No Image

Усилитель линсли худа печатная плата

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Телефоны берет звукоинженер, а не менеджер. Звоните

  1. Технологии
  2. Эксклюзив
  3. Усилитель JLH часть 1 – история разработки

Новое – это хорошо забытое старое

Последние несколько лет наблюдается волна интереса к знаменитому усилителю Джона Линсли Худа (John Linsley-Hood). Повышенный интерес к JLH обусловлен тем, что интернет-магазины и аукционы Hi-End начали предлагать множество вариаций этого усилителя в готовом виде и в виде комплектов для домашней сборки. На многочисленных форумах по электронике и звукотехнике проводятся бурные обсуждения предложенной более 40 лет назад схемы и способов ее улучшения применительно к сегодняшней компонентной базе.

Нередко лейбл «JLH» навешивают на конструкции, ничего общего с легендарным оригинальным усилителем не имеющие. Предлагаю разобраться в достоинствах и недостатках этого усилителя класса А и его поразительно изящной, и простой схемотехнике. Усилитель этого талантливого инженера из Англии, созданный почти 50 лет назад дожил до сегодняшнего дня пережив несколько реинкарнаций, и сегодня, в конце 2016 года он, по-прежнему будоражит воображение настоящих аудиофилов.

Первая публикация схемы появилась в журнале «Wireless World» в 1959 году. Перевод основной идеи схемы John Linsley-Hood:

«В последнее время издания для любителей качественного звучания опубликовали множество схем усилителей на транзисторах, большинство из которых малопригодны для повторения ввиду чрезвычайной сложности для повторения среднестатистическим радиолюбителем. Мощность предлагаемых к повторению транзисторных усилителей как правило многократно завышена, что совершенно не требуется для комфортного прослушивания музыки в обычной комнате. Повышенная мощность тянет за собой необходимость применения дорогостоящих транзисторов и мощных блоков питания. До эры появления транзисторов огромной популярностью пользовались ламповые усилители фирм Mullard, Leak и другие обладающие выходной мощностью до 10-15 Ватт на канал, которой с лихвой хватало для воспроизведения практически любой музыки в условиях реальной жилой комнаты. Уровень громкости с колонками средней чувствительности и такой выходной мощностью усилителя в стерео-режиме получался даже больше необходимого. Инженеру Джону Линсли Худу пришла идея разработать простой для повторения, но максимально качественный усилитель класса А с разумной выходной мощностью и минимально возможными искажениями. Что он блистательно и осуществил»

Один из приверженцев максимально простых и линейных Hi-End усилителей класса «А» и по совместительству владелец фирмы «Pass Aleph» Нельсон Пасс (Nelson Pass) написал в своей статье, что усилитель Д. Ли. Худа даже спустя 40 лет восхищает великолепным качеством звучания при предельно простотой конструкции.

Искажения и выходная мощность

В период 1947-1949 годов патриарх усилителе строения David Theodore Nelson Williamson написал в серии статей, опубликованных в том же журнале «Wireless World», что величина искажений для высококачественного звуковоспроизведения не должна превышать 0,1%. Основные искажения в ламповом усилителе вносит выходной трансформатор, а поскольку транзисторные конструкции могут обойтись без этого нелинейного элемента, то требования к транзисторным схемам можно ужесточить. Можно считать допустимыми не более 0,05% искажений, вносимых транзисторным усилителем при полной выходной мощности в полосе частот от 30 Гц до 20 кГц.

В связи с «гонкой мощностей» когда во главу угла ставились параметры усилителей, а их реальное звучание отодвигалось на второй план, подавляющее число разработок и воплощение их в готовых конструкциях было сосредоточено на усилителях класса «В» или «АВ». Потенциальный клиент читал отзывы об усилителях в аудио прессе и его глаза невольно наталкивались на эту «гонку параметров». На первое место ставились преимущества усилителей с характеристиками, изобилующие многими нулями: 0,01 – 0,001 % искажений, 100 – 200 – 300 Ватт выходной мощности, а не редко и больше. Эти цифры объявлялись «главными достоинствами» усилителей, а их цена напрямую зависела от количества нулей. Потенциальный покупатель усилителя намеренно ставился перед искусственно навязанным выбором, таким же, как в случае с автомобилями и рекламируемыми «преимуществами» с упором на мощность двигателя и максимальную скорость. В отличие от автомобиля, в усилителях выходная мощность и уровень искажений к реальному качеству звучания имеют очень опосредованное отношение. На звук гораздо большее влияние оказывает грамотно выбранная схемотехника, режимы работы каждого каскада и качество деталей.

По простому о классах «А» и «АВ»

Усилители класса А получили малое распространение в первую очередь из-за низкого КПД. При «гонке параметров» когда рынок требует от усилителя получение выходных мощностей 50 – 100 – 200 и более Ватт в канал применять режим класса А крайне невыгодное и неблагодарное мероприятие. Потребляемую мощность с этим режимом нужно смело умножить на три или четыре, и вся эта мощность, в отличие от полезной не идет на динамики, а преобразуется в банальное тепло. Соответственно для усилителя, работающего в классе А требуется блок питания в три – четыре раза мощнее аналогичного, работающего в классе АВ. Плюс, нужны огромные радиаторы, которые должны рассеять излишнее тепло. Себестоимость усилителя довольно сильно зависит от мощности блока питания и размеров радиаторов выходных транзисторов. В итоге усилители класса «А» получаются намного более дорогими и «горячими» в прямом смысле этого слова, по сравнению с аналогичными по мощности усилителями, работающими в классе АВ.

Вот этот маленький КПД усилителей класса А помноженный на «Горячесть» и высокую по сравнению с моделями класса «АВ» стоимость и предопределил малую распространенность этих на самом деле – замечательных конструкций.

Если абстрагироваться от желания получить сто ваттные мощности на выходе и смириться с повышенным тепловыделением, усилители класса А по звучанию уложат «на обе лопатки» абсолютно все другие модели усилителей с их техническими изысками. Как правило усилители класса А намного более просты схемотехнически, чем их собратья, работающие в других режимах. Режим работы А пришел из ламповых схем, которые отличаются от транзисторных намного более «коротким» трактом и малым количеством деталей. Платой за кажущуюся простоту является необходимость тщательного подбора каждого элемента усилителя класса А и высокие требования к качеству комплектующих.

Читайте также:  Собачка из шаров мастер класс

Благодаря простой конструкции и малому количеству каскадов, усилитель класса А поддается точной настройке путем оптимизации работы каждого каскада и наилучшему согласованию каскадов между собой. В Усилителях класса АВ с их десятками и сотнями последовательно включенных звеньев, индивидуальная настройка каждого каскада в принципе невозможна. Для обеспечения приемлемых параметров в них приходится вводить глубокую отрицательную обратную связь, которая позволяя достичь заданных характеристик, при этом начисто «убивает» звук.

Особенности схемотехники JLH

Основная идея John Linsley-Hood, построение максимально простого усилителя, все каскады которого работают в классе А. В классе А транзисторы работают на максимально линейных участках своих характеристик, и имеют практически постоянную, хоть и немного повышенную температуру, при которой их параметры практически не «плывут». В классе А можно достичь очень хорошей симметрии плеч и избавиться от так называемых «коммутационных» искажений, ведь в классе А транзисторы в отличие от класса В и АВ вообще не выключаются.

Каскады класса А в однотактном включении с нагрузкой – резистором самые неэффективные по КПД в сравнении со всеми остальными вариантами включения транзисторов. Зато они самые линейные и самые «музыкальные». Путем замены резистора на дроссель или трансформатор можно повысить КПД и легко согласовать простейший каскад на транзисторе с практически любым следующим каскадом. Но это «палка о двух концах». Применив дроссель или трансформатор, мы получаем максимально качественно «звучащий» каскад, но при этом имеем в конструкции сложное, тяжелое и дорогостоящее моточное изделие.

Для упрощения и удешевления конструкции Джон Линсли Худ применил двухтактный выходной каскад с возбуждением противофазным сигналом, изображенный на Рис.1. Оптимальным решением здесь является применение каскада на транзисторе VT1 обратной проводимости (n-p-n), который для выходных транзисторов является фазоинвертором и управляет обоими плечами (верхним и нижним), собранными на транзисторах VT2 и VT3.

За счёт компенсации взаимной нелинейности характеристик транзисторов, это включение даёт низкие искажения даже без применения отрицательной обратной связи. Как бонус, низкое выходное сопротивление каскада на VT1 хорошо согласуется с довольно высоким входным сопротивлением каскадов на VT2, VT3.

Упрощенная схема усилителя JLH показана на Рис.2

Входной сигнал подается на базу транзистора VT1. С его коллектора инвертированный и усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2. Транзистор VT2 усиливает входной сигнал и формирует противофазные сигналы для выполненного на транзисторах VT3 и VT4 выходного каскада. Нижний выходной транзистор VT3 включен по схеме с общим эмиттером и усиливает как ток, так и напряжение. Верхний выходной транзистор VT4 включен по схеме с общим коллектором и усиливает только ток (это классический эмиттерный повторитель).

Резисторы R4-R5 задают напряжение смещения для транзистора VT1, резистор R3 формирует смещение выходного каскада. Резисторы R1-R2 задают глубину отрицательной обратной связи по току. Транзистор VT2 является сердцем этой схемы и применен здесь для управления выходным каскадом – элегантно и просто.

Нельсон Пасс являясь приверженцем максимально простых схем и коротких трактов, работающих в классе «А» обошёл стороной одну особенность представленной топологии. В своих конструкциях он применяет исключительно полевые транзисторы, которые управляются напряжением на затворе, в отличие от примененных Джоном Ли Худом биполярных транзисторов, управляемых током базы. И если в далеком 1959 году мощных серийных полевых транзисторов попросту не существовало и Джона Ли Худа можно понять, то Нельсона Паса понять сложно, по какой именно причине он не применяет в своих усилителях биполярные транзисторы. Путем обращения к «коллективному» разуму армии любителей, повторивших конструкции как Нельсона Пасса, так и Джона Ли худа было «вычислено», что с полевыми транзисторами гораздо легче работать. Они менее капризны и для достижения искомых параметров не требуют вокруг себя «танцев с бубнами» (многомесячных настроек) как биполярные. Но тот же «коллективный разум» говорит о том, что биполярные транзисторы звучат все-таки лучше полевых… хотя это как раз не факт.

Выходной ток предыдущего каскада усилителя Джона Ли Худа является входным током для последующего. Ток коллектора транзистора VT1 является управляющим для транзистора VT2 и втекает в его базу. В других каскадах все происходит аналогично. Резистор R3 является источником стабильного тока и изменение тока коллектора транзистора VT2 полностью отражается на токе базы транзистора VT4. Такая топология построения «двойки» транзисторов делает условия их взаимного управления идеальными.

Вся идеология построения усилителя Джона Ли Худа подчиняется идее минимализма, в ней нет ничего лишнего…

Дизайн усилителя JLH родился в то время, когда эра усилителей на лампах близилась к своему завершению, транзисторы быстро вытеснили электровакуумные приборы практически из всех областей электроники. Не избежала этой участи и звуковая техника. Инженеры начали проектировать транзисторные усилители с оглядкой в первую очередь на параметры: высокую выходную мощность и предельно низкие искажения. Их разработки в большинстве своем были крайне сложны и отличались от ламповых схем применением многочисленных и глубоких обратных связей. А это, как в последствии выяснилось, качества звуку совсем не добавило.

За прошедшие 47 лет прогресс в электронной промышленности ушел далеко вперед. А вот про технику для воспроизведения звука такого сказать нельзя. За почти сто лет с момента изобретения электронного усилительного прибора – лампы, а за ней транзистора, вдруг выяснилось, что лучшее звучание имеют простые схемотехнические решения, известные уже много лет. И никакими современными технологическими изысками качество звучания почему-то не улучшается.

Читайте также:  Какой рисунок обоев скрывает неровности стен

Блог об опыте самостоятельного конструирования качественных акустических систем и усилителей (в стремлении к звучанию Hi-End уровня за небольшие деньги)

Сравнительные измерения ФЧХ (широкополосник VS минимально-фазовая АС)

В статье О фазолинейной акустике или "Святой Грааль" хорошего звука я писал про то, что акустические системы на широкополосном динамике являются компромисным решением и не могут относиться к системам высокой верности. При этом на форумах очень часто можно встретить восторженные отзывы о звучании акустики на широкополоснике. И это отчасти понятно, в отличие от большинства многополосных акустических систем на пассивных фильтрах, акустика на широкополосном динамике имеет отличную переходную характеристику (ПХ) и хорошую фазочастотную характеристику (ФЧХ). От ПХ и ФЧХ акустической системы зависит локализация инструментов в пространстве и объем звуковой сцены. Чем лучше эти характеристики, тем более явно выраженным становится эффект присутствия.

Ультралинейный усилитель А класса (опыт конструирования усилителя JLH 1969)

Обратите внимание, что напряжение и номиналы некоторых деталей зависят от сопротивления АС. В данной схеме конденсатор С2 слишком малой емкости, что ведет к завалу АЧХ на НЧ. Я применил конденсатор емкостью 2.2 мкФ.

В своей реализации использовал импортные транзисторы, основываясь на рекомендациях тех, кто уже экспериментировал с разными вариантами транзисторов (VT1 – BC560CTA, VT2 – 2SC5707, VT3 и VT4 – 2SC5200).

Остальные компоненты взял с учетом нагрузки 8 Ом (в соответствии с таблицей). Резистор R8 лучше сделать подстроечным для более простой настройки тока покоя.

Емкость конденсаторов в выпрямителе составила 32000 мкФ (на канал). Как показала практика этого с лихвой хватает для абсолютного исключения фона в динамиках. Нет смысла делать емкость больше.

Качество изготовления китайского корпуса отменное, придраться не к чему!

Диодный мост, микросхему стабилизатора и выходные транзисторы одного канала разместил на общем радиаторе:

16 вольт (для исключения появления высокого тока покоя при первом включении и пробоя выходных транзисторов в случае ошибок в монтаже).
5. Установить с помощью резистора R2 половину напряжения питания в точке соединения эмиттера и коллектора выходных транзисторов.
Далее итерационно:
6. С помощью подстроечного резистора R8 установить ток 1.2 Ампера.
7. Поднять на пару вольт напряжение питания, при этом ток будет расти. Нужно контролировать по амперметру, чтобы ток не превышал 2 А.
8. Снизить ток с помощью R8 до 1.2 А.
Повторяя пункты 6,7,8, доводим напряжение питания до требуемых 27 Вольт.

Борьба с фоновыми помехами
Некоторые из тех, кто уже повторял конструкцию усилителя, жаловались на фоновые помехи (гудение в колонках на частоте электросети). В моем случае фон также был, причем только в одном канале. Уровень фона был несильным, т.е. слышно с расстояния

0.3 метра от АС. Тем не менее он мне не давал покоя :). Исходя из логики, раз фонит только один канал, значит дело не в плохой работе фильтра/стабилизатора или разводке сигнальных/силовых цепей (все идентично), а в чем-то другом. Пришлось поэкспериментировать и достать бубен. Проблему в итоге я решил так: припаял провод от земляной точки платы "фонящего" канала к металлическому корпусу регулятора громкости. И о чудо! Фон исчез! В колонках абсолютная тишина.

Итоговый вид усилителя

Звучание усилителя оказалось ожидаемо нейтральным. Минимализм схемотехники в лучшую сторону сказывается на качестве звучания усилителя. Звучит он очень натурально и прозрачно на любой громкости в пределах 10 Вт своей мощности. Искажения, как и фон, абсолютно не слышны и не влияют на общее звучание системы. При непосредственном сравнении JLH с усилителем, реализованным на микросхеме, предпочтение однозначно отдаешь JLH. Разница очень заметна на слух и выражается в более чистом и мягком звучании JLH на высоких частотах.
После сборки и прослушивания этого усилителя, абсолютно пропало желание покупать какой-либо другой усилитель, т.к. характеристики и качество звучания JLH приближаются к топовым образцам усилителей, выпускаемых промышленно. Наоборот, есть желание собрать еще один такой же, чтобы реализовать полный биампинг на активном кроссовере.
К сожалению, у меня нет возможности сравнить звучание с ламповым усилителем, но судя по отзывам, JLH звучит сравнимо или даже лучше ламповых. Удивительно, что такая простая схема легко уделывает гораздо более сложные и дорогостоящие конструкции!

PS
Из-за особенности усилителей, работающих в классе А, бОльшая часть мощности расходуется на рассеивание тепла. Усилитель серьезно греется даже при достаточно большой площади радиаторов. В моем случае корпус нагревается до 50-55 градусов.

(Class-A)

Предисловие

Версий усилителя довольно таки много, но я бы хотел описать конкретно вариант 2005 года с двухполярным питанием. Усилитель, собранный по этой схеме может развивать мощность до 20-25Вт. Напряжение питания от +-18 до +-28в, ток покоя 1.5-3.5А. КПД усилителя составляет в среднем 20%. Это значит, что, например, при выходной мощности 20Вт – кушать усилитель будет 100Вт.

Корпус

Усилители, работающие в классе «А» имеют достаточно большое тепловыделение. Фактически греется все, начиная от силового трансформатора в БП и заканчивая выходными транзисторами УНЧ. Это необходимо учитывать при проектировании корпуса усилителя. Прежде всего следует обеспечить хороший теплоотвод для выходных транзисторов. На каждый транзистор (для пассивного охлаждения) рекомендуется площадь около 1500 кв.см. Для активного охлаждения требования можно немного снизить. Температура внутри корпуса также будет повышаться, поэтому следует организовать хорошую вентиляцию воздуха в корпусе.

Читайте также:  Тепловой расчет стены калькулятор

Вот основная часть моего корпуса: днище и задняя стенка выполнены в виде загнутого листа стали, толщиной около 1мм.

Вот более позднее фото, корпус окрашен, практически всё «железо» на местах, днище усилено DIN-рейкой:

Радиаторы крепятся к корпусу винтами, в днище, рядом с радиаторами насверлено несколько отверстий в ряд (на этих фотках не видно), для проникновения холодного воздуха в корпус. А благодаря перфорированной верхней крышке теплый воздух свободно выходит из корпуса.

Радиаторы площадью примерно 2500см 2 достались мне с какого-то преобразователя 12В-100В.

Лицевой панелью и одновременно передней стенкой служит оргстекло, окрашенное с обратной стороны.

На задней стенке размещены входные и выходные разьёмы, выход на активный саб и сетевой разьём

Питание

К блокам питания усилителей в классе «А» предъявляются несколько

отличные от усилителей в классе АВ требования. Прежде всего следует учитывать тот факт, что блок питания будет постоянно находиться под нагрузкой. Это влечет за собой повышенный нагрев трансформатора, и необходимость использования радиаторов на выпрямительных диодах. Достал я где-то на радиорынке вот такой трансформатор без вторичных обмоток, с габаритной мощностью около 300Вт.

Намотал 4 вторички проводом 0,6мм, сложенным втрое и одну слаботочную обмотку для мелкой электроники, после чего трансформатор искупался в лаке и запёкся в печи. Расчётный номинальный ток получившейся обмотки = 2,6А, что более, чем вдвое превышает потребляемый усилителем ток покоя в 1А. Благодаря такому запасу трансформатор не греется при длительной работе.

Каждый канал УНЧ питается от отдельных обмоток трансформатора.

Вот трансформатор с обмотками для одного канала:

Остальная часть БП находится собственно на одной плате с УНЧ.

В качестве выпрямителя был применен диодный мост BR1010 на ток 10А, но при длительной работе под нагрузкой в 1А даже такой мост довольно прилично греется, поэтому я поставил на него половинку радиатора от северного моста материнки.

Также на этой плате находятся электролиты и мощные резисторы, которые вместе образуют CRC фильтр (6800мкФ + 0,33R + 6800мкФ), который подавляет пульсации напряжения. Питание на усилитель подаётся через 3А предохранители.

В первичной цепи трансформатора используется схема «мягкого пуска» («Soft-Start») для ограничения зарядного тока конденсаторов в БП, через несколько секунд срабатывает реле и своими контактами шунтирует мощный резистор.

Схема «мягкого пуска»:

Усилитель

После долгих издевательств с проводами в корпусе, было решено сделать несколько устройств на одной плате, чтобы избавиться от проводов при монтаже. Печатная плата крепится параллельно радиатору, и содержит собственно УНЧ, защиту АС и блок питания. Вот электрическая схема собственно УНЧ + немножко БП:

А вот фото получившейся конструкции:

Правильно собранный усилитель работает сразу, нужно лишь выставить ток покоя и уровень постоянки на выходе усилителя. Более подробно эти операции расписаны в FAQ (ссылка ниже).

Транзисторы BD139 и BD140 следует установить на небольшие радиаторы, при малом токе покоя эти транзисторы практически не греются. У меня каждый транзистор прикручен к алюминиевой пластинке 25х30мм.

Выходные транзисторы 2SC5200 впаяны с обратной стороны платы и прикручены к радиатору винтами М3, естественно всё промазано термопастой и проложена слюдяная прокладка между транзисторами и радиатором.

Защита АС

Это устройство защищает акустику при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения любой полярности при пробое любого из вых. транзисторов., а также устраняет щелчки при включении, подключая акустику через несколько секунд после включения усилителя. Питается защита от того же источника, что и усилитель, поэтому при отключении питания, реле защиты отключается практически сразу, всё благодаря тому, что усилитель в классе «А» всегда потребляет большой ток, поэтому при выключении конденсаторы быстро разряжаются, чего нельзя сказать об усилителях в классе «АВ». Вот схема защиты АС, если вдруг кому интересно:

Из дополнительных опций в усилителе имеется:
– Регулятор громкости на микросхеме МАХ5440 с энкодером,
– Цифровая индикация температуры радиаторов,
– Световая сигнализация перегрева радиаторов свыше заданного уровня.

Регулятор громкости на микросхеме МАХ5440 с энкодером

Со временем в обычных потенциометрах изнашивается токопроводящий слой, из-за чего, при регулировании громкости возникают посторонние звуки, скрипы, щелчки и т.д., поэтому я решил избавиться от обычного потенциометра и собрать цифровой. Наткнулся на статейку у Радиокотов про эту МАХ5440, почитал, и решил остановиться на ней, т.к. знаний в программировании МК не имею, а эта микруха уже прошита, только схему собирай и готово. Но цена за такое удовольствие нехилая, я отдал 300 СВОИХ рублей. -) Вот схема:

Цифровая индикация температуры радиаторов

Поскольку усилитель в классе «А» имеет дурную привычку греться, причём всегда, то неплохо было бы знать температуру радиаторов, и чтобы не проверять на ощупь, я решил собрать вот такую схемку, на знакомой многим микросхеме ICL7107 (КР572ПВ2А).

Ну и от нефиг делать собрал ещё аварийную индикацию перегрева на двух ОУ:

У меня индикация чисто световая, но при желании можно вместо светодиода прикрутить например реле, симистор, или ещё что-нибудь управляющее, например отключением питания усилителя, или отключением акустики, что в моём случае бесполезно, т.к. для этого усилителя отключение нагрузки не значит ничего, УНЧ продолжит греться дальше, а вот для усилителей любого другого класса – пожалуйста.

Вся необходимая документация для сборки усилителя имеется в прикрепленном архиве.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector