Схема УМЗЧ: види, опис, пристрій, порядок складання

Багатьом знайома ситуація, коли якийсь пристрій відтворює звук, але робить це не так голосно, як хотілося б. Що робити? Можна купити іншу звуковідтворюючу апаратуру, а можна придбати підсилювач потужності звукової частоти (далі УМЗЧ). Більш того, підсилювач можна зібрати своїми руками. Для цього знадобляться лише базові знання по електроніці зразок уміння розрізняти емітер, база і колектор в біполярному транзисторі, сток, витік, затвор у польовому, а також інші елементарні аспекти. Далі будуть описані найважливіші параметри підсилювачів потужності звуку, над поліпшенням яких варто працювати, щоб добитися більшого посилення, а також наведено найпростіші схеми даних пристроїв, зібрані на різних основних компонентах начебто електронних ламп, транзисторів, операційних підсилювачів та інтегральних мікросхем.


Крім цього, у статті буде розглянута схема якісного УМЗЧ. Будуть порушені її склад, параметри, а також конструкційні особливості. Також буде розглянута схема УМЗЧ Сухова.

Параметри УМЗЧ

Найважливіший параметр підсилювача потужності – коефіцієнт підсилення. Він являє собою відношення вихідного сигналу до вхідного і ділиться на три окремих параметра: Коефіцієнт посилення по струму. K I = I вих /I вх . Коефіцієнт посилення по напрузі. K U = U вих /U вх . Коефіцієнт посилення по потужності. K P = P вих /P вх . У разі УМЗЧ розумніше розглядати коефіцієнт підсилення по потужності, так як потрібно посилення саме цього параметра хоча нерозумно заперечувати, що величина потужності – як вхідний, так і вихідний – залежить від величин струму і напруги.


Звичайно, у підсилювачів є і інші параметри начебто коефіцієнта спотворення підсиленого сигналу, але всі вони не так важливі в порівнянні з коефіцієнтами підсилення. Не варто забувати про те, що ідеальних пристроїв не буває. Немає УМЗЧ з великим коефіцієнтом підсилення, позбавленого інших недоліків. Завжди доводиться жертвувати одними параметрами на догоду іншим.

УМЗЧ на електровакуумних приладах

Електровакуумні прилади являють собою пристрої, що містять у своїй конструкції колбу, в якій знаходиться або вакуум, або певний газ, а також мінімум два електроди – катод і анод. Всередині колби можуть бути і три, і п'ять, і навіть вісім додаткових електродів. Лампа з двома електродами називається діодом (не плутати з напівпровідниковим діодом), з трьома – триодом, з п'ятьма – пентодом. Підсилювачі потужності на електронних лампах дуже високо цінуються як серед звичайних меломанів, так і серед професійних музикантів, тому що лампи дають саме «чисте» посилення. Почасти це пов'язано з тим, що інжектовані з катода електрони на шляху до анода не зустрічають опору і досягають мети у незмінному стані – вони не модулюються ні по щільності, ні по швидкості. Лампові підсилювачі – найдорожчі з усіх, що представлені на ринку. Це пов'язано з тим, що електровакуумні прилади перестали масово використовувати ще в минулому столітті, відповідно, випуск їх великими партіями став нерентабельним. Це штучний продукт. Зате подібні УМЗЧ однозначно варті своїх грошей: у порівнянні з популярними аналогами навіть на інтегральних мікросхемах різниця чути чітко. Причому не на користь мікросхем.
Звичайно, необов'язково збирати лампові підсилювачі самостійно, можна придбати в спеціалізованих магазинах. Вартість підсилювачів на електровакуумних приладах починається від ?50000. Можна знайти порівняно дешеві б/у варіанти (навіть до ?10000), але вони можуть бути неякісні. Скільки коштують хороші підсилювачі на лампах? Від ?100000. Скільки коштують дуже хороші підсилювачі? Від декількох сотень тисяч рублів. Схем УМЗЧ на лампах багато, в даному розділі буде розглянуто елементарний приклад. Найпростіший підсилювач можна зібрати на тріоді. Він відноситься до класу схем однотактний УМЗЧ. В тріоді третій електрод – керуюча сітка, яка регулює анодний струм. До неї підключається змінну напругу і з допомогою величини і полярності сигналу джерела можна зменшувати або збільшувати анодний струм. Якщо підключити до сітки негативний високий потенціал, то електрони будуть на ній осідати і струм у ланцюзі дорівнює нулю. Якщо подати на сітку позитивний потенціал, то електрони від катода до анода будуть проходити безперешкодно. Регулюючи анодний струм, можна змінювати робочу точку тріода на вольт-амперній характеристиці. Це дозволяє налаштовувати величину підсилення струму і напруги (у підсумку – потужності) даного електровакуумного приладу.
Щоб зібрати найпростіший підсилювач на тріоді, потрібно підключити джерело живлення змінний до керуючої сітки, на катод подати нульовий потенціал, на анод – позитивний. До анода зазвичай підключають баластне опір. Навантаження слід знімати між баластними опором і анодом. Для підвищення якості посиленого сигналу можна до навантаження підключити послідовно або паралельно (залежить від конкретного випадку) фільтруючий конденсатор, до катода підвести паралельно з'єднані конденсатор і резистор, а до керуючої сітки підключити простий дільник напруги з двох резисторів. Теоретично підсилювач потужності можна зібрати на клістроні за схемами УМЗЧ на лампах. Клистрон – електровакуумне пристрій, по конструкції схожі з діодом, але має два додаткових висновку, службовців для входу і виходу сигналу. Посилення в цьому пристрої відбувається за рахунок модуляції потоку електронів, що випускаються катодом в бік колектора (аналога анода), спочатку по швидкості, а потім по щільності.

УМЗЧ на біполярних транзисторах

Біполярний транзистор – синтез двох діодів. Він являє собою або p-n-p або n-p-n елемент, що володіє наступними складовими: емітер; база; колектор. Швидкодія і надійність транзисторів в цілому вище, ніж у електровакуумних приладів. Ні для кого не секрет, що спочатку електронні обчислювальні машини працювали саме на лампах, але як тільки з'явилися транзистори, останні швидко замінили своїх допотопних конкурентів і успішно використовуються донині.

Далі буде розглянуто приклад використання n-p-n транзистора в схемі підсилювача потужності. Важливо зауважити, що електрони (n) трохи швидше дірок (p), відповідно, швидкодія n-p-n і p-n-p транзисторів відрізняється не на користь останніх. Ще один важливий нюанс полягає в тому, що у біполярних транзисторів є кілька схем включення: З загальним емітером (найпопулярніша). З загальною базою. Із загальним колектором. У всіх схем різні параметри посилення. Наведена далі схема УМЗЧ має включення з загальним емітером. Щоб зібрати найпростіший підсилювач на n-p-n транзисторі, потрібно підключити до його базі змінну напругу, до колектору – позитивний потенціал, а до емітером – негативний. І перед базою, і перед колектором, і перед емітером слід встановити обмежувальні опору. Навантаження знімається між баластними опором колектора і самим колектором. Як і у випадку з електровакуумним підсилювачем на тріоді, для поліпшення якості посилення в даній схемі можна: встановити дільник напруги і фільтруючий конденсатор перед базою; встановити паралельно з'єднані конденсатор і резистор на емітер; включити фільтруючий конденсатор на навантаження, щоб усувати шуми і наведення. Якщо послідовно з'єднати два таких підсилювальних каскаду, то їх коефіцієнти підсилення можна буде помножити одне на одного. Це, звичайно, помітно ускладнить конструкцію пристрою, зате дозволить домогтися більшого посилення. Правда, нескінченно з'єднувати ці каскади не вийде: чим більше одиночних підсилювачів з'єднуються послідовно, тим більше шанс того, що вони підуть в насичення.
Якщо транзистор працює в режимі насичення, то ні про які підсилювальних властивостей і мови йти не може. У цьому можна переконатися, якщо поглянути на вольт-амперну характеристику: робоча точка транзистора знаходиться на горизонтальному ділянці, якщо він працює в режимі насичення.

УМЗЧ на польовому транзисторі

Далі буде наведена схема УМЗЧ на транзисторах типу МОН (метал-окисел-напівпровідник – стандартна структура польового транзистора). Структура польових транзисторів має мало спільного з біполярними транзисторами. Більш того, їх принцип дії нічим не схожий на принцип дії біполярних аналогів. Польові транзистори управляються електричним полем (біполярні – струмом). Вони не споживають струм і стійкі до гамма-випромінювання, яке також називають радіоактивним випромінюванням. Останній факт навряд чи колись може знадобитися музикантам, які хочуть зібрати підсилювач потужності звуку, але у промисловості ця особливість польових транзисторів високо цінується. Їх головний недолік полягає в тому, що вони погано взаємодіють зі статичною електрикою. Заряд такої природи походження може вивести з ладу транзистори даного типу. Будь-який необережний дотик пальцем до контакту елемента може пошкодити транзистор. Ці особливості варто враховувати при складанні підсилювачів потужності на даних електронних компонентах. Як зібрати своїми руками схему УМЗЧ на польовому транзисторі? Досить слідувати подальшим вказівкам. Схему простого УМЗЧ на польовому транзисторі можна зібрати за допомогою польового транзистора з p-n-переходом з каналом n-типу. Конструкція аналогічна тій, що описувалася при складанні підсилювача на біполярному транзисторі, тільки місце бази зайняв затвор, колектора – сток, емітера – витік.

УМЗЧ на операційному підсилювачі

Операційний підсилювач (далі ОП) являє собою електронний компонент, що володіє двома входами – інвертується (змінює сигнал по фазі на 180 градусів) і неинвертирующим (не змінює фазу сигналу) – а також одним виходом і парою контактів для подачі живлення. У нього мале значення напруги зміщення нуля та вхідних струмів. Даний пристрій володіє дуже великим коефіцієнтом посилення. ОУ може працювати в двох режимах: в режимі підсилювача; в режимі генератора. Щоб ОУ працював в підсилювальному режимі, необхідно підключити до нього ланцюг негативного зворотного зв'язку. Вона являє собою резистор, який одним висновком підключений до виходу ОУ, а іншим – до інвертуючого входу. Якщо підключити таку ж ланцюг до неінвертуючого входу, вийде ланцюг позитивного зворотного зв'язку і ОУ почне працювати в якості генератора сигналів. Виділяють кілька типів підсилювачів, зібраних на ОУ: Інвертуючий – підсилює сигнал і змінює його фази на 180 градусів. Щоб отримати інвертуючий підсилювач на ОП, слід заземлити неінвертуючий вхід ОП, а на інвертуючий подати сигнал, який треба підсилити. При цьому не можна забувати про ланцюг негативного зворотного зв'язку. Неінвертуючий – підсилює сигнал, не змінюючи його фазу. Щоб зібрати неінвертуючий підсилювач, потрібно підключити до ОУ ланцюг негативного зворотного зв'язку, заземлити інвертуючий вхід і подати сигнал на неінвертуючий контакт ОУ. Диференціальний – підсилює диференціальні сигнали (сигнали, що розрізняються по фазі, але однакові по амплітуді і частоті). Для отримання диференціального підсилювача потрібно підключити до входів ОП обмежувальні резистори, не забути про ланцюг негативного зворотного зв'язку та подати на вхідні контакти два сигнали: сигнал позитивної полярності потрібно подати на неінвертуючий вхід, негативної – на інвертується. Вимірювальний – модифікована версія диференціального підсилювача. Вимірювальний підсилювач виконує ту ж функцію, що і диференціальний, тільки має можливість регулювання коефіцієнта посилення за допомогою потенціометра, що з'єднує входи двох ОУ. Конструкція такого підсилювача помітно складніше і включає не один, а три ОУ. Чим складна робота з операційними підсилювачами? Для схем з ОУ іноді буває складно підібрати відповідні компоненти зразок резисторів і конденсаторів, тому що потрібно ретельне узгодження елементів не тільки за номінальним значенням, але і за матеріалами.

УМЗЧ на інтегральних мікросхемах

Інтегральні мікросхеми – пристрої, спеціально створені для виконання тієї чи іншої задачі. У випадку з УМЗЧ одна маленька мікросхема замінює великий каскад з транзисторів, операційних підсилювачів або електровакуумних приладів. В даний час величезну популярність мають мікросхеми TDA з різними серійними номерами, наприклад, TDA7057Q або TDA2030. Схем УМЗЧ на мікросхемах існує величезна кількість. У своєму складі вони мають велику кількість резисторів, конденсаторів та операційних підсилювачів, укомплектованих в дуже маленький корпус, розмір якого не перевищує монети номіналом 1 або 2 рубля.

Конструювання УМЗЧ

Перш ніж купувати необхідні деталі і витравлювати провідники на платі текстоліту, необхідно уточнити номінали резисторів і конденсаторів, а також підібрати потрібні моделі транзисторів, операційних підсилювачів або інтегральних мікросхем. Це можна зробити на комп'ютері за допомогою спеціального програмного забезпечення, наприклад, NI Multisim. У даній програмі зібрана велика база електронних компонентів. З її допомогою можна моделювати роботу будь-яких електронних пристроїв, навіть з урахуванням похибок, перевіряти схеми на працездатність. З допомогою такого софту особливо зручно тестувати схеми потужних УМЗЧ.

Схема інтегрального стереопідсилювача на транзисторах 200 Вт

Схема, розглянута в даному розділі, набагато складніше тих, що описувалися вище. Зате її підсилювальні властивості краще, ніж у конструкцій на біполярних, польових транзисторах, а також операційних підсилювачах та інтегральних мікросхемах, які вже наводилися в статті. До складу пристрою входять такі елементи: Резистори. Конденсатори (як полярні, так і неполярні). Діоди. Стабілітрон. Запобіжники. Біполярні транзистори n-p-n-типу. Біполярні транзистори p-n-p-типу. Польові транзистори з ізольованим затвором з каналом p-типу. Польові транзистори з ізольованим затвором з каналом n-типу. Параметри даного підсилювача потужності: P номінальна вихідна = 200 Вт (для кожного каналу). U харчування вихідного каскаду = 50 (допустимо невелике відхилення). I спокою вихідного каскаду = 200 мА. I спокою одного вихідного транзистора = 50 мА. U чутливість = 075 Ст. Всі основні частини даного пристрою (трансформатор, система охолодження у вигляді радіаторів і сама плата) розташовані на анодованому шасі, виконаному з листового дюралюмінію, товщина якого – 5 мм. Лицьова панель пристрою і регулюють гучність ручки виконані з цього ж матеріалу. Трансформатор з двома обмотками по 35 можна придбати готовий. Сердечник бажано вибрати тороїдальної форми (його працездатність в даній схемі перевірена), а потужність повинна бути 300 Вт. Блок живлення для схеми також доведеться зібрати самостійно за схемою живлення УМЗЧ. Для його конструювання знадобляться запобіжник, трансформатор, діодний міст, а також чотири полярних конденсатора. Схема блоку живлення УМЗЧ наведена в цьому ж розділі. Три прості істини, які варто пам'ятати при складанні будь-якої електричної схеми: Обов'язково потрібно дотримуватись полярності полярних конденсаторів. Якщо переплутати плюс і мінус в невеликій схемою підсилювача, то нічого страшного не станеться, схема УМЗЧ просто не буде працювати, але саме із-за такої незначної, на перший погляд, помилки падали ракети з обладнанням та екіпажем на борту. Обов'язково слід дотримуватись полярності діодів: катод з анодом також заборонено міняти місцями. Для стабілітрона це правило теж актуально. Головне – споювати деталі потрібно лише там, де на схемі є точка контакту. Більшість несправних електричних схем не працюють саме з тієї причини, що монтажник не спаяв деталі або спаяв їх там, де не потрібно. Чи входить ця схема в одні з найкращих схем УМЗЧ? Можливо. Все залежить від бажань споживача.

Схема Сухова

Якщо попередню схему підсилювача потужності можна зібрати самостійно, тому що вона включає в себе відносно небагато елементів, то схему підсилювача Сухова вручну краще не збирати. Чому? З-за величезної кількості елементів і сполук великий шанс допустити помилку, через яку доведеться переробляти весь значний обсяг робіт. Насправді, схему, наведену у цьому розділі, некоректно називати схемою Сухова. Це УМЗЧ високої вірності моделі ВВС-2011 (принципова схема УМЗЧ даного типу наведена в цьому розділі). У своєму складі він не містить польових транзисторів, зате він включає: Стабілітрони. Нелінійні резистори. Звичайні резистори. Полярні та неполярні конденсатори. Діоди. Біполярні транзистори обох типів. Операційні підсилювачі. Дросель. Можливості даного включення: P = 150 Вт при R навантаження = 8 Ом. Лінійність: від 00002 до 00003% при частоті 20 кГц, P = 100 Вт і R навантаження = 4 Ом. Наявність підтримки постійного U = 0 Ст. Наявність компенсації опору проводів при змінному струмі. Наявність струмового захисту. Наявність захисту схеми УМЗЧ від U виходу = const. Наявність плавного запуску. Така схема збирається в промислових масштабах і вміщується на невеликій платі. Розведення провідників і розташування елементів можна знайти в інтернеті, де ці матеріали знаходяться у вільному доступі. Схеми серії Сухова – одні з найкращих схем УМЗЧ.

Підсумок

Підсилювач потужності звуку – дуже затребуване пристрій і серед професійних музикантів, і серед звичайних любителів музики. УМЗЧ виконуються як на основі електровакуумних приладів і транзисторів, так і на основі операційних підсилювачів, інтегральних мікросхем. Подібні пристрої можна придбати в спеціалізованих магазинах, а можна виготовити самостійно. Що стосується ціни, то найдорожчими є підсилювачі на лампах, найдешевшими – на інтегральних мікросхемах. Лампові схеми УМЗЧ мають більш високу якість посилення, ніж інтегральні або транзисторні УМЗЧ. Саме з цієї причини люди готові купувати подібні пристрої та за ?50000 і за ?100000 і за ?450000. При самостійній збірці підсилювачів варто пам'ятати наступні правила: Категорично заборонено плутати полярності діодів, стабілітронів і інших анодно-катодного пристроїв, а також полярних конденсаторів. Це загрожує тим, що зібрана в результаті схема УМЗЧ не буде працювати. При складанні схеми споювати деталі потрібно там, де на кресленні є точка контакту. Звучить, як очевидне правило. Це дійсно так, але багато монтажники про нього забувають. Якщо користуватися усіма рекомендаціями, що наведені вище, можна зібрати непоганий підсилювач потужності звуку самостійно за схемою УМЗЧ на транзисторах чи інших елементах.