Схема УМЗЧ: виды, описание, устройство, порядок сборки

Многим знакома ситуация, когда какое-то устройство воспроизводит звук, но делает это не так громко, как хотелось бы. Что делать? Можно купить другую звуковоспроизводящую аппаратуру, а можно приобрести усилитель мощности звуковой частоты (далее УМЗЧ). Более того, усилитель можно собрать своими руками.

Для этого понадобятся лишь базовые знания по электронике вроде умения различать эмиттер, базу и коллектор в биполярном транзисторе, сток, исток, затвор в полевом, а также прочие элементарные аспекты.

Далее будут описаны важнейшие параметры усилителей мощности звука, над улучшением которых стоит работать, чтобы добиться большего усиления, а также приведены простейшие схемы данных устройств, собранные на различных основных компонентах вроде электронных ламп, транзисторов, операционных усилителей и интегральных микросхем.

Помимо этого, в статье будет рассмотрена схема качественного УМЗЧ. Будут затронуты ее состав, параметры, а также конструкционные особенности. Также будет рассмотрена схема УМЗЧ Сухова.

Параметры УМЗЧ

Важнейший параметр усилителя мощности – коэффициент усиления. Он представляет собой отношение выходного сигнала к входному и делится на три отдельных параметра:

1. Коэффициент усиления по току. K_I = I_вых / I_вх.
2. Коэффициент усиления по напряжению. K_U = U_вых / U_вх.
3. Коэффициент усиления по мощности. K_P = P_вых / P_вх.

В случае УМЗЧ разумнее рассматривать коэффициент усиления по мощности, так как требуется усиление именно этого параметра, хотя глупо отрицать, что величина мощности – как входной, так и выходной – зависит от величин тока и напряжения.

Конечно, у усилителей есть и другие параметры вроде коэффициента искажения усиленного сигнала, но все они не так важны по сравнению с коэффициентами усиления.

Не стоит забывать о том, что идеальных устройств не бывает. Нет УМЗЧ с огромным коэффициентом усиления, лишенного других недостатков. Всегда приходится жертвовать одними параметрами в угоду другим.

УМЗЧ на электровакуумных приборах

Электровакуумные приборы представляют собой устройства, содержащие в своей конструкции колбу, в которой находится либо вакуум, либо определенный газ, а также минимум два электрода – катод и анод.

Внутри колбы могут находиться и три, и пять, и даже восемь дополнительных электродов. Лампа с двумя электродами называется диодом (не путать с полупроводниковым диодом), с тремя – триодом, с пятью – пентодом.

Усилители мощности на электронных лампах очень высоко ценятся как среди обычных меломанов, так и среди профессиональных музыкантов, потому что лампы дают самое «чистое» усиление.

Отчасти это связано с тем, что инжектированные с катода электроны на пути к аноду не встречают сопротивления и достигают цели в неизменном состоянии – они не модулируются ни по плотности, ни по скорости.

Ламповые усилители – самые дорогие из всех, что представлены на рынке. Это связано с тем, что электровакуумные приборы перестали массово использовать еще в прошлом веке, соответственно, выпуск их большими партиями стал нерентабельным. Это штучный продукт. Зато подобные УМЗЧ однозначно стоят своих денег: в сравнении с популярными аналогами даже на интегральных микросхемах разница слышна отчетливо. Причем не в пользу микросхем.

Конечно, необязательно собирать ламповые усилители самостоятельно, можно приобрести их в специализированных магазинах. Стоимость усилителей на электровакуумных приборах начинается от ₽50 000. Можно найти сравнительно дешевые б/у варианты (даже до ₽10 000), но они могут быть некачественные. Сколько стоят хорошие усилители на лампах? От ₽100 000. Сколько стоят очень хорошие усилители? От нескольких сотен тысяч рублей.

Схем УМЗЧ на лампах много, в данном разделе будет рассмотрен элементарный пример.

Простейший усилитель можно собрать на триоде. Он относится к классу схем однотактных УМЗЧ. В триоде третий электрод – управляющая сетка, которая регулирует анодный ток. К ней подключается переменное напряжение и с помощью величины и полярности сигнала источника можно либо уменьшать, либо увеличивать анодный ток.

Если подключить к сетке отрицательный высокий потенциал, то электроны будут на ней оседать и ток в цепи будет равен нулю. Если подать на сетку положительный потенциал, то электроны от катода к аноду будут проходить беспрепятственно.

Регулируя анодный ток, можно изменять рабочую точку триода на вольт-амперной характеристике. Это позволяет настраивать величину усиления тока и напряжения (в итоге – мощности) данного электровакуумного прибора.

Чтобы собрать простейший усилитель на триоде, нужно подключить переменный источник питания к управляющей сетке, на катод подать нулевой потенциал, на анод – положительный. К аноду обычно подключают балластное сопротивление. Нагрузку следует снимать между балластным сопротивлением и анодом.

Для повышения качества усиленного сигнала можно к нагрузке подключить последовательно или параллельно (зависит от конкретного случая) фильтрующий конденсатор, к катоду подвести параллельно соединенные конденсатор и резистор, а к управляющей сетке подключить простейший делитель напряжения из двух резисторов.

Теоретически усилитель мощности можно собрать на клистроне по схемам УМЗЧ на лампах. Клистрон – электровакуумное устройство, по конструкции схожее с диодом, но имеющее два дополнительных вывода, служащих для входа и выхода сигнала. Усиление в этом устройстве происходит за счет модуляции потока электронов, испускаемых катодом в сторону коллектора (аналога анода), сначала по скорости, а затем по плотности.

УМЗЧ на биполярных транзисторах

Биполярный транзистор – синтез двух диодов. Он представляет собой либо p-n-p, либо n-p-n элемент, обладающий следующими составляющими:

• эмиттер;
• база;
• коллектор.

Быстродействие и надежность транзисторов в целом выше, чем у электровакуумных приборов. Ни для кого не секрет, что сначала электронные вычислительные машины работали именно на лампах, но как только появились транзисторы, последние быстро заменили своих допотопных конкурентов и успешно используются по сей день.

Далее будет рассмотрен пример использования n-p-n транзистора в схеме усилителя мощности. Важно заметить, что электроны (n) немного быстрее дырок (p), соответственно, быстродействие n-p-n и p-n-p транзисторов отличается не в пользу последних.

Еще один важный нюанс состоит в том, что у биполярных транзисторов есть несколько схем включения:

1. С общим эмиттером (самая популярная).
2. С общей базой.
3. С общим коллектором.

У всех схем разные параметры усиления. Приведенная далее схема УМЗЧ имеет включение с общим эмиттером.

Чтобы собрать простейший усилитель на n-p-n транзисторе, нужно подключить к его базе переменное напряжение, к коллектору – положительный потенциал, а к эмиттеру – отрицательный. И перед базой, и перед коллектором, и перед эмиттером следует установить ограничительные сопротивления. Нагрузка снимается между балластным сопротивлением коллектора и самим коллектором.

Как и в случае с электровакуумным усилителем на триоде, для улучшения качества усиления в данной схеме можно:

• установить делитель напряжения и фильтрующий конденсатор перед базой;
• установить параллельно соединенные конденсатор и резистор на эмиттер;
• включить фильтрующий конденсатор на нагрузку, чтобы устранять шумы и наводки.

Если последовательно соединить два таких усилительных каскада, то их коэффициенты усиления можно будет умножить друг на друга. Это, конечно, заметно усложнит конструкцию устройства, зато позволит добиться большего усиления. Правда, бесконечно соединять эти каскады не получится: чем больше одиночных усилителей соединяются последовательно, тем больше шанс того, что они уйдут в насыщение.

Если транзистор работает в режиме насыщения, то ни о каких усилительных свойствах и речи идти не может. В этом можно убедиться, если взглянуть на вольт-амперную характеристику: рабочая точка транзистора находится на горизонтальном участке, если он работает в режиме насыщения.

УМЗЧ на полевом транзисторе

Далее будет приведена схема УМЗЧ на транзисторах типа МОП (металл-окисел-полупроводник – стандартная структура полевого транзистора).

Структура полевых транзисторов имеет мало общего с биполярными транзисторами. Более того, их принцип действия ничем не похож на принцип действия биполярных аналогов.

Полевые транзисторы управляются электрическим полем (биполярные – током). Они не потребляют ток и устойчивы к гамма-излучению, которое также называют радиоактивным излучением. Последний факт вряд ли когда-то может пригодиться музыкантам, которые хотят собрать усилитель мощности звука, но в промышленности эта особенность полевых транзисторов высоко ценится.

Их главный недостаток состоит в том, что они плохо взаимодействуют со статическим электричеством. Заряд такой природы происхождения может вывести из строя транзисторы данного типа. Любое неосторожное касание пальцем до контакта элемента может повредить транзистор.

Эти особенности стоит учитывать при сборке усилителей мощности на данных электронных компонентах.

Как собрать своими руками схему УМЗЧ на полевом транзисторе? Достаточно следовать дальнейшим указаниям.

Схему простого УМЗЧ на полевом транзисторе можно собрать с помощью полевого транзистора с p-n-переходом с каналом n-типа. Конструкция аналогична той, что описывалась при сборке усилителя на биполярном транзисторе, только место базы занял затвор, коллектора – сток, эмиттера – исток.

УМЗЧ на операционном усилителе

Операционный усилитель (далее ОУ) представляет собой электронный компонент, обладающий двумя входами – инвертирующим (меняет сигнал по фазе на 180 градусов) и неинвертирующим (не меняет фазу сигнала) – а также одним выходом и парой контактов для подачи питания. У него малое значение напряжения смещения нуля и входных токов. Данное устройство обладает очень большим коэффициентом усиления.

ОУ может работать в двух режимах:

• в режиме усилителя;
• в режиме генератора.

Чтобы ОУ работал в усилительном режиме, необходимо подключить к нему цепь отрицательной обратной связи. Она представляет собой резистор, который одним выводом подключен к выходу ОУ, а другим – к инвертирующему входу.

Если подключить такую же цепь к неинвертирующему входу, получится цепь положительной обратной связи и ОУ начнет работать в качестве генератора сигналов.

Выделяют несколько типов усилителей, собранных на ОУ:

1. Инвертирующий – усиливает сигнал и меняет его фазу на 180 градусов. Чтобы получить инвертирующий усилитель на ОУ, нужно заземлить неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий подать сигнал, который необходимо усилить. При этом нельзя забывать про цепь отрицательной обратной связи.
2. Неинвертирующий – усиливает сигнал, не меняя его фазу. Чтобы собрать неинвертирующий усилитель, нужно подключить к ОУ цепь отрицательной обратной связи, заземлить инвертирующий вход и подать сигнал на неинвертирующий контакт ОУ.
3. Дифференциальный – усиливает дифференциальные сигналы (сигналы, различающиеся по фазе, но одинаковые по амплитуде и частоте). Для получения дифференциального усилителя нужно подключить ко входам ОУ ограничительные резисторы, не забыть про цепь отрицательной обратной связи и подать на входные контакты два сигнала: сигнал положительной полярности нужно подать на неинвертирующий вход, отрицательной – на инвертирующий.
4. Измерительный – модифицированная версия дифференциального усилителя. Измерительный усилитель выполняет ту же функцию, что и дифференциальный, только имеет возможность регулировки коэффициента усиления при помощи потенциометра, соединяющего входы двух ОУ. Конструкция такого усилителя заметно сложнее и включает не один, а три ОУ.

Чем сложна работа с операционными усилителями? Для схем с ОУ иногда бывает сложно подобрать подходящие компоненты вроде резисторов и конденсаторов, потому что требуется тщательное согласование элементов не только по номинальным значениям, но и по материалам.

УМЗЧ на интегральных микросхемах

Интегральные микросхемы – устройства, специально созданные для выполнения той или иной задачи. В случае с УМЗЧ одна маленькая микросхема заменяет большой каскад из транзисторов, операционных усилителей или электровакуумных приборов.

В настоящее время огромную популярность имеют микросхемы TDA с различными серийными номерами, например, TDA7057Q или TDA2030. Схем УМЗЧ на микросхемах существует огромное количество.

В своем составе они имеют большое количество резисторов, конденсаторов и операционных усилителей, укомплектованных в очень маленький корпус, размер которого не превышает монеты номиналом 1 или 2 рубля.

Конструирование УМЗЧ

Прежде чем приобретать необходимые детали и вытравливать проводники на плате текстолита, необходимо уточнить номиналы резисторов и конденсаторов, а также подобрать нужные модели транзисторов, операционных усилителей или интегральных микросхем.

Это можно сделать на компьютере при помощи специального программного обеспечения, например, NI Multisim. В данной программе собрана большая база электронных компонентов. С ее помощью можно моделировать работу любых электронных устройств даже с учетом погрешностей, проверять схемы на работоспособность.

С помощью такого софта особенно удобно тестировать схемы мощных УМЗЧ.

Схема стереоусилителя на транзисторах 200 Вт

Схема, рассмотренная в данном разделе, намного сложнее тех, что описывались выше. Зато ее усилительные свойства лучше, чем у конструкций на биполярных, полевых транзисторах, а также операционных усилителях и интегральных микросхемах, которые уже приводились в статье.

В состав данного устройства входят следующие элементы:

1. Резисторы.
2. Конденсаторы (как полярные, так и неполярные).
3. Диоды.
4. Стабилитрон.
5. Предохранители.
6. Биполярные транзисторы n-p-n-типа.
7. Биполярные транзисторы p-n-p-типа.
8. Полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом p-типа.
9. Полевые транзисторы с изолированным затвором с каналом n-типа.

Параметры данного усилителя мощности:

1. P_{номинальная выходная} = 200 Вт (для каждого канала).
2. U_{питание выходного каскада} = 50 В (допустимо небольшое отклонение).
3. I_{покоя выходного каскада} = 200 мА.
4. I_{покоя одного выходного транзистора} = 50 мА.
5. U_{чувствительность} = 0,75 В.

Все основные части данного устройства (трансформатор, система охлаждения в виде радиаторов и сама плата) расположены на анодированном шасси, выполненном из листового дюралюминия, толщина которого – 5 мм. Лицевая панель устройства и регулирующие громкость ручки выполнены из этого же материала.

Трансформатор с двумя обмотками по 35 В можно приобрести готовый. Сердечник желательно выбрать тороидальной формы (его работоспособность в данной схеме проверена), а мощность должна быть 300 Вт.

Блок питания для схемы также придется собрать самостоятельно по схеме питания УМЗЧ. Для его конструирования понадобятся предохранитель, трансформатор, диодный мост, а также четыре полярных конденсатора.

Схема блока питания УМЗЧ приведена в этом же разделе.

Три простые истины, которые стоит помнить при сборке любой электрической схемы:

1. Обязательно нужно соблюдать полярность полярных конденсаторов. Если перепутать плюс и минус в небольшой схеме усилителя, то ничего страшного не произойдет, схема УМЗЧ просто не будет работать, но именно из-за такой незначительной, на первый взгляд, ошибки падали ракеты с оборудованием и экипажем на борту.
2. Обязательно следует соблюдать полярность диодов: катод с анодом также запрещено менять местами. Для стабилитрона это правило тоже актуально.
3. Главное – спаивать детали нужно только там, где на схеме есть точка контакта. Большинство неисправных электрических схем не работают именно по той причине, что монтажник не спаял детали или спаял их там, где не нужно.

Входит ли эта схема в одни из лучших схем УМЗЧ? Возможно. Все зависит от желаний потребителя.

Схема Сухова

Если предыдущую схему усилителя мощности можно собрать самостоятельно, потому что она включает в себя относительно немного элементов, то схему усилителя Сухова вручную лучше не собирать. Почему? Из-за огромного количества элементов и соединений велик шанс допустить ошибку, из-за которой придется переделывать весь значительный объем работ.

На самом деле, схему, приведенную в этом разделе, некорректно называть схемой Сухова. Это УМЗЧ высокой верности модели ВВС-2011 (принципиальная схема УМЗЧ данного типа приведена в данном разделе). В своем составе он не содержит полевых транзисторов, зато он включает:

1. Стабилитроны.
2. Нелинейные резисторы.
3. Обычные резисторы.
4. Полярные и неполярные конденсаторы.
5. Диоды.
6. Биполярные транзисторы обоих типов.
7. Операционные усилители.
8. Дроссель.

Возможности данного включения:

1. P = 150 Вт при R_{нагрузки} = 8 Ом.
2. Линейность: от 0,0002 до 0,0003% при частоте 20 кГц, P = 100 Вт и R_{нагрузки} = 4 Ом.
3. Наличие поддержки постоянного U = 0 В.
4. Наличие компенсации сопротивления проводов при переменном токе.
5. Наличие токовой защиты.
6. Наличие защиты схемы УМЗЧ от U_выхода = const.
7. Наличие плавного запуска.

Такая схема собирается в промышленных масштабах и умещается на небольшой плате. Разводку проводников и расположение элементов можно найти в интернете, где данные материалы находятся в свободном доступе.

Схемы серии Сухова – одни из лучших схем УМЗЧ.

Итог

Усилитель мощности звука – очень востребованное устройство и среди профессиональных музыкантов, и среди обычных любителей музыки. УМЗЧ выполняются как на основе электровакуумных приборов и транзисторов, так и на основе операционных усилителей, интегральных микросхем.

Подобные устройства можно приобрести в специализированных магазинах, а можно изготовить самостоятельно. Что касается цены, то самыми дорогими являются усилители на лампах, самыми дешевыми – на интегральных микросхемах.

Ламповые схемы УМЗЧ имеют более высокое качество усиления, нежели интегральные или транзисторные УМЗЧ. Именно по этой причине люди готовы покупать подобные устройства и за ₽50 000, и за ₽100 000, и за ₽450 000.

При самостоятельной сборке усилителей стоит помнить следующие правила:

1. Категорически запрещено путать полярности диодов, стабилитронов и других анодно-катодных устройств, а также полярных конденсаторов. Это чревато тем, что собранная в итоге схема УМЗЧ не будет работать.
2. При сборке схемы спаивать детали нужно там, где на чертеже есть точка контакта. Звучит, как очевидное правило. Это действительно так, но многие монтажники о нем забывают.

Если пользоваться всеми рекомендациями, которые приведены выше, можно собрать неплохой усилитель мощности звука самостоятельно по схеме УМЗЧ на транзисторах или других элементах.