряжение затвор—исток транзистора VT1, которое устанавливается близким к пороговому значению 2…4 В. Через несколько периодов сетевого напряжения импульсы тока, протекающие через конденсатор С2, зарядят его до напряжения, превышающего напряжение отсечки транзистора VT3.

Электронный ключ на транзисторах VT2, VT3 закрывается, и конденсатор СЗ начинает заряжаться через цепь VD8, R4, R5, R3, VD3. Напряжение затвор—исток транзистора VT1 определяется в это время суммой напряжения на нижнем плече резистора R3 и плавно возрастающего напряжения на конденсаторе СЗ. По мере роста этого напряжения транзистор VT1 открывается и сопротивление его канала исток-сток становится минимальным. Соответственно напряжение на первичной обмотке трансформатора Т1 плавно увеличивается почти до величины сетевого напряжения. Дальнейший рост напряжения затвор—исток транзистора VT1 ограничивается стабилитроном VD6. В установившемся режиме падение напряжения на диодах моста VD1-VD4 и транзисторе VT1 не превышает 2…3 Вт, так что на дальнейшую работу блока питания УМЗЧ это практически не влияет. Длительность наиболее тяжелого режима работы транзистора VT1 не превышает 2…4 с, поэтому рассеиваемая им мощность невелика. Конденсатор С4 устраняет пульсации напряжения на переходе затвор—исток транзистора VT1. создаваемые импульсами зарядного тока конденсатора СЗ на нижнем плече резистора R3.

Электронный ключ на транзисторах VT2, VT3 быстро разряжает конденсатор СЗ после выключения блока питания УМЗЧ или при кратковременных перебоях в сети питания и подготавливает узел управления к повторному включению.

В авторском варианте устройства защиты использован импортный конденсатор производства фирмы Gloria (С1), а также отечественные: К53-1 (С2, С4) и К52-1 (СЗ). Все постоянные резисторы — МЛТ, подстроечный резистор R3 — СП5-3. Транзистор КП707В (VT1) может быть заменен на другой, например. КП809Д. Важно, чтобы сопротивление его канала в открытом состоянии было минимальным, а предельное напряжение исток—сток составляло не менее 350 В. Вместо транзистора КТ3102Б (VT2) допустимо использовать КТ3102В и КТ3102Д, а вместо КП103И(VTЗ)-КП103Ж.

Транзистор VT1 снабжен небольшим теплоотводом площадью 10…50см².

Настройка устройства заключается в подборе оптимального положения движка подстроечного резистора R3. Первоначально его устанавливают в нижнее (по схеме) положение и через высокоомный делитель подключают к первичной обмотке трансформатора

Т1 осциллограф. Затем замыкают контакты выключателя SB1 и, перемещая движок резистора R3. наблюдают за процессом нарастания амплитуды напряжения на первичной обмотке трансформатора. Движок оставляют в таком положении, при котором временной интервал между включением SB1 и началом нарастания амплитуды напряжения на обмотке Т1 минимален. При необходимости следует подобрать емкость конденсатора СЗ.

Устройство испытывалось с макетом УМЗЧ, близким по структуре к усилителю, описанному в статье А. Орлова «УМЗЧ с однокаскадным усилением напряжения» (см. «Радио». 1997, № 12, с. 14 — 16). Выброс напряжения на выходе УМЗЧ при включении блока питания не превышал 1.5 В

Стабилизированный двухполярный блок питания для унч

При разработке усилителей ЗЧ с максимальной выходной мощностью более 100 Вт первостепенноезначение приобретает необходимость получения возможно большего КПД усилителя при достаточно малых нелинейных искажениях.

Вопрос о допустимом проценте нелинейных искажений усилителя ЗЧ не раз обсуждался на страницах журнала “Радио” [1, 2], получение же высокого КПД усилителя чаще всего не уделялось должного внимания. Известно, что хороший КПД имеет выходной каскад усилителя мощности, работающий в режиме В.

Однако ему свойственны большие нелинейные искажения. В журнале “Радио” рассказывалось о коррекции таких искажений с помощью прямой связи [3]. Рассматривался и способ снижения искажений, основанный на использовании усилительных каскадов, работающих в разных режимах [4].

Технические характеристики

• Номинальный диапазон частот, Гц – 20. 20000
• Максимальная выходная мощность при сопротивлении нагрузки 4 Ом, Вт – 200
• Коэффициент гармоник при выходной мощности 0,5-150Вт, %: на частоте 1 кГц – 0,1, на частоте 10 кГц – 0,15, на частоете 20 кГц – 0,2
• КПД, % – 68
• Номинальное входное напряжение, В – 1
• Входное сопротивление, кОм – 10

Варианты выходных каскадов усилителя

Автором предлагается еще два варианта выходных каскадов усилителя, работающих в разных режимах и позволяющих снизить коэффициент гармоник мощного УМЗЧ. Их упрощенные электрические схемы показаны на рис. 1а и рис.16.

Скорость нарастания выходного напряжения на эквиваленте нагрузки при замкнутой накоротко катушке индуктивности, В/мкс – 10.

Рис. 1. Упрощенные электрические схемы УМЗЧ.

Каждый из усилителей состоит из двух выходных каскадов – основного и вспомогательного, включенных параллельно. Причем основной каскад работает в режиме В, а вспомогательный – в режиме АВ.

Основной каскад усилителя, показанный на рис. 1а, выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме комплементарного эмиттерного повторителя, работающего в режиме В. Транзисторы VТ3, VТ4 и резисторы R6. R9 образуют вспомогательный каскад,который работает в режиме АВ.

Резисторы R1 . R5 и диоды VD1, VD2 обеспечивают необходимое смещение на базах транзисторов и задают режим работы обоих каскадов.

Как видно из схемы, напряжение смещения на базах транзисторов вспомогательного каскада всегда больше, чем на базах основного каскада на величину падения напряжения на диодах VD1, VD2.

В результате с помощью изменения сопротивления резистора R4 задается напряжение смещения на базах транзисторов VТ1, VТ2, при котором каскад будет работать в режиме В. Резисторы R8, R9 создают необходимую термостабилизацию вспомогательного каскада, а резисторы R6, R7 ограничивают базовый ток транзисторов VТ3, VТ4.

При малых уровнях входного сигнала транзисторы основного каскада VТ1, VТ2 закрыты, и при этом работает только вспомогательный каскад. При этом переменный ток, поступающий в нагрузку, мал, мало и падение напряжения на резисторах R8, R9.

С ростом входного напряжения начинают открываться транзисторы VТ1, VТ2 и увеличивается ток, поступающий в нагрузку от включенных параллельно выходных каскадов. Увеличение тока, протекающего через резисторы R8, R9, приводит к росту падения напряжения на них и ограничению тока транзисторов VТ3 и VТ4.

При максимальном выходном токе, например, при положительной полуволне входного напряжения, транзистор VТ1 полностью открыт, а через транзистор VТ3 при этом протекает в нагрузку гораздо меньший ток, ограниченный в основном резистором R8 и частично R6.

Таким образом, чем больше будет сопротивление резисторов R8, R9, тем на «меньшем уровне будет ограничен максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада, а значит, и максимальная мощность в режиме АВ, отдаваемая в нагрузку.

Как показало макетирование, сопротивление резисторов R8, R9 порядка 2. 10 Ом ограничивает максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада на уровне 200. 40 мА.

Более сложен выходной каскад, изображенный на рис. 16. Он обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению. В основном каскаде (VТ3, VТ4) предусматривается использование мощных составных транзисторов КТ825, КТ827. Вспомогательный каскад VТ5. VТ8 также должен быть собран на составных транзисторах.

Резисторы R1. R11, стабилитроны VD1, VD2, диоды VD3, VD4 и транзисторы VТ1, VТ2 определяют режим работы выходных каскадов, который не меняется при изменении напряжения питания в значительных пределах.

Объясняется это тем, что напряжение смещения на базах транзисторов VТ1, VТ2 поддерживается постоянными стабилитронами VD1, VD2. Работа транзисторов выходного каскада в режиме усиления тока и напряжения обеспечивает максимальный КПД выходного каскада, поскольку в этом случае напряжение насыщения транзисторов минимально, и максимальное значение амплитуды выходного сигнала приближается к напряжению питания.

Как и при коррекции искажений с использованием прямой связи, усилитель мощности, построенный по предложенным схемам, должен иметь достаточно глубокую ООС, обеспечивающую малые нелинейные искажения в широком динамическом диапазоне выходных сигналов.

Очевидно, что наилучшим образом решить эту задачу позволяют современные быстродействующие ОУ. Применив в предварительном каскаде УМЗЧ быстродействующий ОУ и построив его выходной каскад по схеме, указанной на рис. 16, удалось сконструировать усилитель.

Принципиальная схема

Принципиальная схема УМЗЧ приведена на рис. 2. Каскад предварительного усиления выполнен на быстродействующем ОУ DA1 (К544УД2Б), который наряду с необходимым усилением по напряжению обеспечивает работу усилителя с глубокой ООС.

Резистор обратной связи R5 и R1 определяют коэффициент усиления усилителя. Выходной каскад выполнен на транзисторах VТ1. VТ8. Его работа была рассмотрена выше.

Конденсаторы С6. С9 корректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют напряжение питания ОУ, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.

Делитель выходного напряжения ОУ R6, R7, диоды VD3. VD6 и резистор R4 образуют цепь нелинейной ООС, которая уменьшает коэффициент усиления ОУ, когда выходное напряжение усилителя мощности достигнет своего максимального значения.

В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VТ1, VТ2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде.

Конденсаторы С4, С5 – корректирующие. С увеличением емкости конденсатора С5 растет устойчивость усилителя, но одновременно увеличиваются нелинейные искажения, особенно на высших частотах.

Рис. 2. Принципиальная схема мощного усилителя звука на ОУ и транзисторах КТ825, КТ827.

Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до ±25 В. Возможно и дальнейшее снижение напряжения питания вплоть до ±15 В и даже до ±12 В при уменьшении сопротивления резисторов R2, R3 или непосредственном подключении выводов питания ОУ к общему источнику питания и исключении стабилитронов VD1, VD2.

Снижение напряжения питания приводит к уменьшению максимальной выходной мощности усилителя прямо пропорционально квадрату изменения напряжения питания, т.е. при уменьшении напряжения питания в два раза максимальная выходная мощность усилителя уменьшается е четыре раза. Усилитель не имеет защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Эти функции выполняет блок питания. В журнале “Радио” высказывалось мнение о необходимости питания УМЗЧ от стабилизированного источника питания для обеспечения более естественного его звучания.

Действительно, при максимальной выходной мощности усилителя пульсации напряжения не-стабилизированного источника могут достигать нескольких вольт.

При этом напряжение питания может существенно снижаться за счет разряда конденсаторов фильтра. Это незаметно при пиковых значениях выходного напряжения на высших звуковых частотах благодаря достаточной емкости фильтрующих конденсаторов, но сказывается при усилении низкочастотных составляющих большого уровня, так как в музыкальном сигнале они имеют большую длительность.

В результате фильтрующие конденсаторы успевают разряжаться, снижается напряжение питания, а значит, и максимальная выходная мощность усилителя. Если же напряжение приводит к уменьшению тока покоя выходного каскада усилителя, то это может приводить и к возникновению дополнительных нелинейных искажений.

Однако, использование завизированного источника питания, построенного по обычной схеме параметрического стабилизатора, увеличивает потребляемую мощность и требует применения сетевого трансформатора большей массы и габаритов. Помимо этого, возникает необходимость отвода тепла, рассеиваемого выходными транзисторами стабилизатора.

Причем зачастуюмощность, рассеиваемая выходными транзисторами УМЗЧ, равна мощности, рассеиваемой выходными транзисторами стабилизатора, т.е. половина мощности тратится впустую. Импульсные стабилизаторы напряжения имеют высокий КПД, но достаточно сложны в изготовлении, имеют большой уровень высокочастотных помех и не всегда надежны.

Блок питания

Если к блоку питания не предъявлять жестких требований по стабильности напряжения и уровню пульсаций, что характеризует, в частности, описанный выше усилитель мощности, то в качестве источника питания можно использовать обычный двухполярный блок питания, принципиальная схема которого показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема Стабилизированного двуполярного блока питания для УМЗЧ на +- 44В.

Мощные составные транзисторы VT7 и VT8, включенные по схеме эмиттерных повторителей, обеспечивают достаточно хорошую фильтрацию пульсаций напряжения питания с частотой сети и стабилизацию выходного напряжения благодаря установленным в цепи стабилитронов VD5. VD10.

Элементы L1, L2, R16, R17, С11, С12 устраняют возможность возникновения высокочастотной генерации, склонность к которой объясняется большим коэффициентом усиления по току составных транзисторов.

Величина переменного напряжения, поступающего от сетевого трансформатора, выбрана такой, чтобы при максимальной выходной мощности УМЗЧ (что соответствует току в нагрузке 4 А) напряжение на конденсаторах фильтра С1. С8 снижалось примерно до 46. 45 В. В этом случае падение напряжения на транзисторах VT7, VT8 не будет превышать 4 В, а рассеиваемая мощность транзисторами составит 16 Вт.

При уменьшении мощности, потребляемой от источника питания, увеличивается падение напряжения на транзисторах VT7, VT8, но рассеиваемая на них мощность остается постоянной из-за уменьшения потребляемого тока. Блок питания работает как стабилизатор напряжения при малых и средних токах нагрузки, а при максимальном токе – как транзисторный фильтр.

В таком режиме его выходное напряжение может снижаться до 42. 41 В, уровень пульсаций на выходе достигнет значения 200 мВ, КПД равен 90%. Как показало макетирование, плавкие предохранители не могут защитить усилитель и блок питания от перегрузок по току из-за своей инерционности.

По этой причине было применено устройство быстродействующей защиты от короткого замыкания и превышения допустимого тока нагрузки, собранное на транзисторах VT1. VT6.

Причем функции защиты при перегрузках положительной полярности выполняют транзисторы VT1, VT2, VT5, резисторы R1, R3, R5, R7. R9, R13 и конденсатор С9, а отрицательной – транзисторы VT4, VТЗ, VТ6, резисторы R2, R4, R6, R10. R12, R14 и конденсатор С10.

Рассмотрим работу устройства при перегрузках положительной полярности. В исходном состоянии при номинальной нагрузке все транзисторы устройства защиты закрыты. При увеличении тока нагрузки начинает расти падение напряжения на резисторе R7, и, если оно превысит допустимое значение, начинает открываться транзистор VТ1, а вслед за ним и транзисторы VТ2 и VТ5.

Последние уменьшают напряжение на базе регулирующего транзистора VТ7, а значит, и напряжение на выходе блока питания. При этом за счет положительной обратной связи, обеспечиваемой резистором R13, уменьшение напряжения на выходе блока питания приводит к ускорению дальнейшего открывания транзисторов VТ1, VТ2, VТ5 и быстрому закрыванию транзистора VТ7.

Если сопротивление резистора положительной обратной связи R13 мало, то после срабатывания устройства защиты напряжение на выходе блока питания не восстанавливается даже после отключения нагрузки.

В этом режиме необходимо было бы предусмотреть кнопку запуска, отключающую, например, на короткое время резистор R13 после срабатывания защиты и в момент включения блока питания.

Однако, если сопротивление резистора R13 выбрать таким, чтобы при коротком замыкании нагрузки ток не был равен нулю, то напряжение на выходе блока питания будет восстанавливаться после срабатывания устройства защиты при уменьшении тока нагрузки до безопасной величины.

Практически сопротивление резистора R13 выбирается такой величины, при которой обеспечивается надежное включение блока питания при ограничении тока короткого замыкания значением 0,1 . 0,5 А. Ток срабатывания устройства защиты определяет резистор R7. Аналогично работает устройство защиты блока питания при перегрузках отрицательной полярности.

Конструкция и детали

Все детали УМЗЧ и блока питания размещены на одной плате. Исключение составляют транзисторы VТЗ, VТ4, VТ6, VТ8 УМЗЧ, установленные на общем теплоотводе с площадью рассеиваемой поверхности 1200 см2 и транзисторы VТ7, VТ8 БП, размещенные на отдельных теплоотводах с площадью рассеивающей поверхности 300 см2 каждый.

Катушки L1, L2 блока питания (рис. 3) и L1 усилителя мощности содержат 30. 40 витков провода ПЭВ-1 диаметром 1,0 мм, намотанного на корпусе резистора С5-5 или МЛТ-2. Резисторы R7, R12 блока питания представляют собой отрезок медного провода ПЭЛ, ПЭВ-1 или ПЭЛШО диаметром 0,33 мм и длиной 150 мм, намотанного на корпусе резистора МЛТ-1.

Трансформатор питания выполнен на тороидальном магнитопроводе из электротехнической стали Э320, толщиной 0,35 мм, ширина ленты 40 мм, внутренний диаметр магнитопровода 80 мм, наружный – 130 мм. Сетевая обмотка содержит 700 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,47 мм, вторичная – 2×130 витков провода ПЭЛШО диаметром 1,2 мм.

Вместо ОУ К544УД2Б можно использовать К544УД2А, К140УД11 или К574УД1. Каждый из транзисторов КТ825Г можно заменить составными КТ814Г и КТ818А, а транзистор КТ827А – составными КТ815Г и КТ819Г (что очень нежелательно). Диоды VD3. VD6 УМЗЧ можно заменить любыми высокочастотными кремниевыми диодами, VD7, VD8 – любыми кремниевыми с максимальным прямым током не менее 100 мА.

Вместо стабилитронов КС515А можно использовать соединенные последовательно стабилитроны Д814А (Б, В, Г, Д) и КС512А.

Наладка

Налаживание блока сводится к установке(подстроечным резистором R12) тока покоя выходных транзисторов VТ6, VТ8 в пределах 10. 15 мА. Включают усилитель после проверки исправности блока питания.

Для этого, заменив резисторы R7, R12 блока питания более высокоомными (примерно 0,2. 0,3 Ом), проверяют работоспособность блока питания устройства защиты.

Оно должно срабатывать при токе нагрузки 1 . 2 А. Убедившись в нормальной работе блока питания и УМЗЧ, устанавливают резисторы R7, R12 с номинальными сопротивлениями, указанными на принципиальной схеме, проверяют работу усилителя при максимальной мощности, контролируя отсутствие срабатывания устройства защиты блока питания.

А. Тычинский. РМ-08-17, 09-17.

1. Лексины Валентин и Виктор. О заметности нелинейных искажениях усилителя мощности. – Радио, 1984, №2, с. 33.
2. Солнцев Ю. Какой же Кг допустим? – Радио, 1985, №2, с. 26.
3. Солнцев Ю. Высококачественный усилитель мощности. – Радио, 1984, №5, с. 29.
4. Гумеля Е. Качество и схемотехника УМЗЧ. – Радио, 1985, №9, с. 31.

Простой стабилизированный БП для УМЗЧ.

Автор: Александр Чуреков
Опубликовано 09.12.2010

Хочу представить вашему вниманию схему стабилизированного двуполярного блока питания.
Собирая УМЗЧ на двух микросхемах TDA7294, передо мной встал вопрос какой блок питания выбрать. Со схемой помог друг Миронов А., за что ему отдельное спасибо. Стабилизацию напряжения обеспечивают две микросхемы 78L27, но их выходной ток не превышает 0,1 А, что мало для мощного усилителя. Для усиления тока служат транзисторы. Схема блока питания- доработанная типовая схема включения стабилизаторов КРЕН с внешним транзистором.
В данной схеме используется два одинаковых БП с последующим соединением в один двуполярный (трансформатор должен иметь ДВЕ вторичных обмотки, а не с отводом от середины).

В качестве диодно моста можно использовать любой мост рассчитанный на ток 5-10А (в зависимости от требуемой мощности) и обратное напряжение не менее 2Uвых. Конденсаторы С1, С7 электролитические емкостью 10000 мкФ и рассчитанные на напряжение 50-63В. Остальные конденсаторы на напряжение не меньше Uвых. Резисторы R1, R3 можно заменить перемычками. Резисторы R6, R10 использовал 100 Ом. Составной транзистор (обведен рамкой) можно заменить одним, например КТ865А, которого достаточно для питания 5 канального усилителя на TDA7294. Транзисторы необходимо установить на теплоотвод через изолирующюю прокладку. В усилителе на двух TDA2050 транзисторы установил прямо на корпус. В случае, если требуется другое выходное напряжение, следует заменить стабилизаторы на другие, с необходимым напряжением стабилизации. Если необходимых стабилизаторов нет, то можно в разрыв общего вывода стабилизатора включить стабилитрон как показано на схеме. Напряжение на стабилитроне суммируется с напряжением стабилизатора. Мной проверен БП со стабилизатором на 24В и стабилитроном 11В. Выходное напряжение при входном 29 В составило 35В. Стабилизаторы КРЕН ставить на теплоотвод не нужно. На ощупь они чуть теплые. Представленная плата разработана для диодов Д242 или аналогичных. Так как использовались не составные транзисторы, то на плате обозначено место подключения транзисторов. В этом случае R4, R8 не ставятся, а вместо R5, R9 установлены перемычки.

Прочитав данный креатив, дорогая редакция осталась в некотором недоумении – для чего козе баян усилителю мощности стабилизатор?
Мы связались с автором и вот что он нам сообщил:
Как крайний вариант, у меня дома в сети 240-250В. Ниже не бывает. и если расчитать трансформатор для 220, причем на пределе для микросхемы, при повышении напряжения в сети будет БА-БАХ:) максимально снизить просадки напряжения питания и получить максимально возможную выходную мощность не только в музыке, но и вообще всегда. Третья цель – максимально снизить пульсации напряжения питания, чтобы выжать максимум качественного звучания ( источник питания – одна из причин роста интермодуляционных искажений). Как-то так.
Ответ принимается, но дорогая редакция хочет заметить, что стабилизатор не спасет, в данном случае, от второй беды и только частично – от третьей.

Современные УМЗЧ, обладая внушительной пиковой выходной мощностью, доходящей порой до 200 Вт, предъявляют довольно жёсткие требования к своему источнику питания. Для них, как правило, необходимо двухполярное напряжение 2 X (30. 40) В при пиковом токе до 10 А в каждом плече. Обычно в выпрямителе применяют сглаживающие конденсаторы большой ёмкости, доходящей до 20000 мкФ и более. Но даже с ними просадки выпрямленного напряжения при пиковом токе нагрузки достигают 2. 3 В, что требует от УМЗЧ высокого коэффициента подавления пульсаций напряжения питания. Автор предлагает оснастить блок питания УМЗЧ стабилизатором, обеспечивающим нужное качество питающего напряжения.

В последнее время в любительских конструкциях УМЗЧ всё чаще располагают выпрямитель и блок конденсаторов большой ёмкости на плате усилителя, уменьшая этим длину соединительных проводов и падение напряжения на них. Иногда от блока питания требуют, чтобы при включении напряжение на его выходах нарастало плавно (так называемый «мягкий старт»). При возникновении различных аварийных ситуаций, например, замыкании в нагрузке УМЗЧ, неисправности его выходных транзисторов и других перегрузках питание УМЗЧ должно быть автоматически выключено. Решить все эти задачи позволяет предлагаемый стабилизатор напряжения питания.

Основные технические характеристики

Выходное стабилизированное напряжение, В. 2×35

Максимальный ток нагрузки каждого плеча, А. 9

Ток срабатывания триггерной защиты, А. 11

Полное время срабатывания защиты, мкс . 12

Время нарастания выходного напряжения от нуля до номинального значения, с. 0,36

Размах пульсаций частотой 100 Гц на выходе стабилизатора при токе нагрузки 5 А, мкВ. 80

За основу конструкции было взято устройство из статьи «Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ» В. Орешкина («Радио», 1987, № 8, с. 31), схема которого показана на рис. 1. Несмотря на простоту и высокие технические данные (коэффициент стабилизации более 1000, автоматическое выключение при замыкании выхода, возможность крепления силовых транзисторов непосредственно на теплоотвод без прокладок), такому стабилизатору присущи и некоторые недостатки. Он неустойчиво запускается при большом токе нагрузки, а ток при замыкании выхода не нормирован и зависит от коэффициентов передачи применённых транзисторов, что иногда приводит к их выходу из строя.

Рис. 1. Схема стабилизатора напряжения питания УМЗЧ

За прошедшее время появились новые электронные компоненты, стали доступны мощные полевые транзисторы, что и подвигло автора поэкспериментировать с компьютерной моделью предложенного В. Орешкиным устройства, которая была создана в симуляторе LTspice IV, и усовершенствовать его. Родившаяся в результате таких экспериментов схема блока питания изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема блока питания

Первым делом была изменена цепь запуска стабилизатора, а биполярные транзисторы были заменены полевыми. Из схемы, представленной на рис. 1, видно, что транзистор VT2 зашунтирован резистором R3 сопротивлением 470 Ом, через который протекает начальный ток зарядки конденсатора C2. Если нагрузка невелика, выходное напряжение начинает возрастать, пока стабилизатор не войдёт в режим стабилизации. При токе нагрузки менее I=U_вых/R3=19/470=40 мА, когда транзистор VT2 практически закрыт, все пульсации выпрямленного напряжения через резистор R3 проходят в минусовое плечо. При малом сопротивлении нагрузки тока через этот резистор может не хватить для нормального запуска стабилизатора, он может вообще не запуститься.

В новом варианте цепь запуска состоит из стабилитрона VD11 и резистора R22 в одном плече и VD12 с R23 во втором (для симметрии). В процессе включения по достижении значения напряжения на сглаживающих конденсаторах C7-C10, равного напряжению стабилизации стабилитронов VD11 и VD12, транзисторы VT 11.1 и VT11.2 начинают открываться. Вслед за ними открываются и силовые транзисторы VT9 и VT10. Напряжение на выходе стабилизатора нарастает, а напряжение между истоком и стоком транзисторов VT9 и VT10 уменьшается. Когда напряжение на стабилитронах VD11 и VD12 опустится ниже их напряжения стабилизации, ток через эти стабилитроны прекратится. Далее они не влияют на работу стабилизатора. Такой способ запуска надёжен даже при токе нагрузки 9 А. Минимальный ток нагрузки практически равен нулю.

Выходное напряжение плюсового плеча стабилизатора равно сумме напряжений стабилизации стабилитронов VD13, VD15 и напряжения отсечки транзистора VT11.1, а минусового плеча – соответственно стабилитронов VD14, VD16 и транзистора VT11.2. Для плавного запуска стабилизатора оказалось достаточно зашунтировать стабилитроны VD13-VD16 конденсаторами C23-C26. Скорость изменения выходного напряжения до начала стабилизации равна скорости нарастания напряжения на этих конденсаторах. При указанных на схеме номиналах элементов время выхода стабилизатора на режим – около 360 мс. Осциллограммы процесса его запуска, полученные на компьютерной модели, показаны на рис. 3.

Рис. 3. Осциллограммы процесса запуска

Для уменьшения рассеиваемой на транзисторах VT9 и VT10 мощности истоки транзисторов VT 11.1 и VT 11.2 соединены не с общим проводом, а с точками соединения стабилитронов и резисторов (соответственно VD15, R29 и VD16, R30). Поэтому потенциалы истоков транзисторов VT11.1 и VT11.2 равны напряжению стабилизации соответствующих стабилитронов (6,2 В по абсолютному значению). Это позволяет изменять управляющее напряжение на затворах транзисторов VT9 и VT10 не до 0 В, как в прототипе, а до плюс или минус 6 В. При этом напряжение между истоком и стоком этих транзисторов на пиках пульсаций может падать до 3 В и ниже без выхода из режима стабилизации.

Сказанное иллюстрируют полученные компьютерным моделированием осциллограммы на рис. 4. Зелёная – напряжение на истоке транзистора VT10, синяя – напряжение на его затворе, красная – напряжение на истоке транзистора VT11.2 (6,2 В), голубая – ток нагрузки минусового плеча. Видно, что напряжение на затворе транзистора VT10 лежит приблизительно посередине между напряжением на его истоке и на истоке транзистора VT11.2, а иногда опускается ниже 3 В.

Рис. 4. Осциллограммы

В стабилизатор добавлена триггерная защита по току, срабатывающая при превышении током нагрузки любой ветви стабилизатора значения 11 А. Она построена на транзисторах VT3, VT5, VT7 в плюсовом плече и VT4, VT6, VT8 – в минусовом. Датчиками тока служат резисторы R11-R14, соединённые попарно параллельно. Защита срабатывает при падении напряжения на любой из пар резисторов более 0,5. 0,6 В, что соответствует текущему через них току 11. 12 А.

По достижении этого порога лавинообразно открываются транзисторы триггерных ячеек VT3VT5 или VT4VT6 и соответственно транзисторы VT7 и VT8. Последние, открывшись, шунтируют стабилитроны VD13 и VD14, резко понижая этим выходное напряжение. Резисторы R21 и R24 ограничивают ток коллектора транзисторов при разрядке конденсаторов, включённых параллельно стабилитронам. Светодиоды HL1 и HL2 в базовых цепях транзисторов VT7 и VT8 сигнализируют о срабатывании защиты. Ток через них при этом не превышает 6 мА.

Конденсаторы С19 и С20 совместно с резисторами R17 и R18 образуют фильтры нижних частот, повышающие помехоустойчивость системы защиты. Увеличивать номиналы этих конденсаторов свыше 4700 пФ нежелательно, поскольку это увеличит время срабатывания защиты и пиковые токи через транзисторы VT9 и VT10. Чтобы защита срабатывала одновременно в обоих плечах стабилизатора, предусмотрена связь между триггерными ячейками через конденсаторы C21 и C22.

После срабатывания защиты транзисторы VT9 и VT10 остаются закрытыми до отключения устройства от питающей сети. Транзисторы триггерных ячеек закроются, а светодиоды HL1 и HL2 погаснут лишь после разрядки сглаживающих конденсаторов С7-С10. Остаётся одна проблема – обеспечить быструю разрядку сглаживающих конденсаторов после отключения. Её решают узлы на транзисторах VT1 и VT2, одинаковые в обоих каналах. Поэтому рассмотрим только узел, установленный в плюсовом канале.

При включении устройства в сеть конденсатор C17 заряжается через диод VD9 до напряжения, примерно равного амплитуде напряжения, поступающего с обмотки II трансформатора T1. Конденсатор С15 заряжается через резистор R5 и разряжается через диоды VD3, VD4 и диодный мост VD1. Потенциал затвора транзистора VT1 становится равным потенциалу его истока или даже немного ниже, поэтому транзистор закрыт. Закрытое состояние транзистора VT1 сохраняется на протяжении всего времени, пока подано напряжение питания. После его выключения диоды VD3 и VD4 закрываются. Напряжение затвор-исток транзистора благодаря резистору R5 возрастает до напряжения стабилизации стабилитрона VD7. Открывшись, транзистор VT1 подключает резисторы R3 и R7 параллельно конденсаторам C7 и С8, ускоряя их разрядку. Длительность разрядки сокращается до 10. 20 с при пиковом значении разрядного тока 780 мА, вполне допустимого для используемых транзисторов.

Защита динамиков своими руками. Схема защиты колонок от постоянного напряжения

Автор admin На чтение 4 мин Просмотров 558 Опубликовано 16.10.2018

Схема усилителей низкой частоты должна обеспечивать безопасность устройств при эксплуатации. Одним из таких решений является устройство для защиты динамиков.

Мощные транзисторы выходных каскадов может пробить и тогда постоянное напряжение питания попадает на акустические системы. Если усилитель низкой частоты питается от напряжения свыше 40 вольт, то динамики гарантированно выйдут из строя. Схема защиты динамиков включает задержку приема питания — это позволит избежать громких щелчков при включении звуковой аппаратуры.

Схема защиты динамиков от постоянного напряжения

Современные схемы защиты могут быть собраны как на транзисторах, так и на интегральных микросхемах. Классические схемы на транзисторах широко применяются в промышленной звуковой аппаратуре и могут быть использованы радиолюбителями для своих разработок. Напряжение питания данной схемы может достигать 65 вольт благодаря использованию стабилизатора. Транзистор VT5 должен устанавливаться на радиаторе. Его замена на BD139 позволит поднять напряжение питания до 120 вольт. В цепи управления электромагнитным реле применён составной транзистор, который можно заменить на КТ972. В качестве VT1,2 можно использовать КТ3102. Кроме отключения акустических систем при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения, схема обеспечивает задержку включения динамиков на 1-2 секунды. Схема защиты состоит из двух совершенно одинаковых ключей, поэтому на рисунке показан только один.

Для управления подключением акустических систем используются электромагнитные реле на напряжение 24 вольта и ток 15 мА.

Электросхемы защиты динамиков

Транзисторные схемы защиты динамиков от постоянного напряжения обладают рядом существенных недостатков, поэтому хорошим решением проблемы будет использование схемы на интегральных компараторах. Устройство собрано на одной микросхеме, включающей четыре компаратора, и одном n-p-n транзисторе средней мощности. Контактные группы реле на схеме не показаны, но они включаются в разрыв цепей, соединяющих выходы усилителя звуковой частоты и акустические системы. Четыре диода на входе схемы выполняют защиту схемы от броска напряжения в результате неисправности усилителя звуковой частоты. Резистор R8 позволяет установить порог срабатывания от 0 до ± 1,75 V.

В схеме применены двойные интегрирующие RC цепи, поскольку одиночные цепи работают некорректно. С увеличением ёмкости конденсатора, время срабатывания увеличивается, а уменьшение ёмкости приводит к ошибочным срабатываниям на больших уровнях громкости. Данное схемное решение позволяет использовать устройство на усилителях с киловаттной мощностью. Гарантированное время срабатывания устройства не превышает 75-80 мсек. Для обеспечения задержки подключения акустических систем к выходу усилителя используется конденсатор С6. При указанной ёмкости время задержки включения составляет 2 секунды.

Защита динамика

Сделать системы защиты динамика своими руками может любой радиолюбитель. Есть простые схемы, при налаживании которых не требуется измерительная аппаратура и дефицитные радиодетали. В данной схеме на КТ315А сделано реле времени, а на КТ815В электронный ключ. Сразу после включения питания начинает заряжаться конденсатор С1. Пока он заряжается, транзистор VT1 будет открыт, а VT2 закрыт и через обмотку реле ток не идёт. После зарядки конденсатора напряжение на базе VT1 уменьшится, и он откроется, при этом сработает выходной ключ и реле своими контактами подключит акустические системы к выходу усилителя звуковой частоты. Время заряда конденсатора и время задержки включения составляет около 4 секунд. При появлении на выходе усилителя постоянного напряжения любой полярности транзистор VT2 закроется, реле обесточится и колонки будут отключены от усилителя.

Входные диоды ограничивают максимальное отрицательное напряжение на базе VT1 уровнем 1,3 V. Пороги срабатывания защиты не превышают ±4 V. Собранная без ошибок схема начинает работать сразу и не требует налаживания. Реле можно использовать любое, на указанное напряжение, но нужно будет подобрать сопротивление резистора R4. Чтобы исключить ложные срабатывания, устройство для защиты динамиков необходимо питать от стабилизированного источника. Простые схемы защиты не всегда могут обеспечить надёжное и мгновенное отключение акустических систем от каналов низкочастотного усилителя.

Двухполосный громкоговоритель с высокой и низкой частотой

Схема была разработана для создания двухполосного громкоговорителя с использованием твитера для воспроизведения высокочастотных сигналов или сигналов высоты тона и вуфера для воспроизведения низкочастотных или низкочастотных сигналов.

• TL071 / TL072 — малошумящий входной операционный усилитель JFET с такими функциями, как диапазон синфазного входного напряжения, высокая скорость нарастания, работа без фиксации, компенсированная внутренняя частота, высокое входное сопротивление на входном каскаде JFET, низкий уровень шума, низкий уровень шума. полное гармоническое искажение, защита от короткого замыкания на выходе, низкие входные токи смещения и смещения, широкий диапазон синфазных и дифференциальных напряжений и низкое энергопотребление
• NE5532 — малошумящий двойной операционный усилитель с внутренней компенсацией и такими характеристиками, как полоса пропускания полной мощности до 140 кГц, входное шумовое напряжение 8 нВ, коэффициент подавления синфазного сигнала, скорость нарастания 9 В / мкс, высокое усиление постоянного напряжения, пиковое значение 32 В до пикового напряжения, широкий диапазон напряжения питания от 3 В до 12 В, полоса пропускания с единичным усилением при 10 МГц и внутренняя частотная компенсация
• STK4042 — Усилитель мощности AF с такими функциями, как уменьшение шума при включении или выключении источника питания за счет использования цепей постоянного тока, упрощает тепловую конструкцию тонких стереосистем за счет распределения теплоотводящих ИС в наборе, поддерживая конструкцию дополнительные электронные схемы, наличие выходов от 20 Вт до 200 Вт в качестве усилителя с совместимостью выводов, а также позволяет сделать аудиосистемы более тонкими за счет миниатюрного корпуса
• CMOS 4093 — четырехканальная интегральная схема NAND с 2 входами и входами триггера Шмитта, обычно характеризующаяся небольшими колебаниями напряжения питания, очень высоким импедансом, выходами, которые могут потреблять и исходить, один выход может управлять до 50 входов, высокоскоростное распространение затвора время, высокая частота и низкое энергопотребление
• 7812/7815 — 3-контактный стабилизатор положительного напряжения 1 А с защитой от короткого замыкания, тепловой защитой от перегрузки, защитой зоны безопасной работы выходного транзистора, выходным током до 1 А и выходным напряжением от 5 В до 24 В
• 7915 — трехконтактный стабилизатор отрицательного постоянного напряжения с такими функциями, как наличие корпуса для поверхностного монтажа, наличие других вариантов напряжения на заводе, наличие напряжений -5В, -12В, -15В, обратное ограничение тока, внутренняя защита от тепловой перегрузки, с компенсацией Безопасная зона выходного транзистора, хорошее регулирование нагрузки и линии, токовый выход на 1.5A, внешние компоненты не требуются, внутреннее короткое замыкание и внутреннее выходное напряжение 1,5%
• G2R2 Relay — силовое реле, используемое для различных целей с различными моделями, с такими характеристиками, как наличие типов высокой емкости и высокой чувствительности, наличие двухобмоточного фиксирующего типа, высокофункциональная розетка, а также с зазором и длиной пути утечки 8 мм / 8 м
• Диодный мост — также известный как мостовой выпрямитель, который имеет четыре диода, расположенных в виде моста, где выходное напряжение имеет одинаковую полярность при любой полярности входного напряжения
• ВЧ-динамик — небольшой громкоговоритель, предназначенный для воспроизведения звука с высоким тоном и высокой акустической частотой в аудиосистеме с высоким качеством воспроизведения.
• Низкочастотный динамик — большой громкоговоритель, предназначенный в первую очередь для воспроизведения сигналов с низкими звуковыми и низкочастотными частотами в 2-полосной или более сложной акустической системе

Разные размеры динамиков воспроизводятся разными звуковыми волнами.Очень быстрое движение динамика может воспроизводить высокие звуки, похожие на звуки тарелок, в то время как более крупный динамик, который перемещает больший объем воздуха, может воспроизводить низкую частоту, которая будет звучать как басовый барабан. Двусторонний громкоговоритель может раздельно воспроизводить определенный диапазон звуков в двух громкоговорителях, даже если один громкоговоритель может воспроизводить и то, и другое. Это означает, что каждый динамик может лучше работать в своем частотном диапазоне при воспроизведении звуков. Чтобы сделать это возможным, в динамике используется схема кроссовера, которая принимает сигнал от усилителя и делит его на два частотных диапазона.Сигналы отправляются на динамик, который предназначен только для обработки этих частот. Аудиокроссовер обычно встречается в полнодиапазонных динамиках, части которых развязаны на все более высоких частотах и ​​могут быть сконструированы механически. Примерно от 2 кГц до 20 кГц — это частота кроссовера высокочастотного динамика, тогда как частота кроссовера для низкочастотного динамика обычно составляет от 40 Гц до 1 кГц.

Эффективность активного громкоговорителя значительно выше пассивного громкоговорителя, особенно в отношении разделения частот.Активная акустическая система содержит собственный усилитель, что делает ее конструкцию более крупной и дорогостоящей, но пропорциональной в этой схеме. Поскольку в нем нет индукторов, искажения очень низкие, что обеспечивает более качественный звук. На пути прохождения сигнала встроены большие конденсаторы, которые имеют очень маленькую стоимость и сделаны хорошего качества. Это не означает, что пассивный громкоговоритель не даст хороших преимуществ, некоторые пассивные конструкции лучше, чем активный громкоговоритель. В этой схеме для конструкции хватило бы одного активного динамика.

Активный громкоговоритель имеет встроенный активный кроссоверный фильтр, конструкция которого должна быть точной. Драйверы активного громкоговорителя подключаются непосредственно к усилителям мощности. Это привело бы к гораздо более простой и хорошо известной нагрузке усилителя мощности. Усилитель мощности расположен после кроссовера, поскольку каждый усилитель мощности имеет ограниченный частотный диапазон для усиления. Компоненты электронного усилителя содержат активный кроссовер, который работает с уровнями сигналов, подходящими для входов усилителя мощности.Это отличается от пассивных кроссоверов, которые работают на высоких уровнях выходного сигнала усилителя мощности, которые работают с высокими напряжениями и токами. Комбинированный эффект откликов усилителя мощности, откликов драйвера и откликов кроссоверного фильтра дает ровную частотную характеристику высококачественного громкоговорителя. Использование активного метода позволяет оптимизировать и регулировать частотную характеристику для всей акустической системы без дорогостоящих внешних эквалайзеров. Результатом стала бы эффективная, более надежная, последовательная, точная и простая активная акустическая система.

На рисунке 1 показан двухполосный активный громкоговоритель, а на рисунке 2 показан двухполосный кроссовер с перекрестной частотой, эквивалентной 3,1 кГц. Эта частота была установлена ​​по той причине, что она близка к частоте коммерческих громкоговорителей, представленных на рынке. Частота может быть изменена в зависимости от требований проекта. IC1 TL071 находится на входном каскаде. IC2 TL072 создает фильтр верхних частот для частот, а IC3 NE5532 создает фильтр нижних частот для частот ниже 3.1 кГц. NE5532 — это высокопроизводительные операционные усилители с комбинированными характеристиками переменного и постоянного тока. Они обладают очень низким уровнем шума, низким уровнем искажений, высокой скоростью нарастания, высокой выходной мощностью, защитными диодами входа, максимальной полосой качания выходного сигнала и высоким единичным усилением. В них установлены максимальные пределы эквивалентного входного шумового напряжения и предусмотрена внутренняя компенсация для работы с единичным усилением. Входы NE5532 отличаются от входов TL072 тем, что на них нет входного тока.В результате NE5532 в 3 раза тише из-за очень низкого импеданса.

Наличие подстроечного резистора TR1 при подключении высоких частот позволяет регулировать уровень двух динамиков. Уровень высокочастотного динамика обычно настраивается на 10% ниже уровня низкочастотного динамика. Фильтр состоит из конденсаторов и резисторов, которые зарезервированы для использования в будущем. Резисторы R6 и R10 в кросс-частоте не используются. Два усилителя мощности управляются двумя выходами фильтра с IC4 для высоких частот и IC5 для низких частот.Обе микросхемы представляют собой один и тот же Sanyo STK4042 с хорошими звуковыми характеристиками и выходной мощностью 80 Вт / 8 Ом. Фильтры RLF1-2 на выходе усилителей состоят из резисторов R27 и R38 и катушки индуктивности, намотанной в три слоя. Индуктор состоит из 25-30 витков диаметром 1 мм.

Реле RL1 расположено в выходном усилителе, который выполняет систему защиты и задержки по постоянному току. Этим управляет IC6 4093, и он работает, когда схема активирована и применяется 5-секундная задержка при подключении динамиков к выходам усилителя.При отключении питания контакт RL1 разомкнут, отключая динамики от усилителей. Выход усилителей мощности обеспечивает защиту цепи на динамике путем размыкания контактов RL1. Видимый светодиод D20 показывает задержку / защиту схемы. Блок питания состоит из выпрямителя, основной платы, радиатора, диодного моста BR1 и тороидального трансформатора. Все они заключены в алюминиевый корпус, который соответствует размерам корпуса динамика. Твитер и вуфер определяют общую производительность громкоговорителя.

Высокочастотная электроника — обзор

3.2 Технологии на основе МЭМС для ВЧ схем с повышенным коэффициентом качества и минимальными потерями

Одна из первых интеграций технологии МЭМС с ВЧ схемами касалась микрообработки массивной подложки пассивных элементов. Это было ответом на требования развития спутников в 1990-х годах, которые были связаны с резкой минимизацией массы и объема и улучшенными характеристиками высокочастотной электроники.

Для достижения высокой плотности интеграции были различные технологии, которые представляли собой серьезную проблему. Кремниевые подложки обещали создать полностью унифицированную электронную платформу из-за появления транзисторов на основе SiGe для высокочастотных схем, дополняющих комплементарную технологию металл-оксид-полупроводник (CMOS) для обработки низкочастотных данных. Однако такой материал демонстрирует высокие потери в области микроволнового и миллиметрового диапазонов. Из-за низкой цены и стабильности технологического процесса используемые кремниевые подложки действительно имели низкие уровни удельного сопротивления, порядка нескольких единиц до десятков Ом.см. Такие значения вызывают очень большие диэлектрические потери на высоких частотах.

Чтобы преодолеть эти потери в подложке и предоставить устройства с высоким коэффициентом качества (Q) для беспроводных приложений, были разработаны различные технологии на основе MEMS. Впервые он был инициирован при разработке объемных микропроцессорных волноводов , которые интенсивно исследовались в 1990-х годах проф. В частности, Линда Катехи и Габриэль Ребеиз. Эти линии передачи состоят из металлических проводящих полос, помещенных на тонкую диэлектрическую мембрану, которая была ранее выращена или нанесена методом центрифугирования на основную пластину, а затем частично удалена.Были исследованы как микрополосковые, так и компланарные конфигурации микрообработанных линий на подложках GaAs и Si (Herrick и др. , 1998b), как показано на рис. 3.1 в случае копланарных линий. Эти волноводы также могут иметь металлизированный экран сверху или сзади.

3.1. Иллюстрация объемных микромашинных копланарных линий, полученных с помощью (а) мокрого и (б) сухого травления.

С технологической точки зрения, в изначально реализованных компонентах использовалась технология мокрого травления.Для атаки кремния использовались растворы на основе гидроксида калия (КОН). Это потребовало большого расхода площади поверхности, так как травление останавливалось по определенным плоскостям кристаллической подложки. Традиционно кремниевая подложка <100> имеет угол кромки 54,74 °, в то время как травление останавливается на плоскостях кристалла <111>. В связи с распространением растворов для сухого травления с использованием оборудования для глубокого реактивного ионного травления (DRIE) был задействован прямой угол атаки 90 °, что привело к созданию более компактных микромашинных схем.Это также исключило использование загрязняющих растворов травителей.

Кроме того, в первых устройствах использовались неорганические мембраны на основе суперпозиции слоев оксида кремния (SiO ₂ ) и нитридов кремния (SiN). Для обеспечения надлежащей надежности и устойчивости мембраны требовалось общее растягивающее напряжение (около 100–200 МПа). Тогда были возможны довольно большие микроструктуры. Изготовление устройства с максимальной длиной около 1 см было продемонстрировано поверх диэлектрической мембраны SiO ₂ / SiN 1.Толщина 4 мкм.

Что касается теплового баланса, первые мембраны на основе Si требовали чрезвычайно высоких температур изготовления. При термическом окислении кремния температура достигла 1000 ° C, тогда как химическое осаждение из паровой фазы (LPCVD) нитридов при низком давлении использовало температуры, близкие к 700 ° C. Для совместимости с интегральными схемами (ИС) теперь следует отдавать предпочтение диэлектрическим слоям, полученным путем плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), поскольку слои хорошего качества могут быть получены даже с низким тепловым балансом (примерно от 200 ° C до 300 ° C). .

Последние разработки привели к использованию органических мембран на основе одного полимерного слоя толщиной несколько микрометров (Bouchriha et al ., 2006). Их технология проста и включает осаждение диэлектрического полимера методом центрифугирования с последующим его отверждением для полимеризации при температурах ниже 260 ° C. Наконец, такие мембраны проявляют внутреннее растягивающее напряжение с типичными диэлектрическими проницаемостями, находящимися в диапазоне 2–3, в зависимости от выбранного полимера и рабочей частоты.Кроме того, органические слои в основном светочувствительны и, следовательно, могут иметь рисунок, что способствует формированию межсоединений во время постобработки пассивных микрообработанных элементов поверх ИС.

Такая микромашинная технология позволяет достичь уровней затухания 0,4–0,6 дБ / см на частоте 20 ГГц (Herrick et al ., 1998a) по сравнению с диапазоном 15–20 дБ / см для линий передачи, непосредственно реализованных поверх 20 ГГц. Ω. см низкоомные кремниевые подложки (Peterson and Drayton, 2001).Как показано на рис. 3.2, потери пропорциональны корню квадратному из частоты, что означает преобладание омических потерь в металлических проводниках. Подавление подложки действительно снижает влияние диэлектрических потерь.

3.2. (а) Затухание и (б) показатели качества объемных микромеханически обработанных CPW (серым цветом) и CPW, реализованных поверх слоя полимера толщиной 10 мкм на Si с низким удельным сопротивлением (черный цвет).

Оценка такой технологии также была распространена на другие типы пассивных элементов, такие как антенны, индукторы (Chi and Rebeiz, 1995; Weller et al ., 1995) и фильтры (Bouchriha et al ., 2006; Drayton and Katehi, 1995; Katehi et al ., 1993) как с неорганическими, так и с органическими мембранами. Пример микромашинной антенны, реализованной на органической мембране, со слоем полимера бензоциклоБутена от Dow Chemicals толщиной 10 мкм в этом случае, приведен на рис. 3.3. Поверхность этой дифференциальной компланарной антенны, разработанной для входного каскада 24 ГГц, была очень миниатюризирована с использованием средств измерения. Использование 20 Ом. см кремниевой подложки удалось преодолеть за счет микрообработки кремния, что привело к повышению эффективности антенны на 70%.

3.3. Изображение объемной микромашинной антенны, реализованное на слое органического диэлектрика толщиной 10 мкм.

Пример объемного микромеханического индуктора приведен на рис. 3.4. Увеличение его производительности показано на рис. 3.5. Значение индуктивности остается постоянным в большем диапазоне частот с подавлением кремниевой подложки, тогда как добротность увеличивается.

3.4. Фотографии объемных микромеханических индукторов с лицевой стороны (а) и тыльной стороны (б).

3.5. Характеристики индуктора без (черным цветом) и с объемной микрообработкой (серым цветом): (a) номинал индуктора и (b) коэффициент качества.

Улучшение пассивных схем с помощью объемной микрообработки, следовательно, было очень впечатляющим с точки зрения повышения производительности. Однако этот метод имеет некоторые ограничения. Первое связано с низкой относительной эффективной диэлектрической проницаемостью устройств, близкой к 1,4. Следовательно, длина волны, связанная с этой технологией, очень велика, что приводит к чрезмерному увеличению площади поверхности цепей.Второе напрямую связано с ограничениями, накладываемыми техникой DRIE. Эффективность травления зависит от размера вытравляемого отверстия. Как показано на рис. 3.6, большие отверстия травятся быстрее, чем более мелкие, что создает различия в глубине травления. Следовательно, чтобы гарантировать правильное травление всех целевых устройств, сухое травление должно быть продлено, что приводит к локальному увеличению подавленного кремния на дне больших отверстий (так называемое надрезание) (см.Рис. 3.7). Этого эффекта можно избежать, используя отверстия аналогичного размера, но это практически невозможно и может объяснить плохое использование объемной микрообработки в беспроводных коммерческих компонентах.

3.6. Эффективность DRIE в зависимости от размера отверстий.

3.7. Наблюдение за эффектом выемки на больших вытравленных отверстиях в кремниевой подложке: (а) вид нескольких отверстий с разной шириной и (б) увеличение эффекта выемки.

Несмотря на эти технологические ограничения, объемная микрообработка остается эффективным средством преодоления диэлектрических потерь кремния и связи в пассивных микроволновых схемах.

В качестве дополнительного подхода были исследованы и другие технологии , основанные на поверхностной микрообработке . Профессор Линда Катехи и доктор Джордж Пончак инициировали такие технологии в конце 1990-х годов (Herrick et al ., 1998a; Ponchak et al ., 2001). Несколько примеров методов поверхностной микрообработки показаны на рис. 3.8. Все включают частичное подавление диэлектриков или жертвенных слоев на лицевой стороне пластин.

3.8. Иллюстрация различных конфигураций поверхностной микрообработки в плоских пассивных элементах: (а) травление поверхностной диэлектрической изоляции в копланарных пазах; б) частичное травление поверхности диэлектрика и подложки; (c) частичное травление подложки, заполненной верхней диэлектрической изоляцией, и (d) наложение CPW на воздухе.

В глобальном масштабе исследуемые структуры включают диэлектрическое травление в копланарных отверстиях (см. Рис. 3.8a, b и c) на небольшой или даже большой глубине (до 200 мкм с полимером SU-8 в статье Ньюлина в 2002 г. ). Подобно объемным микроструктурам, применялись методы химического влажного и сухого травления. Другие структуры, такие как структура на рис. 3.8d, включают использование временного слоя, который удаляется в конце процесса (Kim et al ., 2001; Lubecke et al ., 2001). Для всех этих технологий были достигнуты отличные характеристики.

Чтобы получить лучшее представление о различных технологиях на основе поверхностной и объемной микрообработки и связанных с ними характеристиках, в таблице 3.1 приводится сводка. Полученный уровень затухания зависит от удельного сопротивления подложки, материала диэлектрика, а также глубины протравливания материала. В лучшем случае технология поверхностной микрообработки может даже составить конкуренцию объемной микрообработке. Кроме того, он имеет другие привлекательные преимущества: он требует только односторонней обработки пластины, очень низкую стоимость разработки, простоту конструкции и изготовления, а также совместимость с ИС.

Таблица 3.1. Сводка уровней затухания для технологий объемной и поверхностной микромеханической обработки на кремниевых подложках

Тип структуры	Подложка	Диэлектрическая	Затухание (дБ / см) на 20 ГГц	Ссылка
HRS LRS	Нет Нет	1-2 15-20	Gamble et al . (1999) Петерсон (2001)
	LRS LRS	SiO 2 0.2 мкм BCB 10-30 мкм Полиимид 20 мкм	20 3-5 3-4	Grenier et al . (2004) Пончак и др. . (2002)
	HRS LRS	SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 1,5 мкм Si 60 мкм (прямой) Si 12 мкм (треугольный) Полиимид 20 мкм SU8 200 мкм BCB 10 мкм	1-2 0,6-0,7 0,7 1,9 0,18 4	Herrick et al .(1998a) Strohm и др. . (2002) Herrick et al . (1998a) Ponchak (2001) Newlin et al . (2002) Bouchriha et al . (2003)
	LRS	BCB 10 мкм Si 30 мкм	3	Bouchriha et al . (2003)
	HRS LRS	SiO 2 / Si 3 N 4 / SiO 2 1,5 мкм BCB 10 мкм	0.45-0,6 0,4-0,6	Herrick et al . (1998a) Bouchriha et al . (2006)

HRS: кремний с высоким сопротивлением; LRS: кремний с низким сопротивлением.

Благодаря всем этим преимуществам, технология поверхностной микрообработки была применена к различным пассивным элементам СВЧ, таким как фильтры (Herrick et al ., 1998a), индукторы (Lubecke et al ., 2001; Rieh et al. ., 1998; Юн и др. ., 2003), и даже пленочные объемные резонаторы на акустических волнах (FBAR) (Bi, Barber, 2008) и высокодобротные резонаторы (Akgul et al ., 2011).

Технология, представленная на рис. 3.8c, обладает дополнительным преимуществом. Как и ожидалось, его характеристики напрямую связаны с глубиной микрообработки кремниевой подложки (как показано на рис. 3.9). Однако его топология особенно адаптирована для трехмерной интеграции. Кремниевая подложка с потерями заменяется в копланарных апертурах полимерным материалом с низкими потерями (Bouchriha et al ., 2003). Это приводит к планарной технологии, которая позволяет наложение дополнительных полимерных и металлических слоев, как показано на рис. 3.10. Низкий уровень затухания, связанный с широким диапазоном характеристического импеданса, разрешенного технологией, подходит для разработки усовершенствованных пассивных схем. Пример трехмерного (3-D) бортового соединителя (Do et al ., 2007) показан на рис. 3.11. Он демонстрирует низкие вносимые потери 0,25 дБ на частоте 20 ГГц, с отличным компромиссом между сильной связью и широкополосными характеристиками.Более того, такая технология совместима с интеграцией IC.

3.9. (a) СЭМ-изображение CPW с микроповерхностью, заполненного полимером, и связанных с ним характеристик с точки зрения (b) затухания и (c) коэффициента качества для различной глубины травления.

3.10. (а) Трехмерная интегрированная полимерная технология с локальной микрообработкой поверхности.

3.11. (а) Фотография 3-D бортового соединителя и (б) связанных характеристик.

В заключение этого раздела следует отметить, что внедрение технологий МЭМС, основанных на поверхностной и объемной микрообработке с использованием высокочастотной электроники, привело к разработке пассивных схем, улучшенных с точки зрения минимизации потерь, улучшенного коэффициента качества и миниатюризации.Они также реагируют на увеличение частоты систем связи и способствуют прочной и разнообразной многокристальной интеграции.

Это не единственные возможности, открываемые технологиями MEMS в беспроводных системах. Первоначально микромашиностроение было разработано для разработки датчиков с известными коммерческими примерами, такими как акселерометры в системах с подушками безопасности, струйные принтеры, микрозеркала в видеопроекторах и т. Д. Их общий и главный прорыв заключается в их настройке. Эта функция также предусмотрена для разработки интеллектуальных систем RF MEMS.

Схемы защиты для ультразвуковых систем с очень высокой частотой

J Med Syst. Авторская рукопись; доступно в PMC 2015 1 апреля 2015 г.

Опубликован в окончательной отредактированной форме как:

PMCID: PMC4138227

NIHMSID: NIHMS580857

Центр ресурсов по датчикам и отдел биомедицинской инженерии NIH, Университет Южной Калифорнии, Лос-Анджелес, Калифорния, USA

Автор, ответственный за переписку. Окончательная отредактированная версия этой статьи доступна по адресу J Med Syst

Abstract

Целью схем защиты в ультразвуковых приложениях является блокирование шумовых сигналов от передатчика до датчика, а также предотвращение нежелательных сигналы высокого напряжения от достижения приемника.Схема защиты с использованием пары резистора и диода широко используется из-за своей простой архитектуры, однако она может не подходить для приложений ультразвуковых преобразователей с очень высокой частотой (VHF) (> 100 МГц) из-за своей ограниченной полосы пропускания. Поэтому в данной статье предлагается схема защиты с использованием полевых МОП-транзисторов с уникальной структурой. Производительность разработанной схемы защиты сравнивалась с характеристиками других традиционных схем защиты. Измеряемые рабочие характеристики включали вносимые потери (IL), общие гармонические искажения (THD) и время переходного процесса (TRT).Новая схема защиты предлагает самые низкие значения IL (-1,0 дБ), THD (-69,8 дБ) и TRT (78 нс) на частоте 120 МГц. Импульсно-эхо-отклик с использованием преобразователя LiNbO ₃ с частотой 120 МГц с каждой схемой защиты был измерен для проверки возможности использования схем защиты в ультразвуковых УКВ-приложениях. Чувствительность и полоса пропускания преобразователя, использующего новую схему защиты, улучшились на 252,1 и 50,9% соответственно по сравнению со схемой защиты с использованием пары резистора и диода. Эти результаты продемонстрировали, что новая конструкция схемы защиты сводит к минимуму IL, THD и TRT для ультразвуковых преобразователей VHF.

Ключевые слова: Очень высокая частота, Ультразвуковые преобразователи, Защитные схемы, MOSFET

Введение

Ультразвук УКВ недавно стал использоваться в ряде биомедицинских приложений, включая акустическую микроскопию, визуализацию силы акустического излучения, клеточную стимуляцию и манипуляции с микрочастицами. [1, 2]. Однако преобразователи УКВ обычно имеют гораздо более низкую чувствительность и полосу пропускания, чем преобразователи низкой частоты, поскольку миниатюрный размер апертуры преобразователя высокой частоты снижает максимально допустимую мощность, приводящую в действие эти устройства [3].Кроме того, паразитные импедансы ультразвуковых систем, а также нагрузка кабеля критически влияют на чувствительность и полосу пропускания датчиков [3]. Чтобы достичь подходящего качества сигнала для УКВ-преобразователей, ультразвуковые передатчики должны генерировать сигналы более высокого напряжения, а динамический диапазон приемника также должен быть достаточно большим, чтобы усиливать слабые эхо-сигналы, полученные от преобразователей [4, 5]. Поэтому очень желательно, чтобы характеристики ультразвуковых систем, включая схемы защиты, были оптимизированы и улучшены.

Как показано на, схемы защиты ультразвуковой системы состоят из расширителя и ограничителя. Расширитель предотвращает попадание шумовых сигналов, исходящих от передатчика, на преобразователь, а ограничитель не позволяет импульсным сигналам высокого напряжения, создаваемым передатчиком, достигать приемника. Обычно расширитель состоит из одной пары скрещенных диодов [6]. Однако, поскольку преобразователи УКВ требуют импульсов возбуждения аномально высокого напряжения, необходимы две скрещенные пары диодов (D ₁ –D ₄ ), чтобы более эффективно блокировать шумовые сигналы, как показано на рис.

Архитектура схемы защиты: a резистор , b мост и c схемы защиты MOSFET

В схеме резистора () одна пара скрещенных диодов работает (D ₅ и D ₆ ) как разомкнутый и замкнутый переключатель для импульсов низкого и высокого напряжения соответственно. Следовательно, разряженный сигнал высокого напряжения проходит через одну пару диодов (D ₅ и D ₆ ) на землю. Схема резистора представляет собой простую конструкцию без какого-либо внешнего источника питания, что защищает ее от шума, создаваемого источниками питания постоянного тока [6].Однако эта схема приводит к более высоким потерям проводимости сигнала и чрезмерному затуханию звона в диапазоне УКВ, и эти явления очень проблематичны для низкочувствительных преобразователей УКВ [7].

Для решения этих проблем были разработаны схемы защиты мостовых цепей (). Четыре диода моста (D ₇ –D ₁₀ ) имеют прямое смещение от источника постоянного тока. Сигналы высокого напряжения проходят через одну пару диодов (D ₁₁ и D ₁₂ ) на землю, в то время как эхо-сигналы низкого напряжения проходят через приемник.В этой схеме защиты необходим источник постоянного тока для смещения диодно-мостовых структур. Кроме того, необходимо реализовать управляющие логические схемы, чтобы уменьшить звено эхо-сигнала [6, 8]. Одним из недостатков схемы защиты мостовой схемы является то, что использование источника питания постоянного тока вносит шум в преобразователь, тем самым снижая отношение сигнал / шум в ультразвуковой системе.

Чтобы избежать этих нежелательных побочных продуктов, мы предлагаем новую схему защиты, в которой используются силовые полевые МОП-транзисторы, которые мы называем МОП-транзисторами.Положительные и отрицательные сигналы высокого напряжения, поступающие от расширителя, могут проходить через верхнюю (N ₁ –N ₄ ) и нижнюю стороны (N ₅ –N ₈ ) силовых полевых МОП-транзисторов, соответственно. После этого нежелательные сигналы высокого напряжения текут на землю через одну пару диодов (D ₁₃ –D ₁₄ ). Единственной конструкции последовательно соединенных полевых МОП-транзисторов может быть недостаточно, чтобы блокировать более высокий шумовой сигнал, исходящий от передатчика, и это может увеличить IL, что является критической проблемой для УКВ-преобразователей с низкой чувствительностью.Чтобы увеличить изоляцию между передатчиком и приемником и максимизировать чувствительность эхо-сигнала, еще два силовых полевых МОП-транзистора N ₂ и N ₇ были размещены параллельно с полевыми МОП-транзисторами N ₃ и N ₆ . Следовательно, вся эта структура была спроектирована так, чтобы проходить через идеальную структуру эхо-сигнала, как показано на.

Чтобы использовать схемы защиты для ультразвуковых приложений, все компоненты должны иметь высокий допуск по мощности. Это связано с тем, что схема защиты должна поглощать импульсные сигналы высокого напряжения, исходящие от передатчика.Таким образом, силовые резисторы 50 Вт 50 Ом (R, R _vdd и R _vss ) (MP850-50.0–1%, Caddock Electronics, Riverside, CA) и несколько пар одиночных диодов (D ₁ –D ₁₂ ) (PMBD 7000, NXP Semiconductors, Нидерланды) с напряжением пробоя 100 В и быстрым временем восстановления (<4 нс). Для мостовой схемы использовались конденсаторы 100 нФ (C ₁ и C ₂ ) с номинальным напряжением пробоя 200 В и линейно регулируемый источник питания постоянного тока (Agilent Technologies, Санта-Клара, Калифорния).Для схемы MOSFET использовалось несколько устройств MOSFET (IRF5801, International IOR Rectifier, El Segundo, CA), которые имеют напряжение пробоя 200 В и максимальный импульсный ток 4,8 А.

Модели эквивалентной схемы

В схеме защиты от ультразвука схема расширителя обычно пропускает импульсные сигналы высокого напряжения и блокирует шумовые сигналы низкого напряжения, идущие от передатчика к преобразователю. И наоборот, схема ограничителя пропускает эхо-сигналы низкого напряжения от преобразователей и блокирует импульсные сигналы высокого напряжения.Чтобы предсказать поведение схемы ограничителя, были получены модели эквивалентных схем как для высокочастотных малых сигналов (HFSS), так и для больших сигналов (LS) [9]. Используя модель эквивалентной схемы HFSS силового полевого МОП-транзистора [10], была построена модель эквивалентной схемы HFSS ограничителя, как показано на рис. Эта модель эквивалентной схемы показывает, что ограничитель MOSFET ведет себя как фильтр верхних частот, тем самым минимизируя IL при работе на более высоких частотах. Как показано на, эквивалентная HFSS-модель схемы MOSFET имеет относительно низкое паразитное сопротивление и емкость [(5/4) * r _o и (4/5) * (C _gs + C _ds )] даже хотя эта схема была построена с использованием восьми силовых полевых МОП-транзисторов.Это стало возможным благодаря уникальному расположению компонентов силового полевого МОП-транзистора внутри схемы. Таким образом, эта новая конфигурация может улучшить характеристики схемы защиты. Чтобы оценить IL в зависимости от частоты схемы MOSFET, частота среза -3 дБ была получена из модели эквивалентной схемы HFSS.

f _{−3 d B} = [2 π · ​​((1/2) R _d // R _до + (5/4) r _o ) · ((4 / 5) (C _ds + C _gs ) + 2C _d )] ⁻¹

(1)

, где r ₀ — паразитное сопротивление сток-исток, C _ds и C _гс — это паразитная емкость сток-исток и затвор-исток полевого МОП-транзистора, R _d и C _d — паразитное сопротивление и емкость ограничивающего диода, а R _pre — идеальное входное сопротивление приемника.

— модель эквивалентной схемы HFSS схемы полевого МОП-транзистора, b a модель эквивалентной схемы LS силового полевого МОП-транзистора и c LS модель эквивалентной схемы полевого МОП-транзистора. ** Lg, Ld и Ls — паразитные индуктивности, Rg, Rd и Rs — паразитные сопротивления силового полевого МОП-транзистора, Rdds и Cdds — паразитное сопротивление и емкость защитного диода силового полевого МОП-транзистора

. переходное поведение схемы MOSFET, модель эквивалентной схемы LS для схемы MOSFET была построена с использованием модели эквивалентной схемы LS для силового MOSFET, подключенного затвор-сток () [11].Разработанная трехкаскадная структура может уменьшить паразитные емкости, тем самым минимизируя время отклика схемы MOSFET, а также увеличивая характеристики изоляции. Для оценки IL и THD схемы защиты использовалась коммутационная программа PSpice (Cadence Design System, Сан-Хосе, Калифорния). IL и THD можно рассчитать как

IL = 20 · Log (Выходное напряжение с устройствами Выходное напряжение без устройств)

(2)

THD = 20 · Log (V2) 2+ (V3) 2… + (Vn) 2V12

(3)

где V ₁ , — амплитуда основного сигнала, V ₂ , V ₃ и V _n — амплитуды 2-й, 3-й и n-й гармоник соответственно устройства.Для расчета THD учитывались 1–3 гармоники.

Расчетные значения IL резистора, моста и цепей MOSFET равны −6,4, −0,6 и −0,5 дБ соответственно при использовании входного сигнала 120 МГц, 50 мВ _p-p . Исходя из технических данных производителя силовых полевых МОП-транзисторов и диодных устройств, расчетная частота отсечки полевого МОП-транзистора составляет 24,0 МГц. Смоделированные и измеренные частоты среза схемы MOSFET также составляют 22,6 и 20,7 МГц соответственно. Расчетные THD этих схем составляют -104.6, −109,2 и −117,2 дБ, соответственно, используя сигнал 120 МГц, 0,8 В _p-p . Анализ THD также выявил расхождения между измеренными и прогнозируемыми данными. Эти расхождения были вызваны отсутствием точного источника искажений в библиотеках моделей, таких как полупроводниковые компоненты, испытательное оборудование и коаксиальные кабели [12]. Данные переходного времени отклика (времени восстановления) не моделировались, поскольку данные библиотеки коммерческого импульсного генератора не доступны от производителя. Поэтому смоделированные данные представлены здесь только для справки.

Оценка и обсуждение схемы защиты

Непрерывный синусоидальный сигнал от функционального генератора (AFG3251, Tektronix, Beaverton, OR) подавался на ограничитель, и форма выходного сигнала ограничителя регистрировалась осциллографом (LC534, LeCroy, Chestnut Ридж, штат Нью-Йорк), который имеет шестибитное разрешение и частоту дискретизации 1 ГГц. Как показано на фиг.3, IL схемы резистора становится хуже с увеличением частоты, и схема резистора ведет себя как фильтр нижних частот. Таким образом, мостовая схема или схема MOSFET могут быть лучшим выбором для преобразователей VHF, поскольку они обычно имеют более низкую чувствительность.Однако ИЛ мостовых схем и МОП-транзисторов работают как фильтр верхних частот. Выше 20 МГц схема MOSFET показала более низкую IL (-3,7 дБ на 20 МГц), чем схема резистора (-4,2 дБ на 20 МГц). Выше 40 МГц схема MOSFET имеет более низкую IL (-1,8 дБ на 40 МГц), чем ограничитель на основе мостовых диодов (-1,9 дБ на 40 МГц). Схема MOSFET четко продемонстрировала более низкий уровень IL (-1,0 дБ), чем схемы резистора и мостов (-6,3 и -2,2 дБ), когда был применен синусоидальный вход 120 МГц, 50 мВ _{p – p} .Это связано с тем, что паразитные емкости схемы MOSFET были минимизированы, чтобы снизить IL при работе на высоких частотах.

Результаты измерения схемы защиты. a IL в зависимости от частоты при применении непрерывной синусоидальной волны 50 мВ, b THD в зависимости от частоты при применении непрерывной синусоидальной волны 0,8 Vp-p. c THD в зависимости от напряжения при подаче непрерывной синусоидальной волны 120 МГц, d TRT при подаче трехциклового импульсного сигнала 120 МГц, 70 Впик-пик, амплитуды эхо-сигнала e и спектра d преобразователя с использованием схемы защиты с импульсным сигналом 120 МГц от усилителя мощности.* Резистор, мост и полевой МОП-транзистор обозначают схемы защиты резистора ( тире, ), моста ( тире-точка, ) и полевого МОП-транзистора ( прямой ) соответственно

Поскольку диодные и силовые полевые МОП-транзисторы могут генерировать искажения сигнала и гармоник, мы рассчитали THD устройств. показывает THD в зависимости от частоты схем. Характеристики THD резистора и цепей MOSFET (-85,5 и -85,8 дБ на 40 МГц) лучше, чем у мостовой схемы (-81,7 дБ на 40 МГц) на 40 МГц и выше.Характеристики THD схемы MOSFET лучше, чем у других схем с частотой выше 80 МГц, из-за ее пониженного паразитного импеданса для работы на более высоких частотах. показывает THD в зависимости от напряжения схем защиты. Схема MOSFET демонстрирует более низкий коэффициент нелинейных искажений (-69,8 дБ), чем схемы резистора и моста (-59,3 и -57,7 дБ), когда подавался входной сигнал 120 МГц 0,8 В _{p – p} . Улучшенные характеристики обусловлены низким паразитным сопротивлением схемы полевого МОП-транзистора.

показывает время переходного процесса (TRT) или время восстановления (RT), которое является мерой способности схем блокировать сигналы высокого напряжения.Схема защиты передает сигналы высокого напряжения от усилителя мощности через расширитель, где ограничитель фиксирует сигнал, чтобы защитить приемник от импульса высокого напряжения [13]. TRT был измерен для оценки переходной характеристики схем защиты. Для преобразователей VHF расстояние между преобразователем и целью обычно составляет менее 2 мм, и из-за очень короткой длины пути эхо-сигнала передаваемый разряженный импульс может мешать принимаемым эхо-сигналам.Таким образом, очень желательно более быстрое TRT, чтобы избежать искажения принимаемого эхо-сигнала импульсами разряда высокого напряжения. TRT — это время, прошедшее с момента начала входного сигнала до момента, когда выходные сигналы достигают точки +/- 0,1% от конечного выходного напряжения устройства. 120 МГц, 70 В _{p – p} Трехцикловый синусоидальный сигнал от усилителя мощности 50 дБ (75A250A, Amplifier Research, Souderton, PA) подавался на расширитель и лимитер, в то время как измеренная форма выходного сигнала регистрировалась осциллографом.Схема MOSFET показала более высокое снижение напряжения (3,6 В _{p – p} ) и более быстрое TRT (78 нс), чем резистор (4,8 В _{p – p} и 91 нс) и мостовые схемы (6,8 В _{p – p} и 160 нс). Во время излучения сигнала высокого напряжения диоды моста имеют относительно более низкий импеданс, что позволяет сигналам высокого напряжения проходить без каких-либо значительных потерь сигнала. Однако восемь однозначно подключенных устройств MOSFET потребляют больше энергии по сравнению с мостовыми диодами до того, как сигнал достигнет ограничивающих диодов (D ₁₃ и D ₁₄ ), поскольку ток смещения может вызвать значительное падение напряжения на паразитных импедансах MOSFET. [14, 15].Основываясь на данных измерений, схема MOSFET показала относительно более низкие амплитуды сигнала, что подтверждает теоретическое описание.

Для дальнейшей оценки характеристик схем защиты мы измерили эхо-импульсный отклик системы с помощью преобразователя VHF, изготовленного в нашей лаборатории. Для проверки схем защиты был изготовлен одноэлементный преобразователь LiNbO ₃ с частотой 120 МГц с размером апертуры 1 мм и фокусным расстоянием 1,4 мм. Преобразователь был направлен на плоскую полированную кварцевую мишень, расположенную в фокусе.Функциональный генератор отправил трехцикловый импульсный сигнал 120 МГц, 0,3 В _{p – p} на усилитель мощности для запуска преобразователя. Переданный акустический импульс отражался от кварцевой мишени, а принятые эхо-сигналы усиливались предусилителем с усилением 36 дБ (AU-1114, Miteq, Hauppauge, NY). Как показано на рисунке, амплитуда эхо-сигнала и ширина полосы спектра преобразователя, использующего схему MOSFET, улучшились на 252,1 и 50,9% соответственно по сравнению с этими значениями преобразователя, использующего схему резистора, поскольку схема MOSFET обеспечивает более низкие IL и THD, чем другие схемы при Работа на 120 МГц.

Заключение

Компоненты дискретных силовых полевых МОП-транзисторов имеют нежелательные паразитные импедансы, вызванные упаковкой и контактными площадками. Изготовление интегральной схемы может быть хорошим решением для уменьшения паразитных сопротивлений за счет реализации нескольких компонентов в одном кристалле. Следовательно, такие характеристики, как IL и TRT, могут быть дополнительно оптимизированы для приложений высокочастотных ультразвуковых преобразователей.

Схема MOSFET ведет себя как своего рода фильтр верхних частот, таким образом жертвуя характеристиками в относительно низкочастотном диапазоне, улучшая характеристики в высокочастотном диапазоне.Чтобы использовать схему полевого МОП-транзистора для низкочастотных ультразвуковых приложений, необходимо дополнительно уменьшить частоту отсечки -3 дБ за счет увеличения паразитных сопротивлений полевого МОП-транзистора. Однако этот метод может ухудшить характеристики IL и THD схемы MOSFET.

Сообщается о новой схеме защиты с использованием силовых полевых МОП-транзисторов для ультразвуковых преобразователей УКВ диапазона. Чтобы построить высокоэффективную схему защиты для низкочувствительных УКВ-преобразователей, силовые полевые МОП-транзисторы должны иметь низкую емкость затвор-исток и низкую емкость сток-исток, поскольку все эти параметры связаны с потерями и искажениями сигнала.Резистор и мостовая схема показали относительно более низкую IL, чем схема MOSFET в низкочастотном диапазоне. Однако они показали явно худшую производительность, чем схема MOSFET при работе на УКВ, из-за низких показателей IL, THD и TRT. Схема MOSFET имеет самые низкие IL (-1,0 дБ) и THD (-69,8 дБ) и самое быстрое TRT (78 нс) на частоте 120 МГц. Для измерения импульсного сигнала чувствительность и полоса пропускания 120 МГц преобразователя LiNbO ₃ , использующего схему MOSFET, были улучшены на 252,1 и 50,9% по сравнению с схемой резистора.Таким образом, эти результаты подтверждают, что схема MOSFET является отличным альтернативным решением в качестве схем защиты, особенно для ультразвуковых преобразователей VHF.

Сноски

Эта статья является частью тематического сборника по повышению качества на уровне системы

Ссылки

1. Сюй Х.С., Бенджатрит В., Чжэн Ф., Чен Р., Хуанг Й, Чжоу К., Шунг К.К. Композитные пленки PMN-PT – PZT для высокочастотных ультразвуковых преобразователей. Датчики Актуаторы A Phys.2012; 179: 121–124. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 2. Zhu B, Han J, Shi J, Shung KK, Wei Q, Huang Y, Kosec M, Zhou Q. Толстая пленка Lift-off PMN-PT для высокочастотной ультразвуковой биомикроскопии. J Am Ceram Soc. 2010. 93 (10): 2929–2931. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 3. Чой Х, Ли Х, Лау С.Т., Ху СН, Чжоу К., Шунг К.К. Разработка интегрированного предусилителя для высокочастотных ультразвуковых преобразователей и маломощного портативного приемника. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2011. 58 (12): 2646–2658.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 4. Гюлер И., Саваш Ю. Расчетные параметры импульсного ультразвукового допплеровского расходомера крови. J Med Syst. 1998. 22 (4): 273–278. [PubMed] [Google Scholar] 5. Амер М. Новый дизайн малошумящего предусилителя для медицинских ультразвуковых преобразователей. J Med Syst. 2011; 35 (1): 71–77. [PubMed] [Google Scholar] 6. Фуллер М. И., Блэлок Т. Н., Хоссак Дж. А., Уокер В. Ф. Новая схема защиты передачи для ультразвуковых систем. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2007. 54 (1): 79–86.[PubMed] [Google Scholar]

7. Мур Т.К., Суорса В., Мастерс Д. Предусилитель и схема защиты для ультразвукового катетера. 6. Патент США. 2003; 511: 432.

8. Таблица данных MD0100DB1. Supertex Inc; 2010. Демонстрационная плата 8-канального переключателя T / R защиты от высокого напряжения. [Google Scholar] 9. Линдер С. Силовые полупроводники. EPFL Press; Портленд: 2006 г. [Google Scholar] 10. Nienhaus HA, Bowers JC, Herren PC., Jr. Компьютерная модель высокомощного полевого МОП-транзистора. IEEE PESC Рек. 1980: 97–103. [Google Scholar] 11. Минасян РА. Динамическая модель мощного полевого МОП-транзистора для больших сигналов.IEEE Proc. 1. Твердотельные электронные устройства. 1983: 73–9. [Google Scholar] 12. Вуолеви Дж., Рахконен Т. Искажения в усилителях мощности ВЧ. Artech House; Норвуд: 2003. [Google Scholar] 13. Чжу Б.П., Ву Д.В., Чжан И, Оу-Ян Дж, Чен С., Ян XF. Толстые пленки PMN-PT, полученные из золь-геля, для применения в линейных массивах высокочастотного ультразвука. Ceram Int. 2013. 39 (8): 8709–8714. [Google Scholar] 14. Грант Д.А., Говар Дж. Теория и приложения силовых МОП-транзисторов. Wiley-Interscience; Нью-Йорк: 1989. [Google Scholar] 15. Baliga BJ.Усовершенствованные концепции силовых полевых МОП-транзисторов. Springer; Нью-Йорк: 2010. [Google Scholar]

Использование конденсаторов для фильтрации электрических шумов

Фильтрация является фундаментальной частью многих схем и имеет широкое применение, включая обработку звука, радиоприем и кондиционирование силовых цепей. Базовое понимание конденсаторов как фильтрующего компонента начинается с понимания типов фильтров и их функций.

Обычно фильтры используются для удаления нежелательных частей сигнала.Они могут использоваться, например, для блокировки нежелательных частот, излучаемых рядом с радиоприемником (т.е. для уменьшения излучаемых радиочастотных помех). Поскольку фильтры обработки сигналов реагируют на частоту, существуют разные типы фильтров, в зависимости от частоты, на которую они влияют.

Различные типы фильтров обработки сигналов

Фильтры нижних частот

Как следует из названия, фильтры нижних частот блокируют высокие частоты, пропуская низкие частоты через цепь.

Фильтр нижних частот: Для получения дополнительной информации о вычислении значений характеристик компонентов см. Здесь.

Фильтры высоких частот

Фильтры верхних частот выполняют противоположную функцию, разрешая высокие частоты и блокируя низкие.

Фильтр высоких частот: Для получения дополнительной информации о вычислении значений характеристик компонентов см. Здесь

Полосовые фильтры

Полосовые фильтры реагируют на конкретный ограниченный диапазон частот и пропускают через схему только частоты в этом диапазоне

Полосовой фильтр: Дополнительные сведения о вычислении значений спецификации компонентов см. Здесь.

Ленточные фильтры

Полосовые фильтры действуют противоположно полосовым фильтрам, блокируя ограниченный диапазон частот и разрешая все остальные частоты через

Полосовой фильтр: Дополнительные сведения о вычислении значений спецификации компонентов см. Здесь.

Помимо функциональных различий, фильтры можно разделить на активные и пассивные типы: активные фильтры требуют внешнего источника питания, а пассивные фильтры — нет.

Применение конденсатора фильтра

Конденсаторы в цепи фильтрации

Конденсаторы — это компонент схемы, блокирующий низкие частоты. Однако они не ограничиваются использованием только в фильтрах верхних частот. В зависимости от конфигурации схемы, конденсаторы также могут использоваться в формировании фильтров нижних частот (например, конденсатор с резистором может образовывать либо фильтр верхних частот, либо фильтр нижних частот, в зависимости от расположения частей. ).

Конденсаторы

также могут использоваться как часть полосовой или полосовой системы для определения нижней границы сигнала, проходящего через схему (например, нижнего порога полосовой системы). Переменные конденсаторы (с емкостью, которую можно изменять механически или электронно) часто используются в качестве компонента настройки радиоприемника.

Конденсаторы, используемые для фильтрации шумов

Конденсаторы состоят из двух основных частей: изолирующего слоя, называемого диэлектриком, зажатого между двумя электрическими проводниками, называемыми «пластинами».Конденсаторы, используемые для фильтрации шума, можно разделить на три основных типа в зависимости от материала, из которого изготовлен диэлектрик:

• Керамика: отличается долгим сроком службы и высоким напряжением, но низкой емкостью. Это часто используемый универсальный выбор.
• Пластиковая пленка: Тонкий лист пластика для диэлектрика может состоять из любого количества пластиков (майлар, полипропилен и т. Д.). Пленочные конденсаторы относительно большие и дорогие, но обеспечивают высокое напряжение и исключительно долгий срок службы, а металлизированные пленочные конденсаторы обеспечивают лучшую долговечность.Из-за короткого пути тока, свойственного пленочным конденсаторам, омические потери (ESR) очень низкие. Это лучший выбор для систем передачи аудиосигналов высокого класса.
• Электролитический: химический изолятор наносится непосредственно на одну из пластин, позволяя пластинам быть намного ближе друг к другу, тем самым увеличивая емкость. В результате эти конденсаторы обладают высокой емкостью при невысокой стоимости и идеально подходят для фильтрации мощности. Однако у них более короткий срок службы, чем у других типов, и они склонны к утечке тока через пластины.

Применение конденсаторных фильтров цепи

Конденсаторы

можно использовать с большим эффектом, как для ограничения систем, в которых они используются, так и для сортировки информации в сигнале. Например:

• Домашнее аудио: В домашнем стереоприемнике можно использовать конденсатор для блокировки низких частот сигнала, отправляемого на конус твитера в наборе динамиков. Это гарантирует, что твитер должен воспроизводить только те высокочастотные звуки, для которых он предназначен.
• Живое аудио / музыка: Полосовые фильтры часто используются для устранения или уменьшения обратной связи от усилительного оборудования, препятствуя узкой полосе частот (иногда называемой «вырезом») и тем самым предотвращая развитие петли обратной связи и, как следствие, звук. Фильтры верхних частот также часто используются для очистки аудиосигналов от небасовых инструментов: если канал не предназначен для передачи очень низких частот (например, бас-гитары или фортепиано), маловероятно, что очень низкие частоты содержат полезный звук. , поэтому фильтр высоких частот между источником сигнала (например, микрофоном) и платой может обеспечить более высокое качество звука.
• Запись: Фильтры нижних частот используются для устранения или уменьшения шипения (или «шипения»), которое часто присутствует в записях микрофона. Фильтры сглаживания — это еще один тип фильтра нижних частот, используемый при аналого-цифровом преобразовании для кондиционирования аналогового сигнала и обеспечения его соответствия требованиям теоремы о дискретизации.
• Цепи электроники / питания: Конденсаторы могут использоваться в цепях с ограничителем полосы пропускания для защиты чувствительной электроники.Некоторые устройства чувствительны к гармоникам в источнике питания и требуют «кондиционирования» источника питания для удаления этих определенных гармонических частот. В этих случаях используется схема с ограничителем полосы пропускания, чтобы пропустить основную форму волны мощности, но не более высокочастотный диапазон, содержащий гармоники. Несмотря на то, что в целом это система «нижних частот» (отфильтровывающая высокочастотные гармоники), этот полосовой фильтр по-прежнему использует конденсаторы для определения верхнего предела заблокированной полосы частот.

Конденсаторы можно найти в любой электронике, которую мы используем, от гитарных усилителей до стартера вашего автомобиля и сетевого фильтра, к которому ваш компьютер подключен прямо сейчас. Понимание различных типов и того, как каждый из них работает, является критически важным знанием для любого инженера-электрика.

Загрязнение высокочастотным сигналом | Analog Devices

Q. Я слышал, что радиочастоты могут заставить низкочастотные схемы делать странные вещи. Что все это значит?

А.Однажды меня вызвали во Францию, потому что преобразователь напряжение-частота (VFC) компании Analog Devices, AD654, страдал «недопустимым изменением точности». Я измерил неисправные детали в своей лаборатории и обнаружил, что они стабильны и находятся в пределах спецификации, но когда я вернул их заказчику с моим испытательным стендом, он не смог воспроизвести мои результаты. Обдумывая посещение объекта, чтобы подтвердить свои подозрения, я обнаружил, что ресторан La Cognette в городе, где находился наш клиент, имел три звезды в справочнике Мишлен , а шеф-поваром был «Мэтр Cuisinier de France» — титул присваивается нелегко.Визит к заказчику стал необходим вдвойне. Герман, который был в Англии, чтобы посмотреть на смещение данных в тесте в аэродинамической трубе Boeing, предложил прийти и помочь — он сказал, что это интересная техническая проблема (но незадолго до того, как он предложил, я видел, как он серьезно консультировался с Guide Michelin ).

Чтобы проехать от офиса Analog Devices в Ньюбери на юге Англии до центра Франции, нужно шесть часов езды, шесть часов переправы на пароме через Ла-Манш и переход с правильной стороны дороги на правую. .Тем не менее, вождение лучше, чем летать, потому что можно взять с собой больше тестового оборудования (и переносную радиолюбительскую станцию ​​- мы оба радиолюбители).

Приближаясь к заказчику, мы проезжали огромную коротковолновую передающую антенну, потом еще и еще. Мы начали гадать, что могло быть не так, и когда мы вошли в лабораторию, я нес портативный двухметровый радиолюбительский приемопередатчик (HT или «handy-talky») в кармане куртки.

AD654 действительно работал нестабильно, как и утверждал заказчик.Выходная частота VFC изменялась на эквивалентное смещение в десятки мВ в течение нескольких минут. Я незаметно залез в карман и нажал кнопку передачи на своем HT. Выходная частота подскочила на величину, эквивалентную 150 мВ, что свидетельствует о том, что проблема связана с высокочастотным датчиком. Чуть позже более формальные измерения показали, что местные передатчики (французской организации зарубежного вещания) производили высокочастотное (ВЧ) поле с напряженностью поля в десятки или сотни мВ / м.

Многие проблемы нестабильности в схемах прецизионных измерений могут быть связаны с высокочастотными помехами, но, если в системе нет громкоговорителя, который мог бы неожиданно взорваться хард-роком от ближайшей радиостанции, инженеры обычно не обращают внимания на этот источник. в неточности и винить производителя усилителей или преобразователей данных.

Более того, этот случай был необычным, поскольку требовался мощный сигнал, чтобы воздействовать на AD654, который является несимметричным и также относительно нечувствительным к ВЧ-сигналам — это гораздо чаще встречается с дифференциальным усилителем в усилителе.Оба входа этих типов усилителей имеют высокие входные сопротивления к общему входу; поэтому они гораздо более уязвимы и подвержены воздействию радиочастотного излучения низкого уровня, такого как излучение персонального компьютера (ПК). [Этот феномен подробно описан в примечаниях к семинару по проектированию систем компании Analog Devices, доступным для продажи как Руководство по применению системы (1993).]

Важным фактором является то, что в инструментальных усилителях подавление синфазного сигнала уменьшается с увеличением частоты, начиная спад на довольно низких частотах, а искажения увеличиваются с увеличением частоты.Таким образом, не отклоняются не только высокочастотные синфазные сигналы; они искажены, производя смещения. Для некоторых приложений, где высока вероятность радиопомех, дифференциальный усилитель AD830 имеет широкополосное подавление синфазного сигнала и предназначен для приложений с линейным приемником; он может быть полезной заменой инструментальному усилителю.

Датчики

часто подключаются к своей электронике формирования сигнала длинными кабелями. У радиоинженеров есть термин для обозначения таких длинных проводов; они называют их антеннами .Длинные фидеры от датчиков к их электронике будут вести себя таким же образом и будут служить антеннами, даже если мы этого не хотим. Не имеет значения, заземлен ли корпус датчика — на высоких частотах реактивные сопротивления корпуса и фидеров позволят системе вести себя как антенна, а любые высокочастотные сигналы ( E — поле, M — поле, или EM -поле), с которым он сталкивается, появятся при любых импедансах. Скорее всего, они окажутся на входе усилителя.Прецизионные низкочастотные усилители редко справляются с большими ВЧ сигналами, и в результате возникает ошибка — обычно переменная ошибка смещения.

Q. Но со мной такого не могло случиться!

A. Никогда не верьте, что с вами этого не случится! Легкий бесплатный обед всегда можно получить, убедив невиновного сделать ставку на его или ее схему, свободную от таких проблем. Используя любительское радио HT в двухметровом (144–148 МГц) диапазоне, один ватт на расстоянии одного метра в течение одной секунды принесет вам бесплатный обед почти каждый раз.Но менее драматичный тест может быть столь же убедительным.

Отсоедините датчик и его провода. Замкните накоротко входные клеммы усилителя между собой и с общей цепью усилителя (возможно, с массой) кратчайшим путем и измерьте мощность на выходе усилителя; наблюдайте за его стабильностью в течение нескольких минут. Теперь устраните короткое замыкание, замените провода датчика и верните их в нормальную рабочую среду. Отключите возбуждение и закоротите сигнальные провода на конце датчика.Снова измерьте мощность усилителя и его изменение во времени. Плачь тихо.

Часто можно увидеть, что происходит, используя высокочастотный осциллограф (или анализатор спектра, который более чувствителен, но труднее интерпретировать) для измерения ВЧ-шума, как нормального, так и синфазного, на усилителе. Вход; но к измерениям в нормальном режиме следует относиться с некоторым подозрением, потому что сам осциллограф, а также его выводы питания и пробника могут сами вносить сигналы и делать измерения недействительными.Влияние осциллографа можно минимизировать, используя простой широкополосный трансформатор между точкой измерения и входом осциллографа, как показано на рисунке; но такой трансформатор имеет довольно низкий импеданс и нагружает измеряемую цепь.

Синфазные сигналы можно довольно легко наблюдать, отключив любое возбуждение датчика и подключив заземление осциллографа к земле на входе платы и соединив все выводы датчика вместе и со входом осциллографа.Слишком часто этот сигнал будет иметь амплитуду в несколько сотен милливольт и содержать компоненты от низких частот до десятков или сотен МГц.

В мире полно источников ВЧ-шума: радиолюбители, полиция, люди с портативными телефонами, открыватели гаражных ворот, солнце, сверхновые звезды, импульсные источники питания и логические сигналы (например, ПК). Поскольку мы не можем устранить высокочастотный шум в окружающей среде, мы должны отфильтровать его из низкочастотных сигналов, прежде чем они попадут в прецизионные усилители.

Самый простой тип защиты может использоваться, когда ширина полосы сигнала составляет всего несколько Гц. Простой RC-фильтр нижних частот, вставленный перед усилителем, обеспечивает защиту ВЧ как в нормальном, так и в синфазном режиме. Подходящая схема показана на рисунке. При выборе компонентов необходимо учитывать два важных вопроса: необходимо выбрать сопротивление R и R ´ (на диаграмме показано как 1 кОм, значение, подходящее для токов смещения усилителя в несколько нА или менее). так что они не увеличивают заметно смещение при протекании в них тока смещения усилителя.Постоянная времени нормального режима, ( R + R ´) C ₂ , должна быть намного больше постоянной времени синфазного режима, RC ₁ и R ´ C ₁ ´, иначе постоянные времени синфазного режима должны быть очень тщательно согласованы, чтобы избежать дисбаланса, который преобразует синфазный сигнал в сигнал между дифференциальными входами.

Если полоса пропускания сигнала шире, такие простые фильтры не подходят, поскольку они удаляют полезные высокочастотные сигналы нормального режима, а также нежелательные синфазные высокочастотные сигналы.Большие синфазные ВЧ-сигналы с большой вероятностью претерпят преобразование синфазный → нормальный режим (а также незначительное выпрямление, вызывающее низкочастотные ошибки), если они попадут в усилитель, поэтому необходимо использовать фильтр, который будет отклонять ВЧ-сигналы. синфазные сигналы, но будут пропускать сигналы постоянного и высокочастотного режима в нормальном режиме.

Такой фильтр показан ниже. Он был разработан много лет назад Биллом Ганнингом из Astrodata и связан с «фантомной цепью», используемой в междугородных телефонных сетях. В нем используется плотно связанный «трехфазный» трансформатор с тремя обмотками с точным соотношением 1: 1: 1.Напряжение переменного тока на любой обмотке также будет присутствовать на остальных.

Защитная линия подключается к земле на конце источника, а на другом конце — к защитному выводу усилителя (или сравнимому производному напряжению), которое представляет то, что усилитель «считает» синфазным, через конденсатор. Высокочастотный синфазный сигнал появится (по определению) на нижней обмотке и вызовет одинаковое синфазное напряжение в двух других, вычитая синфазное напряжение последовательно с каждой линией и эффективно подавляя общий высокочастотный сигнал. -режимный сигнал на входах усилителя.

Конечно, есть потенциальные проблемы. Конденсатор, включенный последовательно с трансформатором, почти необходим в цепи защиты для блокировки постоянного и низкого напряжения и предотвращения насыщения сердечника трансформатора низкочастотными токами в цепи защиты. Полное сопротивление, смотрящее на клемму защиты усилителя, должно быть намного ниже, чем полное сопротивление обмоток трансформатора; а на очень высоких частотах емкости трансформатора допускают утечку сигнала или могут вызывать фазовый сдвиг. Эти проблемы накладывают несовместимые ограничения на конструкцию трансформатора, если он должен иметь дело с очень широким диапазоном синфазных частот.

В таком случае можно было бы рассмотреть двойное подавление с использованием двух отдельных трансформаторов, как показано — один ближе к усилителю, имеющий высокую индуктивность (и, соответственно, высокую емкость), а другой — с хорошей эффективностью на УКВ.

Возможны и другие подходы: усилитель можно расположить ближе к датчику, а длинные провода заменить проводами (или оптоволокном), передающими цифровые данные, что менее уязвимо; больше защиты часто (но не всегда) полезно; и иногда (но редко) можно уменьшить вероятность неожиданных сигналов HF (даже если вы держите подальше радиолюбителей и полицию, всегда есть вероятность того, что грузовик для неожиданной доставки пиццы свяжется по радио с его базой.. .)

Однако наиболее важным соображением является осведомленность о возможности ВЧ-помех и готовность их устранить. Если при проектировании всегда учитывались нежелательные ВЧ, велика вероятность, что меры предосторожности будут адекватными — проблемы начнутся тогда, когда вы этого не ожидаете.

Q. Как все прошло с французским заказчиком?

A. Его проблема была решена с помощью двух резисторов, трех конденсаторов и куска заземленной медной фольги.Мы поехали праздновать в «Ла Коннет».

Общие сведения о поведении резисторов на высоких частотах

Основные выводы

• При постоянном токе и низкой частоте поведение резистора зависит от физических параметров и удельного сопротивления.

• Резисторы

  действуют как комбинация сопротивления, индуктивности и емкости на высокой частоте.

Инженеры могут бесконечно изучать поведение электроники и при этом иногда удивляться их непредсказуемому поведению.В электронике изменения поведения, такие как наблюдаемые в сосредоточенных элементах, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и активные элементы, являются обычным явлением. Например, поведение резистора на высоких частотах отличается от того, как он ведет себя на низких частотах.

Чтобы избежать сюрпризов, важно проанализировать поведение пассивных и активных элементов на высоких частотах при проектировании ВЧ- и СВЧ-схем. В этой статье мы сосредоточим обсуждение на поведении резистора на высокой частоте.

Поведение резистора при высоких частотах

Наиболее распространенными элементами в электронных схемах являются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Свойство сопротивления резисторов ограничивает свободное протекание тока через цепь. Сопротивление можно математически выразить с помощью следующего уравнения, где — удельное сопротивление материала, l — длина материала, а — площадь поперечного сечения материала.

При постоянном токе и низкой частоте поведение резистора зависит от физических параметров и удельного сопротивления, которое является свойством материала и не зависит от частоты.

На высоких частотах резисторы — это частотно-зависимые элементы, которые демонстрируют разное поведение на разных частотах. Вышеприведенное уравнение устаревает, поскольку паразитная емкость и индуктивность резистора активны на высокой частоте. Фактически, каждый резистор связан с индуктивностью и емкостью из-за неидеальности материалов, формы и размера резистора.

Следующие качества отвечают за изменение поведения резисторов на высокой частоте:

Паразитные элементы и резисторы

Резисторы действуют как комбинация сопротивления, индуктивности и емкости на высокой частоте.Паразитная индуктивность связана с длиной резистора. Паразитная емкость возникает из-за концевых соединительных клемм, которые действуют как пластины. Резонансная частота связана с паразитной емкостью и индуктивностью.

Это паразитная индуктивность (L) и емкость (C), которые делают резистор зависимым от частоты. Если L и C — паразитная индуктивность и емкость резистора, то уравнение 2 дает резонансную частоту, а уравнение 3 дает эффективное сопротивление резистора на частоте f.

Паразитная индуктивность и емкость

Резисторы показывают паразитную индуктивность, обусловленную проводимостью материала, из которого они сделаны. Влияние индуктивного сопротивления будет меньше при постоянном и низкочастотном переменном токе. Эффект паразитной емкости также наблюдается на высоких частотах. Паразитные эффекты становятся активными в приложениях переменного тока высокой частоты. На резонансной частоте паразитные эффекты отсутствуют. Когда рабочая частота меньше резонансной, паразитная емкость является доминирующей.Когда рабочая частота пересекает резонансную частоту, паразитный эффект становится более индуктивным.

На высокой частоте паразитная индуктивность и емкость резисторов вызывают нежелательные соединения между различными блоками схемы и задержку откликов схемы. Паразитная индуктивность может быть самоиндукцией или взаимной индуктивностью, в зависимости от компонентов, находящихся рядом с резистором. Самоиндуктивность способна искажать сигналы, тогда как взаимная индуктивность вносит шумы в цепь.В зависимости от паразитов, присутствующих в резисторе, постоянные времени L / R и RC определяют время отклика.

Скин-эффект

Скин-эффект проявляется резисторами на высокой частоте. На низкой частоте ток по резистору распределяется равномерно. По мере увеличения частоты распределение тока становится неравномерным. На высокой частоте ток в резисторах концентрируется на поверхности резистора. Ток ограничен только поверхностью на частоте RF.

При проектировании ВЧ-схем инженеры всегда должны учитывать поведение резистора на высоких частотах. Программное обеспечение Cadence может помочь смоделировать радиочастотные схемы с паразитными эффектами и скин-эффектами в резисторах и других сосредоточенных пассивных элементах.

Подпишитесь на нашу рассылку для получения последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как Cadence предлагает решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов.

Базовые знания LC-фильтров — Промышленные устройства и решения

Продукты, описанные на этом веб-сайте, были разработаны и изготовлены для стандартных приложений, таких как общие электронные устройства, офисное оборудование, оборудование для передачи данных и связи, измерительные приборы, бытовая техника и аудио-видео оборудование.

Для специальных применений, в которых требуется качество и надежность, или если отказ или неисправность продуктов могут напрямую угрожать жизни или вызвать угрозу травм (например, для самолетов и аэрокосмического оборудования, дорожного и транспортного оборудования, оборудования для сжигания, медицинского оборудования , устройства для предотвращения несчастных случаев и защиты от кражи, а также защитное оборудование), пожалуйста, используйте только после того, как ваша компания в достаточной степени проверит пригодность наших продуктов для этого применения.

Независимо от области применения, при использовании наших продуктов в оборудовании, для которого ожидается высокий уровень безопасности и надежности, убедитесь, что схемы защиты, схемы резервирования и другие устройства установлены для обеспечения безопасности оборудования при оценке области применения путем независимой проверки безопасности. тесты.

Обратите внимание, что продукты и технические характеристики, размещенные на этом веб-сайте, могут быть изменены без предварительного уведомления в целях улучшения. Независимо от области применения, пожалуйста, подтвердите последнюю информацию и спецификации до окончательного этапа проектирования, покупки или использования.

Техническая информация на этом веб-сайте содержит примеры типичных операций и схем применения продуктов. Он не предназначен для гарантии ненарушения или предоставления лицензии на права интеллектуальной собственности этой компании или любой третьей стороны.

Если какие-либо продукты, спецификации продуктов и техническая информация на этом веб-сайте подлежат экспорту или предоставлению нерезидентам, необходимо соблюдать законы и постановления страны-экспортера, особенно те, которые касаются безопасного экспортного контроля.

Информация, содержащаяся на этом веб-сайте, не может быть перепечатана или воспроизведена полностью или частично без предварительного письменного разрешения Panasonic Corporation.

Инструменты и программы, представленные на этом веб-сайте, должны использоваться по вашему усмотрению.Panasonic не гарантирует каких-либо результатов от использования этих инструментов и программ и не несет ответственности за любые убытки, возникшие в результате использования вами.

<о письме для получения сертификата соответствия директиве ЕС RoHS>
Дата перехода на продукт, соответствующий требованиям RoHS, зависит от номера детали или серии.
При использовании инвентаря, в котором неясно соответствие требованиям RoHS, выберите «Запрос на продажу».
в форме веб-запроса.

Извещение о передаче полупроводникового бизнеса

Полупроводниковый бизнес Panasonic Corporation (далее именуемой «Компания») будет передан 1 сентября 2020 года Nuvoton Technology Corporation (далее именуемой «Nuvoton»).