Схема унч для высокоомных наушников на микросхемах. Усилитель для наушников, чуть сложнее
Давно хотел сделать отдельный усилитель для наушников - все не было времени, хотя наушники уже купил как два года. Ничего особенного, Sennheiser HD 558, но звук выдают на приемлемом для меня уровне.
Пересмотрел множество схем и перечитал кучу информации и форумов. Хотелось, чтобы схема была простой и качественной по звуку. Размышляя, чего хочу, пришел к выводу, что для наушников нужна относительно небольшая мощность и должен подойти какой-нибудь умощнённый транзисторами ОУ или же просто мощный ОУ с низким THD+N, так сказать «драйвер». И вот подвернулась микруха от TI, специально предназначенная для этих целей, TPA6120.
По своей сути представляющая собой весьма мощный и очень быстродействующий ОУ с чудовищно низким THD+N (ну по крайней мере для меня). Немного полазив в гугле по поводу различных включений микросхемы и конструкций нашёл для себя неплохой вариант на одном сайте чешского радиолюбителя Павла Ружички (Pavel Ruzicka). Микруха включена по неинвертирующей схеме, на входе 50 кОм потенциометр известной японской фирмы ALPS . Решил реализовать именно такой вариант.
Схема наушникового усилителя на TPA6120 и БП
Мой вариант схемы
Блок питания
Проштудировав даташит на TPA6120, всё-таки кое-какие изменения в схему внёс. Так называемые блокирующие конденсаторы в оригинале стоят плёночные, даташит же настоятельно рекомендует использовать SMD керамические конденсаторы, да ещё и как можно ближе к выводам питания - для исключения возможного возбуждения усилителя.
Собственно говоря, больше всего возбуждения и боялся, очень уж микросхема быстродействующая.
Этот страшный PowerPAD побеждён
Из-за отсутствия опыта изготовления двусторонних ПП, плату было решено делать односторонней. И тут вскрылась ещё одна проблемка. Из-за того, что микруха очень мощная для своих размеров, у неё на «пузе» сделана площадка для теплоотвода - PowerPAD, которая припаивается к площадке под микросхемой и ещё вдобавок является общим проводом.Я как-то отмёл неприятные мысли, решил, что как-нибудь припаяю. Но обо всем по порядку.
Начал искать необходимые комплектующие, сразу стало понятно, что TPA6120 у местных нет, не говоря уже об ALPSе. Великий китайский Брат выручает в очередной раз, заказал микросхему TPA6120 и потенциометр ALPS на Алиэкспресс .
У местных купил корпус, трансформатор и остальную мелочь. После того как всё было на руках прошло ещё 4 месяца прежде чем взял в руки… утюг.
При проектирование платы усилителя уделил особое внимание расположению резисторов в соответствии с даташитом, чтобы были наименьшие расстояния от ног входов и выходов до резисторов, чтобы не было возбуждения. И вот платы протравлены, просверлены и залужены. И здесь я уже серьёзно начал задумываться, а как же паять этот хитрый PowerPAD и вообще чего с ним делать.
Снова в Интернет. На одном из форумов нашёл интересное решение. Без паяльного фена и двусторонней ПП с метализированными отверстиями выход один: сверлить под микросхемой отверстие и через него пытаться припаять к PowerPAD-у микросхемы самодельный радиатор.
Попробовал такой предложенный вариант:
сверлится отверстие 1,5 мм, берётся медная проволока, лудиться и накручивается спиралькой вокруг сверла 0,8 мм (я вокруг иголки намотал) длиной 2-3 см. Позиционируется и прихватывается микросхема, спиралька опускается в отверстие и жарится это всё 40-ватным паяльником, естественно с добавлением припоя и флюса. Цель - не просто припаять спиральку, но и чтобы края площадки PowerPAD-а также припаялись к печатной плате.
Вот она, моя система охлаждения для TPA6120. Видите странную «пружинку» в центре?
Держал паяльник несколько секунд и всё получилось! Всё оказалось проще, чем думал. Спасибо доброму человеку за идею!
Звучание
Платы готовы, соединяю всё проводами, быстрая проверка. Постоянки на выходе нет, подключаю свой ЦАП, Сенхайзеры, врубаю «The Dark Side Of The Moon» и наслаждаюсь… Наверное, описывать звук и тем более его качество неблагодарное занятие, надо просто услышать самому.В общем скажу, что звук мне очень понравился во всем диапазоне частот. На слух - минимум искажений, для меня их просто нет. Раньше я слушал свои наушники Sennheiser HD 558 со встроенной звуковой картой. Теперь я их просто не узнал! Появились басы и звук очень детальный.
Итого
Усь поёт. Возбуждения не наблюдается, и слава Богу, благо, были приняты все меры для этого. Сомневался, что спиралька будет хорошо тепло отводить, поставил на час с музыкой на приличной громкости, потрогал микруху - по ощущениям градусов 30-35. Спиралька тёплая, с обратной стороны площадка тоже слегка теплая, значит микруха припаялась нормально, тепло отводится хорошо и на этом я успокоился.
И началось самое сложное и мучительное для меня - собрать всё в корпус. Пару вечеров с дрелью, пассатижами, отвертками, напильниками и кучей нецензурных выражений! Ура, запихал платы в корпус. Корпус оказался великоват для усилителя, за то монтировать удобно и смотрится солиднее в большой коробке. Осталась одна задачка: сделать надписи на лицевой панели. Но это уже совсем другая история.
Купил простенькие уши, чтоб по ночам можно было гаматься и иногда слушать музыку, взял недорогие, но большие KOSS UR20. Подключив к ресиверу был несколько ошарашен, звук очень и очень приятный, джаз и классика просто на ура идут. По НЧ конечно сильно проигрывают затычкам Koss the plug, и ощутимо KOSS Porta Pro, которые уже какой год таскаю как портативные. Был очень удивлен после когда решил послушать Koss Porta Pro после прослушивания композиций на KOSS UR20 - с порта про как будто в уши ваты натолкали. А я ведь считал их очень «приличными» в плане звука. Хотя может это время и атмосфера их могла так попортить? Все это к чему? Да так, решил собрать усилок для ушей, Усилок будет домашний, не портативный ни разу.
Решил для начала собрать клон Lehmann Audio Black Cube Linear
Вот результат:
Все вместе заняло около 3 вечеров и меньше 1000 р денег.
Кому интересно добро пожаловать под кат, будет очень много фоток с подробным описанием.
Схема и конструкция
Сама схема достаточно простая: усилитель класса А, ООС выходные каскады не охвачены, ООС охвачен только ОУ. В интернете схема ищется легко.
Усилитель
Питание
Размышлял как сделать печатку, нашел на каком то польском форуме сканированную печатную плату
и обвел её в любимом Sprint Layout
Вот что получилось
Правда её я чуть перерисовал, ибо нашел пару ошибок и изменил размеры под свои размеры деталей. Дальше получилось, то что в магазине фольгированный текстолит есть только размера 10х15, а плата была больше, пришлось опять перерисовать и уменьшить её общие размеры.
Изготовление печатной платы
ЛУТ или Лазерно-Утюжная Технология наше все) В качестве материала переноса давно использую глянцевые журналы, главное, чтобы на листах журнала не было много темных областей и заливок.
Распечатываем 2 стороны.
После этого самое веселое - надо как то их совместить. Я делал ЛУТ сразу с обоих сторон, приложил кусок стекстолита в листы и аккуратно их завернул, дальше утюгом хорошо прогладил сначала одну потом другую сторону. В принципе получилось неплохо, одна сторона убежала на несколько десятых миллиметра.
После проглаживания надо плату поместить в воду и размокшую бумагу очень осторожно снять, я делаю это подушечками пальцев под водой, вот так
после отмывания от бумаги получается такая плата
Внимательно её изучаем на наличие косяков, если они есть корректируем скальпелем линейкой и маркером. Если все хорошо кидаем плату в ванночку с раствором хлорного железа (рецептура приготовления есть на банке). Главное в этом деле помешивать раствор и регулярно переворачивать плату для равномерного травления.
втыкаю зубочистки, чтобы исключить касание платы ребер ванны для травления.
После травления надо хорошо промыть плату от раствора
Тонер, с готовой платы, смывается ацетоном.
Для удобства сборки люблю наносить обозначения элементов
Нижнюю часть платы облудил используя оплетку с флюсом и небольшим количеством припоя.
Все следующие фотки в основном с еще не отмытой от флюса платой.
Сборка
В первую очередь собираем цепи питания, справа любимые бокорезы с победитовыми накладками.
и проверяем их. Питание с первого раза не запустилось, оказалось что LM337 напрочькитайскийперепил и просто не работает. Поэтому первая проверка усилителя на кухне ночью была от 2 лабораторных источников (нижний кстати тоже самодельный).
Проверка показала, что радиатор обязателен. Плата пока выглядит так.
Взял из запасов старый радиатор от материнки насверлил
Нарезал, снял фаски
Слюда и КПТ, радиатор на месте. Схема потребляет около 150 мА по каждому плечу питания. Напомню усилитель класса А.
Трансформатор взял готовый со старого списанного венгерского усилителя.
Тестовые прослушивания делал на следующих ушах ТДС-5М и 3 пары KOSS))) все среднячок.
Корпус
Большая часть самодельных конструкций умирает так и не обретя корпус. Тут я превзошел свою лень и решился на подвиг - законченный корпус для данного усилителя. В качестве донора был взят корпус CD-ROM. Процес сверления дырок и установку стоек для платы не заснял, не было фотоаппарата под рукой. Получилась такая неказистая конструкция.
Лицевая панель полный шлак, не красиво в общем.
Их старых запасов поднимаем листовой алюминий и вырезаем накладку по размеру лицевой панели CDROM
Долго не думая прикрутил эту панель двумя винтами, выбрал самые симпатичные))))
Сверлим и примеряем, уже стало лучше.
Покраска и оформление
Корпус решил сделать черным матовым (просто баллончик матовой черной краски остался изготовления самодельного бюджетного саба для кино).
Для покраски снял все из корпуса и покрыл все краской из аэрозольного баллона, далее была скучная просушка и сборка. Лицевую панель прошкурил и обезжирив нанес ЛУТом надписи
Собранная плата в корпусе
Пришлось поменять емкости по питанию перед стабилизаторами с 4700 на 10 000 около OPA2134 c 470 на 4700 мкФ, так как был небольшой гул, который можно было услышать ночью в полной тишине. Также добавил радиаторы на интегральные стабилизаторы, так как температурный режим их в закрытом корпусе не самый лучший.
Итог
Затраты деталей суммарно не превысили 1000 р. Оригинал стоит около 40 000 р. На качество оригинала не претендую, но и не считаю что получившийся усилитель плохим. Играет он очень хорошо. Приличные уши обещали дать для сравнения. Источник Asus Xonar D1.
Самое дорогое это конденсаторы.
Транзисторы подобраны по коэффициенту передачи комплиментарными парами и они одинаковы в обоих каналах. Перебрал несколько пакетов с ними в радиомагазине.
На выходе усилителя постоянное напряжение не превышает 5 мВ.
Все сопротивления подобраны с точностью менее 1% или даже лучше.
Входные конденсаторы K73-17+ слюдяные.
Регулятор громкости не самый дорогой но и не самый дешевый alpha.
Конструктор усилителя для наушников.
Надеялся, что магазин пришлет этот конструктор на обзор. Не дождался. Купил за свои. Но это и к лучшему - нормально не спеша собрал аппарат. Результат - в этом обзоре.
Продают этот конструктор и на али. Но там он стоит 17$ - . На ebay цена такая же как и на banggood. Ищется по словам «DIY HIFI Fever Amp Headphone Amplifier Kit». В собранном виде не видел.
Характеристики:
Напряжение питания: переменное 15V
Максимальная мощность: 300mW
сопротивление наушников: 32 - 600 ohm
15Hz-100KHz
SNR: >100dB
Искажения: <0.02%
Разделение каналов: >70dB
Пришло в стандартном черном мягком пакетике. Комплектация:
Инструкция на китайском:
Двусторонняя печатная плата - изготовлена качественно, дорожки разведены нормально:
Размер платы - 86 мм х 125 мм. На плате надпись XY HiFi ver 1.1
Отверстий для установки в корпус нет. Предполагается устанавливать в корпус с боковыми «рельсами» под плату. Но их можно просверлить но углам платы - дорожки не повредятся. В этом случае уста вливать плату в корпус лучше на капроновые ножки. Номиналы деталей на плате не подписаны. Подписаны на инструкции. Принципиальной схемы аппарата нет. На странице товара есть ссылка на схему, нарисованную покупателем Vlad-1357
. Если он читает эту страницу - большое ему спасибо.
Я перерисовал ее на компьютере:
Детали:
В блоке питания - 4007 диоды. В оконечном транзистором каскаде - 4148 диоды.
Схема защиты наушников от постоянного напряжения на выходе и задержка включения на микросхеме uPC1237.
Сразу до сборки заменил все конденсаторы на нормальные - WIMA и Nichicon:
Спаял:
Замечания по сборке:
1. Про замену всех конденсаторов писал выше. Как на стоке звучит не знаю.
2. Очень рекомендую заменить операционный усилитель NE5532 на OPA2134PA. Стоимость такого апгрейда около 200 р. Усилитель начинает играть чище и приятнее.
3. По питанию - пробовал запитать схему от двух раздельных обмоток трансформатора на 15 В через диодные мосты - на слух измерений никаких в звуке не заметил. Вернул оригинальную схему питания.
4. Светодиод индикации питания синего цвета. Светит не особо ярко. при желании можно поменять.
5. Переменный резистор регулятора громкости на 50 кОм сначала показался нормальным - не трещал. На нулевой громкости не слышно сигнала. Но потом получше прислушался. Баланс каналов нарушен - правый канал играет громче левого..html).
6. Трансформатор для питания использовал залитый трансформатор BVEI 304 2043 (2.6VA 230V 15V/174mA).
Покупал оффлайн в магазине «Электроника». На пределе усиления (синус на вход с генератора) такой трансформатор греется градусов до 30-40. Понятно, что так скорее всего усилитель никто использовать не будет. В штатном режиме чуть теплый.
7. Транзисторы BD139/BD140 подбирал парами с одинаковым статическим коэффициентом передачи тока h21э с помощью «народного тестера транзисторов».
8. Транзисторы и стабилизаторы питания почти не греются. На радиаторы можно не устанавливать.
9. Гнездо под наушники 3,5 мм заменил шестимиллиметровым гнездом. Отвод под выход с джека сделал для использования усилка в качестве предусилителя, если наушники отключены.
10. Тумблер отключения питания выкинул - запаял перемычкой.
В качестве нагрузки - два резистора на 51 Ом (у меня наушники Sennheiser HD595 50 Ом). Тестируем генератором сигналов:
Максимальное усиление - дальше если увеличивать амплитуду сигнала получаем клипинг:
Впаял временно после диодов выпрямителя в разрыв питания по резистору в 0.22 Ома для измерения тока покоя и макс потребление. Отключил сигнал на входе.
Ток покоя:
По закону Ома по падению напряжения на резисторе считаем 0.005 В / 0.22 Ом =0.022 А
Макс. потребление. Подаем сигнал с генератора до входа усилителя в клипинг и получаем:
Ток плавно увеличивается с увеличением амплитуды входного сигнала. Значит усилитель работает в классе В.
По закону Ома по падению напряжения на резисторе считаем 0.018 В / 0.22 Ом =0.082 А
Итого усилитель максимально потребляет 2*0.082 А* 15 В =2.45 Ватт. Еще сколько то (немного) потребляет защита.
Подключил наушники. Звук понравился. Фона почти не слышно. После размещения в корпус, экранирования входных-выходных цепей, разводки земли и подкл. к корпусу фон пропал. Так же пропало возбуждение усилителя от сотового телефона.
Звук качественный, прозрачный, детальный. Высокие, низкие и средние хорошо слышно. Окраса звука какого-то тоже не слышно. Начинает усилитель играть хорошо сразу. «Прогрев» не нужен. Во время работы усилитель холодный. Для наушников в 100-150$ будет идеальным аппаратом. Более дорогих наушников в наличие не имеется.
Разместил конструкцию в корпусе от старого CDROM. Стандартное решение:-)
Итог:
Неудовлетворённость качеством воспроизведения музыкальных композиций звуковой картой компьютера заставило взяться за изготовление настольного усилителя. Решил, что это будет простой самодельный усилитель для наушников, собранный по классической схеме на одном .
Однако есть замечание. Этот усилитель подходящим будет только в том случае, когда входной сигнал не требует усиления по напряжению (например, выход достаточной силы дают МП3 плеер или компьютер). Также, любой шум, возникающий в блоке питания, будет идти прямо через усилитель. По этой причине, необходимо использовать только стабилизированный источник питания. Диапазон выходного напряжения 10-20 В и ток 750 мА. Здесь используется N-канальный МОП - транзистор с обратным диодом для работы в ключевом и линейном режиме IRF610. В процессе изготовления усилителя было опробовано применение и других транзисторов: IRF510, IRF611, IRF612 и IRF710, все без исключения работали хорошо. Рекомендую не использовать IRF530 и IRF540 (обычно встречаются в источниках питания). Используемый LM317 - стабилизатор с регулируемым выходным напряжением позволяет очень точно настроить выходные параметры блока питания.
Так как этот усилитель будет находиться на рабочем столе в производственном офисе, он должен обязательно вписываться в рабочую обстановку. Повезло, что имелся вышедший из строя внешний CD-ROM, его дизайн подходил идеально. К тому же в его корпусе уже имелся выключатель, адаптер питания, розетка RCA и входы на задней панели, а также разъем для наушников на передней панели.
При изготовлении усилителя были использованы только те электронные компоненты и комплектующие, которые имелись в наличии. Обычные резисторы и плёночные конденсаторы. Конденсаторы ёмкостью 1 мкФ, 0.47 мкФ и 0,1 мкФ полипропиленовые. Но никто не мешает использовать и более качественные детали.
Радиаторы охлаждения имеют сравнительно небольшой объём охлаждающей площади, но обращаю внимание на то, что они прикручены напрямую к металлическому корпусу, который также принимает участие в рассевании тепла. Объём меньшего по размеру радиатора примерно 1,75 квадратного дюйма. Обязательно изолировать MOSFET и регулятор от радиаторов.
Работа усилителя была опробована при помощи регулируемого блока питания, он включался на низком напряжении. Смещение задается при помощи переменного резистора сопротивлением 100 кОм. Усилитель показал хорошую работу во всём интервале напряжения от 10 до 20 В, но всё же именно качественное воспроизведение звука начиналось при напряжении питания более 13 вольт.
Далее работа усилителя была проверены при помощи USB осциллографа. Это DSO-2150 с 60 МГц пропускной способностью и максимальной частотой дискретизации 150 мк/с. Увиденная синусоида показала себе с лучшей стороны от 20 Гц до 20 кГц.
Меандр 100 Гц
Прямоугольный 4800 Гц
Зелёного цвета входной сигнал, а желтый выходной. Мощность сигнала моего генератора не велика и это отражается на качестве исходных волн. Если сравнивать входное напряжение и выходное напряжение вы увидите, что коэффициент усиления цепи составляет около 0,8. Видно, что при 100 Гц присутствует легкий наклон. Наклон постепенно уменьшается, а частота увеличивается и за его пределами около 300 Гц квадрат волнового отклика отличный до 20 кГц - предела сигнала генератора. Поскольку музыка состоит в основном из синусоид это не проблема. Так как для регулировки громкости будут использоваться МП-3 плеер или компьютер, нет необходимости в потенциометре. Ещё один УНЧ, но уже с применением ламп, можно .
К сожалению не все меломаны и аудиофилы могут позволить себе высококачественные килобаксовые усилители и колонки, зазывными описаниями которых полны глянцевые журналы. Да и в современных многоквартирных домах такие аппараты не всегда уместны. Соседи могут не разделять ваших музыкальных пристрастий.
Хорошей альтернативой в таком случае могут служить качественные наушники и хороший усилитель к ним. И если качественные наушники сегодня можно купить за вполне разумные деньги, то усилители для них, в тех же глянцевых журналах, отличаются весьма нескромной ценой.
Но прежде чем тратить безумные деньги на усилители для наушников дочитайте эту статью до конца. Здесь мы предлагаем вам описание конструкции усилителя, который при относительно скромных затратах, имеет характеристики не хуже, а некоторые даже лучше, чем у дорогих промышленных аппаратов. Уровень его искажений заметно ниже, чем у дорогих CD- и Blu-Ray-проигрывателей. То есть с таким усилителем вы услышите именно то, что записано на CD-диске, ни больше, ни меньше.
Более того, этот усилитель способен раскачать колонки сопротивлением 8 Ом и выдать около 4,5 Вт музыкальной мощности. Это более чем достаточно для чувствительных систем в спальне, небольшой комнате или офисе.
Особенности усилителя:
- Работа на различную нагрузку от 8 Ом до 600 Ом;
- Ультранизкий уровень шумов и искажений;
- Защита от короткого замыкания;
- Возможность работы с акустикой сопротивлением 8 Ом.
Характеристики усилителя:
Выходная мощность: 100 мВт (8-100 Ом), 25 мВт (600 Ом)
Уровень гармоник на частоте 1 кГц: 0,0006%
Уровень шумов в диапазоне 20-22000 Гц (не взвешенный): 113 дБ
Неравномерность частотной характеристики в полосе 20-20000 Гц: 0,15 дБ
Разделение каналов на частоте 1 кГц: 73 дБ
Максимальная мощность: 4,25 Вт (8 Ом), 3 Вт (16 Ом), 1,5 Вт (32 Ом), 800 мВт (60 Ом), 80 мВт (600 Ом)
Работа в классе «А» до: 18 мВт (8 Ом), 36 мВт (16 Ом), 72 мВт (32 Ом), 80 мВт (600 Ом)
Структурная схема усилителя:
Оба канала состоят из следующих блоков: входного фильтра, который защищает вход усилителя от ВЧ-помех, предварительного усилителя с регулятором громкости, выполненного по схеме Баксандалла, усилителя мощности и выходного фильтра, который изолирует цепь общей обратной связи от негативного влияния реактивных составляющих нагрузки.
Предварительный усилитель построен на трёх спаренных операционных усилителях типа LM833, сконфигурирован по инвертирующей схеме. Регулятор громкости, включенный по схеме Баксандалла, обеспечивает изменение усиления от 0 до -15 раз. Причина такого относительно широкого диапазона регулировки в том, что усилитель должен работать с нагрузкой широкого диапазона сопротивлений, а также от источников сигнала, амплитуда которых тоже весьма различна.
Кроме того такое включение обеспечивает минимальные искажения при малых уровнях сигнала. Дополнительным плюсом являет то, что характеристика регулирования получается очень близкой к логарифмической при использовании переменного резистора с линейной зависимостью.
За прототип усилителя мощности была взята схема 20-ваттного усилителя с несколькими упрощениями и дополнениями. Из схемы исключён промежуточный драйвер, так как ток выходных транзисторов здесь невелик, глубина общей обратной связи сделана 100%, таким образом коэффициент передачи усилителя мощности составляет -1. Использование инвертирующего включения позволяет устранить эффект Эрли для входных транзисторов и довести уровень искажений усилителя мощности до уровня искажений ОУ в предварительном усилителе.
В выходном каскаде использована схема защиты от короткого замыкания, так как при подключении или отключении «джека» наушников от выходного разъёма могут происходить кратковременные короткие замыкания.
Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке:
Подробнее о схеме
Так как оба канала идентичны, будут описаны работа и особенности схемы только одного из них.
Все высокочастотные помехи, поступающие на вход усилителя, отфильтровываются входным фильтром, состоящим из индуктивности L1 (ферритовые бусинки, надеты непосредственно на выводы 100-Омных резисторов), резистора 100 Ом и конденсатора 100 пкФ. Далее через разделительный конденсатор 470 нФ отфильтрованный сигнал поступает на вход ОУ, который включен как повторитель напряжения (буферный каскад) для развязки источника сигнала от относительно низкого, да ещё и изменяющегося входного сопротивления регулятора громкости Баксандалла.
Этот регулятор выполнен на операционных усилителях IC2 и IC3. Разделительные конденсаторы выбраны довольно большой ёмкости по 220 мкФ для устранения искажений на низких частотах. Разделительный конденсатор (22 мкФ) обеспечивает отсутствие протекания постоянного тока (вызванного входными токами ОУ) через движок переменного резистора, устраняя тем самым шорохи и трески при регулировании громкости.
Коэффициент передачи этого каскада равен -14,7 (задаётся резисторами в 10 кОм и 680 Ом). Конденсатор на 100 пкФ в цепи обратной связи повышает стабильность каскада и снижает высокочастотный шум.
Как отмечалось выше, переменный резистор для регулировки громкости используется с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Но, благодаря его включению в цепь обратной связи получается удобная логарифмическая характеристика регулирования.
Так как усилитель для наушников может подключаться как к линейному выходу аудиоустройств, так и к выходам, рассчитанным на подключение наушников, т.е. с довольно большой амплитудой сигнала, для защиты входа ОУ (особенно в выключенном состоянии) в схему добавлены маломощные диоды Шоттки (D15, D16), которые ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 0,3 В. Указанный тип BAT42 был тщательно отобран автором из всех возможных по минимальным вносимым искажениям. Без ухудшения параметров эти диоды можно заменить на BAT85.
Усилитель мощности построен по классической схеме. На входе дифференциальный каскад, выполненный на транзисторах Q1 и Q2. Входной сигнал подаётся на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход соединён через резистор 910 Ом с общим проводом (землёй). Источник стабильного тока для входного каскада построен на транзисторе Q5 и задаёт ток 3 мА. Нагружен дифференциальный каскад на токовое зеркало (транзисторы Q3 и Q4). Эмиттерные резисторы в 68 Ом повышают его точность.
Транзисторы Q8 и Q9 включены как составной транзистор Дарлингтона с общим эмиттером. Его коллекторной нагрузкой является источник стабильного тока, выполненный на транзисторе Q7 и обеспечивающий ток в 15 мА.
Конденсаторы на 680 пкФ и 220 пкФ обеспечивают двухполюсную частотную коррекцию для обеспечения устойчивости усилителя.
Источник напряжения смещения выходного каскада выполнен на транзисторе Q10, который крепится с обратной стороны радиатора одного из выходных транзисторов и тем самым обеспечивает температурную компенсацию тока покоя. Конденсатор на 47 мкФ снижает уровень гармоник при больших уровнях сигнала.
В базы выходных транзисторов включены антивозбудные резисторы на 22 Ом для повышения устойчивости каскада. Для линеаризации каскада и стабилизации тока покоя в эмиттерные цепи включены резисторы по 0,6 Ом (два параллельно включённых резистора по 1,2 Ом)
Так как довольно обычной является ситуация, когда наушники подключаются или отключаются от усилителя во включенном состоянии, да и конструкция разъёмов «джек» не исключает замыкание контактов во время этих операций, автор добавил в свою конструкцию узел защиты выхода усилителя от короткого замыкания.
Транзистор верхнего плеча выходного каскада от короткого замыкания защищен автоматически - его базовый ток ограничен значением тока источника на транзисторе Q7. Защита транзистора нижнего плеча выполнена на элементах Q25 и D7. При достижении коллекторным током Q12 критической величины открывается транзистор Q25 и тем самым ограничивает дальнейший рост базового тока Q12.
Выходной фильтр изолирует выход усилителя от реактивных составляющих нагрузки, что повышает стабильность усилителя. В идеале фильтр должен быть оптимизирован под конкретное сопротивление нагрузки. Но, так как сопротивление наушников разных моделей и разных производителей варьируется в весьма широких пределах, автору пришлось пойти на компромисс. В результате этого частотная характеристика имеет подъём на частотах выше 20 кГц для наушников с высоким сопротивлением и небольшой завал для нагрузки сопротивлением 8 Ом. Но эти отклонения от линейной характеристики имеют очень малую величину (-0,02…+0,13 дБ на частоте 20 кГц) и на слух абсолютно не заметны.
Блок питания
В связи с низким потреблением в схеме использованы общие стабилизаторы для предварительного усилителя и усилителя мощности.
Большое внимание при разработке схемы автор уделил отсутствию щелчков в наушниках при включении/выключении усилителя. В усилителях мощности для этого обычно используют реле, которое подключает нагрузку с задержкой, после окончания всех переходных процессов, и заодно используется в системе защиты. Так как в данном случае выходная мощность и токи незначительны, автор отказался от использования реле.
Это не значит, что вы не услышите при коммутации никаких посторонних звуков. Всё будет зависеть от чувствительности ваших наушников. Но в любом случае щелчки будут незначительными, и не будут вызывать какого-либо дискомфорта.
Частично это достигнуто за счёт отказа от конденсатора между базой транзистора Q5 и положительной шиной питания, который обычно обеспечивает задержку включения источника тока входного каскада, из-за чего в динамиках можно услышать довольно мощный щелчок.
Также устранению щелчков способствуют диоды D11 и D12 и резисторы на 10 Ом и 47 Ом, включенные в шины питания усилителя мощности. Аналогично диоды D9 и D10 в предварительном усилителе предотвращают возможное смещение операционных усилителей в моменты включения.
Как отмечалось выше, усилитель способен работать на динамики сопротивлением 8 Ом. Для этого в схему нужно внести небольшие изменения. Заменить предохранитель в источнике питания на 2 А, а ёмкость фильтрующих конденсаторов увеличить до 4700 мкФ. Всё!
Вот такой получился усилитель: честный - благодаря сверхнизкому уровню шума и искажений, он не добавляет ничего своего в звучание; универсальный - с помощью этого усилителя можно подружить практически любые наушники с любым источником сигнала.
Конструкция усилителя очень проста. Абсолютно все элементы размещены на одной печатной плате размерами 198 x 98 mm. Перед началом сборки следует проверить, что все крупногабаритные детали уместятся на плате, а крепежные отверстия подобранных радиаторов и других элементов совпадают.
Сборка начинается с установки 10 проволочных перемычек, выполненных лужёным проводом диаметром 0,7 мм. Затем следует смонтировать все резисторы, не забыв одеть на выводы 100 Омных резисторов на входе усилителя ферритовые кольца.
Следующим шагом устанавливаются все диоды с соблюдением полярности! Микросхемы операционных усилителей можно установить как в специальные панельки, так и непосредственно запаять в плату.
После этого смонтируйте керамические и плёночные конденсаторы, затем маломощные транзисторы. Обратите внимание, что в усилителе используется 4 типа транзисторов. При монтаже следите за правильностью типа и цоколёвки устанавливаемого транзистора. Теперь можно запаять два триммера на 500 Ом и держатель предохранителя.
Устанавливаем электролитические конденсаторы (кроме двух на 2200 мкФ в блоке питания).
Установка светодиода
Перед монтажом светодиода нужно согнуть его выводы под 90 градусов на расстоянии 4 мм от его нижнего торца. Не забудьте про полярность! Отверстие для анода на плате обозначено буквой «А». Светодиод запаивается в плату так, что высота горизонтальной части выводов составила 6,5 мм над поверхностью платы. Это обеспечит совпадение индикатора с отверстием в передней панели корпуса. Для облегчения процесса можно использовать картонную полоску в качестве шаблона.
Катушки индуктивности
Катушки индуктивности L3 и L4 намотаны на небольших пластиковых каркасах с воздушным сердечником. Для удобства их изготовления рекомендуется сделать небольшое приспособление, как показано на рисунке:
Для намотки используется эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм (с изоляцией). Зажав 20 мм провода (это будет начало катушки) мотаем 20,5 витков и фиксируем второй конец катушки (примерно тоже 20 мм.) Надеваем на катушку термоусадочную трубку (для одной катушки понадобится трубка длинной 10 мм и диаметром 20 мм). При нагревании термоусадки старайтесь не расплавить каркас самой катушки.
Вторая катушка мотается аналогично. После намотки выводы катушек следует зачистить от лака и облудить. Можно монтировать их на плату.
Завершаем сборку печатной платы
Монтируем выключатель питания. Его корпус должен быть плотно прижат к плате. Затем устанавливаем разъём питания и входные разъёмы. Используйте RCA-разъёмы разных цветов - красный для правого канала, белый - для левого.
Припаяйте экран между катушками. Это может быть оловянная пластина размерами 35×15 мм, вырезанная из консервной банки ножницами по металлу.
Установка регулятора громкости
Перед установкой потенциометра его надо слегка доработать (если вы в точности повторяете конструкцию автора). Использовался сдвоенный резистор диаметром 16 мм.
Если у вашего резистора плоская часть занимает не всю длину вала, то есть не доходит до резьбового крепления, то её необходимо продлить. Для этого конец вала нужно осторожно зажать в тисках и надфилем удлинить плоскую часть вала до самой резьбы. После этого вал нужно укоротить до 7 мм (просто отпилите лишнюю часть).
После этих операций резистор можно монтировать на плату. Для дополнительной жесткости крепления, а так же для заземления металлического корпуса резистора (а заземлить его нужно обязательно) используется отрезок одножильного луженного медного провода длиной 80 мм. На верхней части корпуса резистора надфилем зачистите небольшой участок. После этого запаяйте подготовленную перемычку к предусмотренным для неё контактам платы, надежно прижав при этом к корпусу резистора. В заключении припаяйте перемычку к подготовленной (зачищенной) площадке на корпусе резистора.
Монтаж радиаторов
На радиаторы устанавливаются два стабилизатора напряжения и шесть транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Радиаторы имеют штыревые крепления, под которые на плате предусмотрены отверстия.
Сборку начинают с установки на радиаторы микросхем 7812 и 7912, как показано на рисунке:
Металлический фланец стабилизаторов необходимо изолировать от радиаторов с помощью силиконовых или слюдяных прокладок. До запаивания контактов элементов в плату не затягивайте крепежный винт у радиатора. Это поможет точнее отрегулировать положение радиатора и микросхем, проверить и, если нужно, откорректировать положение изолирующей прокладки. Только после того, как вы убедитесь, что элементы установлены на плате правильно и ровно, надёжно припаяны, а изоляция не допускает замыкания, можно затянуть винт, обеспечив хороший тепловой контакт поверхности радиатора и элементов.
Два мощных транзистора TIP32 (Q12 и Q24) устанавливаются аналогично стабилизаторам. В отличие от них, на радиаторы для двух транзисторов TIP31 (Q11 и Q23) с обратной стороны устанавливаются транзисторы термокомпенсации BD139.
На рисунке показан их монтаж:
Оба транзистора изолируются от радиаторов с помощью изоляционных прокладок и шайб.
В последнюю очередь устанавливается выходной разъём и электролитические конденсаторы блока питания. Не забудьте, если предполагается эксплуатация усилителя с 8-Омными динамиками, то в блоке питания следует установить два конденсатора по 4700 мкФ. При этом их габариты должны быть не больше чем 16 мм в диаметре и 30 мм по высоте (для авторского варианта корпуса).
Усилитель размещен (в авторском варианте) в стальном корпусе в половину стандартного размера 1-U. Если у вас другой корпус, то возможно разъёмы и органы управления придётся вынести за пределы печатной платы. При этом входные RCA-разъёмы необходимо подключать экранированным проводом.
Тестирование и настройка
После сборки печатной платы усилитель может быть протестирован.
Во-первых, установите оба триммера и потенциометр регулятора громкости против часовой стрелки в крайнее положение. Включите мультиметр на максимальный предел по переменному току и подключите его щупы к контактам предохранителя (сам предохранитель устанавливать не надо). Подключите блок питания и подайте питание на усилитель. Мультиметр должен показать 120 мА (±20 мА) без установки ОУ, или 160 мА (±20 мА), если ОУ установлен.
Если показания прибора отличаются от указанных, отключите питание, проверьте плату на предмет обрыва дорожек, замыкания контактов, правильность установки деталей (особенно диодов и транзисторов).
Если ошибок не обнаружено, установите операционные усилители и вновь подайте питание. Ток потребления должен составить 160 mA (±20 мА).
Теперь выключите питание, установите предохранитель и подключите мультиметр в режиме измерения напряжения к контрольным точкам ТР1 и ТР2. После подачи питания напряжение здесь должно быть близко к нулю.
Теперь медленно вращайте VR2 по часовой стрелке. Сначала ничего не произойдет, но, в конечном счете, показания прибора должны начать расти. Устанавливаем значение 28,5 mV. Это соответствует току покоя левого канала 47,5 mA. Следует отметить, что показания могут медленно расти, так как транзистор начнёт нагреваться. Подождите несколько минут, после чего откорректируйте настройку. После этого отключите питание и подключите мультиметр к контактам ТР3 и TP4. Аналогично триммером VR3 установите ток покоя правого канала.
Теперь можно провести окончательный тест. Подключите к усилителю наушники и источник сигнала. Медленно увеличивайте громкость. Если всё работает нормально, вы должны услышать звук в обоих каналах.
При условии, что ток покоя установлен правильно для обоих каналов, в режиме ожидания (молчания) общий ток потребления будет около 340 мA, то есть потребляемая мощность составит около 4 Вт.
Эксплуатация усилителя
Прежде чем надеть наушники всегда устанавливайте ручку громкости на минимум, а затем плавно отрегулируйте комфортный для вас уровень громкости. Если этого не сделать, вы можете повредить свой слух! Кто-то может оставить регулятор громкости в положении максимума или изменить уровень выходного сигнала источника, который вы слушали последний раз.
Точно так же, не слушайте наушники на высокой громкости длительное время. Это особенно важно при эксплуатации усилителя для наушников, так как вы можете подвергать себя опасным уровням громкости, не чувствуя при этом какого-либо дискомфорта, и тем более это не будет замечено окружающими. В таблице представлены рекомендуемое максимальное время прослушивания наушников в зависимости от уровня громкости (уровня звукового давления) в диапазоне 88-115 dBA.
Короче говоря, избегайте привычки слушать музыку в наушниках на большой громкости!
Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты»
