Проигрыватели компакт-дисков и DVD в настоящее время получили широчайшее распространение и предназначены для работы, в основном, в составе домашнего кинотеатра с ресивером-усилителем. Потому в таких проигрывателях все чаще отсутствует выход для подключения наушников (головных телефонов), что удешевляет изделие, но лишает возможности прослушивать музыкальные программы, не мешая окружающим.

Усилитель для наушников на транзисторах

Даже если такой выход и предусмотрен, то это еще не говорит о его качестве. Зачастую встроенный усилитель обладает крайне “скудными” характеристиками, ничего общего не имеющими с параметрами носителя сигнала. Поэтому остается либо купить ресивер и подключать стереонаушники к нему, либо же использовать отдельный, специально разработанный для этой цепи усилитель для наушников, подключаемый к линейному выходу проигрывателя.

Для правильного выбора тока покоя выходного каскада нужно определиться с параметрами наушников Большинство производимых в настоящее время наушников имеют полное сопротивление от 16 до 70 Ом, реже можно встретить 8 и 600 омные экземпляры. Однако полное сопротивление никоим образом не указывает на качество телефонов, а только лишь требуется для правильного подбора усилителя.

Чувствительность наушников определяется как уровень звукового давления (Sound Pressure Level — SPL), создаваемого при подводимой электрической мощности 1 мВт, и является, по сути, показателем коэффициента полезного действия (КПД). Обычно SPL около 100 дБ Таким образом, зная полное сопротивление и SPL, можно рассчитать мощность усилителя, необходимую для получения заданного SPL. Для примера рассчитаем энергетические требования к усилителю для телефонов сопротивлением 32 Ом. Чтобы на нагрузке 32 Ом выделилась мощность 1 мВт, необходим ток: Необходимое напряжение на нагрузке тогда равно: Пока все очень даже хорошо. Любой усилитель способен обеспечить в нагрузке такие ток и напряжение. Теперь определим максимальное значение SPL. Это можно сделать, зная максимальную мощность, которую способны выдержать наушники. В параметрах на мои было написано 500 мВт. Определим разлчичие в уровнях SPL между 1 мВт и 500 мВт: Теперь определим SPL, создаваемый наушниками при максимальной мощности: Значение SPL=127 дБ явно не безопасно для слуха, но является критерием качества для передачи пиков звукового сигнала. Такие пики присутствуют на записях симфонического оркестра или звуках техногенного происхождения (например, пролет бомбардировщика — альбом “Final Cut” группы Pink Floyd). Однако вернемся к главному Определим, какой ток и напряжение требуются для достижения максимальной мощности в нагрузке: Таким образом, можно сделать вывод, что наушники с полным сопротивлением 32 Ом более требовательны к выходному току усилителя, нежели к напряжению. Выходной каскад усилителя можно построить как с режимом класса А”, так и с режимом класса В” и. на первый взгляд, выигрывает второй вариант из-за своей кажущейся экономичности. Но режиму «В» присущ главный недостаток переключательные искажения, возникающие из-за нелинейности начального участка вольт-амперных характеристик усилительных приборов.

Борьба с этим недостатком приводит к усложнению схемы, увеличению числа каскадов усиления, переводу выходного каскада в режим “АВ”, что, в конечном итоге, снижает КПД усилителя Получается, что первоначальное достоинство режима “В” приводит к усложнению и удорожанию схемы и не дает выигрыша в КПД при столь малом токе нагрузки. Потому лучше основываться на режиме “А” как на потенциально более линейном и более простом в схемотехнической реализации. Ток покоя выходного каскада для режима А логично выбрать равным максимальному току нагрузки. те 125 мА.

Схема усилителя для наушников на полевых транзисторах

Схема разработанного УЗЧ приведена на рис.1 Усилитель построен на МОП-транзисторах с индуцированным каналом и охвачен петлей общей отрицательной обратной связи (ООС). Такой выбор элементной базы позволяет заметно снизить уровень нечетных гармоник низкого порядка и общий уровень гармоник высокого порядка за счет большей линейности проходных характеристик МОП-транзисторов и отсутствия входных токов. Каскад на транзисторах VT1 и VT2 позволяет получить высокое входное сопротивление усилителя. Выбор транзисторов типа КП505А, в основном, оправдывается их низкой стоимостью и доступностью.

Большая входная емкость в данном случае не является проблемой, т.к коэффициент усиления устройства всего около 3. Если же требуется получить большее усиление (10 ..20 раз), их следует заменить схожими по параметрам транзисторами но с меньшей входной емкостью. В противнем случае ухудшится работа дифференциального каскада на высоких частотах, отчего уровни гармонических и интермодуляционных искажении могут заметно возрасти. Ток покоя дифференциального каскада выбран около 6.5 мА.

Он задается источником стабильного тока на VT3 и R5 Такое схемное построение позволяет добиться высокой стабильности и отличных шумовых характеристик устройства. Особое внимание следует уделить источнику опорного напряжения (ИОН) на VD1, R9 и С5. Он является общим для дифференциального и выходного каскадов. От его качества, в конечном итоге, зависят шумовые свойства усилителя в целом. Экспериментально установлено, что минимизировать шумы ИОН можно, пропуская через стабилитрон (мощностью 0,5 Вт) ток не менее 3…4 мА [1]. Дальнейшее повышение тока, хотя и приводит к незначительному уменьшению шума, вызывает снижение КПД.

Для более мощных стабилитронов ток должен быть пропорционально увеличен. Проведя исследования шумовых свойств стабилитронов, я выявил следующие особенности. Так, у широко применяемых стабилитронов серий В2Х55, B2V55, BZX78 наблюдается резкое снижение шумов при токе стабилизации 5 7 мА. У отечественных аналогов в стеклянных корпусах шумы уменьшаются при токах 6 ..15 мА Стабилитроны 1N4739 производства ф. Motorola показали интересные результаты. При токе стабилизации 4 мА наблюдался минимум шумов, но с увеличением тока свыше 5 мА вновь происходило возрастание шумов.

Наилучшие результаты получены с использованием двуханодных стабилитронов КС170А, КС175А и КС191А в пластмассовых корпусах. Шумы этих стабилитронов уменьшаются уже при токе 1 мА, а при токах стабилизации 3…5 мА напряжение шумов в 3…5 раз меньше по сравнению с серией BZX55. Потому в ИОН лучше применять именно двуханодные стабилитроны. Величину емкости С5 нужно выбирать, подходя с позиции ее наилучшего шунтирующего действия на звуковых и ультразвуковых частотах (до 500 кГц). При этом следует помнить, что конденсаторы с большей емкостью имеют и большее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что приводит к снижению рабочей частоты конденсаторов.

Оптимальное значение емкости С5 (для качественных конденсаторов) лежит в пределах 4 7.. 33 мкФ. Если же по качеству конденсаторов имеются сомнения, то можно рекомендовать шунтировать их пленочными конденсаторами емкостью 0.033…0,22 мкФ. Выходной каскад построен на комплементарных транзисторах VT4 и VT5. Ток покоя выбран около 125 мA. На транзисторе VT5 выполнен источник тока, стабильность его такова, что при изменении напряжения питания от ±9 до ±20 В ток изменяется всего на несколько миллиампер). Величина тока покоя задается резистором R14.

Присутствует в выходном каскаде и местная ООС через резистор R13. Стабилитрон VD2 защищает транзистор VT4 от пробоя. Поддержание нуля на выходе при изменении температуры обеспечивается установкой VT4 и VT5 на одном теплоотводе. В цепи затворов всех транзисторов присутствуют резисторы, которые отсутствуют в устройствах на полевых транзисторах без общей ООС (2) и необходимы в устройствах с ООС. Их часто называют “антизвонными” или “антипаразитными” [3].

Без этих резисторов, как правило, возникают проблемы с устойчивостью. Сопротивление этих резисторов зависит от входной емкости транзисторов. Для маломощных и транзисторов средней мощности обычно достаточно резисторов по 47…150 Ом, для более мощных 150 510 Ом. Никакого предварительного подбора активных компонентов в усилителе не требуется. Если усилитель изготавливается в виде автономного блока, его источник питания можно собрать по схеме, приведенной на рис.2.

Особенностью источника питания является низкий уровень шумов за счет использования в выпрямителе диодов с барьером Шотки. Интегральные стабилизаторы LM317 и LM337 дополнительно обеспечивают подавление пульсаций и шумов. Сами по себе стабилизаторы LM317, LM337 работают отлично. Тем не менее, добавление шунтирующих конденсаторов емкостью 10 ..33 мкФ между выводом регулировки и общим проводом увеличивает подавление пульсации почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению). Например, коэффициент подавления пульсаций LM317 достигает 75 дБ, a LM337 — 77 дБ [4, 5]. Но дополнительные конденсаторы требуют включения еще и разрядных диодов между выходами стабилизаторов и выводами управления его избежание выхода стабилизаторов из строя при выключении питания.

Конструкция и детали. Усилитель (рис 1) смонтирован на печатной плате, чертеж которой приведен на рис.3, а расположение элементов — на рис.4 Конденсаторы С1, С7 и С9 — пленочные, типа К73-17, или аналогичные импортные, С2 и С8 — К10-17 или КД 2, в качестве С3, С4 и С5 лучше использовать изделия ф Hitano. Jamicon или Rubycon. Конденсатор С6 — неполярный, ф Hitano, серии ENR. Если нет неполярного конденсатора, то его можно заменить двумя полярными вдвое большей емкости, включенными последовательно (на плате для этого предусмотрено место).

Подстроечный резистор R4 обязательно многооборотный, СП5-2 или импортный аналог 3296W ф. Trimmer или Bourns. Переменный резистор R1 — типа СПЗ-4. СПЗ-ЗЗ или аналогичный импортный, желательно группы “В”. Постоянные резисторы — МЛТ-0,125, МЛТ-0,25 или металлопленочные, типа MF, импортного производства. Разъем XS1 — типа СГ-5, a XS2 — любой подходящий под штекер наушников. Транзисторы VT1-VT3 типа КП505А можно попробовать заменить на КП523А, BSS295, BSS297, VT4 IRF9620, заменим на IRF9610, IRF9520, IRF9510, a VT5 — на IRF610. IRF520, IRF510. Транзисторы VT4 и VT5 обязательно должны быть установлены на общем радиаторе площадью около 120 см².

В блоке питания (рис 2) можно использовать диоды Шотки с обратным напряжением не менее 40 В., рассчитанные на ток не менее 0,5 А. Можно попробовать применить отечественные диоды КД212. Диоды VD5 и VD6 заменимы на 1N4148, КД521, КД522 и т. п. Конденсатор С1 служащий для устранения помех, проникающих из сети. — типов К73- 17, К78-1 на номинальное напряжение не ниже 400 В С4 и С5 — пленочные. К73-17 или К73-9. Интегральные стабилизаторы LM317 и LM337 можно заменить отечественными КР142ЕН12и КР142ЕН18 со ответственно. Их обязательно нужно установить на радиаторы площадью около 30 см² каждый.

Трансформатор питания Т1 можно использовать готовый, мощностью около 15 Вт Обмотки II и III должны быть рассчитаны на напряжение около 18 ..20 В при токе 0.4 А. Настройка. Настройка усилителя предельно проста. Установив предварительно движок R4 примерно в среднее положение, замыкают вход и подают питание на усилитель без нагрузки. Замеряют напряжение на R14, оно должно быть в пределах 1.3… 1.4 В, что соответствует требуемому току покоя 120… 130 мА.

После этого подключают вольтметр постоянного тока к выходу усилителя и поворотом движка R4 добиваются нулевых показании на выходе. После этого усилитель оставляют включенным на 20…30 минут, и снова замеряют напряжение на выходе. Оно не должно быть более +15 мВ (при необходимости корректируют его подстройкой R4). Далее подключают эквивалент нагрузки (резистор 33 Ом) и убеждаются, что напряжение на выходе не изменилось. После этого можно производить измерение параметров усилителя.

Этот УЗЧ несложно превратить в усилитель мощности с топологией Вина, способный отдавать в нагрузку сопротивлением 4 Ом до 15 Вт (рис.5). Для этого достаточно понизить ток покоя каскада на VT4, VT5 до 5… 15 мА, умощнить выход введением в схему истокового повторителя на VT6, VT7 и добавить схему смещения R16. С10. Такой достаточно простои усилитель может найти свое применение, например, в малогабаритных активных акустических системах.

Настройка усилителя мощности практически не отличается от настройки УЗЧ. Отличие состоит только в том, что ток покоя выходного каскада, работающего в режиме “В”. устанавливается резистором R16 на уровне 30…40 мА. что соответствует падению напряжения на резисторах R17, R18 около 100..130 мВ. Первое включение нужно производить без нагрузки, предварительно установив движок R16 в нижнее по схеме положение.