Создание усилителя звука является популярным выбором, когда речь идет о практической части курсов электроники. Мы поможем ответить на вопрос в классе: «А это работает?».
Лучшей частью построения усилителя станет этап, когда вы и ваши коллеги действительно услышите, как в результате проделанной работы звучит ваша любимая мелодия.
Однако усилители, которые выдают более нескольких Ватт мощности, могут иметь сложную конструкцию и относительную дороговизну. Тут на помощь приходит усилитель студента. Он имеет простую печатную плату и конструкцию, не требует высокой точности номиналов компонентов, и даже включает защиту от перегрева и короткого замыкания.
Среди существующих усилителей мощности данный экземпляр не будет являться лучшим, но найти более простую схему будет непросто.
В основе схемы лежит одна интегральная схема LM1875T, являющаяся усилителем мощности 20Вт от фирмы National Semiconductor. Она выполнена в корпусе TO-220 и в сочетании с элементами обвязки, также подходящим источником питания способна отдавать более 20Вт мощности (RMS) на громкоговоритель сопротивлением 4 или 8 Ом.
Более того, для такой простой схемы очень впечатляет спецификация на нее. Соотношение сигнал-шум составляет 105дБ и коэффициент нелинейных искажений 0,04% для частоты 1кГц при мощности 20Вт. Поэтому вполне можно взять схему за основу стерео усилителя Hi-Fi. Частотная характеристика располагается на отрезке от 14Гц до 100кГц при мощности 1Вт.
В LM1875 предусмотрен внутренний предел тока равный 4A, предотвращающий выход из строя при случайном замыкании выхода на землю. Он также включает в себя защиту «безопасной рабочей зоны» (SOA), которая динамически уменьшает ограничение тока в соответствии с наличием напряжения на выходе.
Из-за большого количества тепла, рассеиваемого малым корпусом LM1875, включена защита от перегрева. Она эффективно отключает устройство при нагреве чипа примерно до 1700C.
Описание схемы
Принципиальная схема включает в себя сам усилитель LM1875 и некоторые элементы обвязки.
Коэффициент усиления устанавливается равным 23 с помощью резисторов сопротивлением 22кОм и 1кОм на инвертирующем входе (вывод 2).
Его можно рассчитать, следуя стандартным правилам обратной связи не инвертирующего усилителя (коэффициент усиления = 22k/1k +1 = 23).
Конденсатор 22мкФ, последовательно с резистором 1кОм, устанавливает нижний порог частотной характеристики усилителя, на который также влияет фильтр высоких частот, состоящий из конденсатора 2,2мкФ и резистора 22кОм.
В результате наблюдается значительный спад частотной характеристики ниже 10Гц.
Резистор 1кОм и конденсатор 330пФ образуют низкочастотный фильтр, препятствующий прохождению на вход усилителя высокочастотных возбуждений, образующихся на входных проводах.
В описанных выше фильтрах используются неполярные электролитические конденсаторы (NP).
Можно заметить, что входная цепь подключена к общему проводу (Gnd) не напрямую, а через резистор 10Ом. Такой способ подключения общего провода при использовании стерео варианта уменьшает влияние токов, протекающих в земляных проводах одного канала, на токи другого канала. То есть разделяет сигнальные земли каналов. При использовании усилителя в моно режиме резистор 10Ом можно не устанавливать (установить перемычку).
На выходе усилителя установлена цепь Цобеля, включающая резистор 1Ом и конденсатор 220нФ. Данная цепь устраняет воздействие катушки индуктивности акустической системы на звуковой тракт усилителя, а также высокочастотные колебания, улавливаемые проводами от выхода до акустики.
Конструкция усилителя
Конструкция довольно проста и выполнена на одной небольшой печатной плате. Компоновка элементов представлена на эскизе ниже.
Рекомендуется сначала установить резисторы, а затем уже емкости. При необходимости можно использовать мультиметр для измерения сопротивления элементов. Следует отметить, что два электролита на 220мкФ имеют полярность, поэтому при их монтаже необходимо устанавливать в соответствии с эскизом по компоновке.
Затем нужно установить держатели предохранителей и клеммные колодки. Микросхема LM1875 устанавливается в самую последнюю очередь. Вставив ее выводы в монтажные отверстия, отрегулируйте высоту выводов, ориентируясь на крепежное отверстие в радиаторе, только после этого производите пайку одного-двух выводов (остальные после крепления теплоотвода).
Установка теплоотвода
Разместив плату и теплоотвод на ровной поверхности, отцентрируйте отверстие в микросхеме LM1875 таким образом, чтобы оно было между ребер радиатора.
Обведите отверстие карандашом и нанесите насечку керном. После чего, просверлите отверстие тонким сверлом (1-1.6мм), а затем произведите окончательную сверловку сверлом 3мм. Возьмите сверло большего диаметра (6-8мм) и, вращая его рукой, снимите небольшую фаску.
Теперь LM1875 можно прикрепить болтом к радиатору, используя комплект изоляционных прокладок и втулок для корпуса TO-220. Не забудьте нанести тонкий слой теплопроводящей пасты на все соприкасающиеся поверхности. При затягивании болта необходимо исключить перекос микросхемы и деформации ее выводов. После крепления радиатора нужно закончить пайку выводов LM1875.
Кроме того, при сборке рекомендуется нагревать центральные выводы микросхемы, чтобы снять излишнее напряжение, образующееся при затягивании винта.
В окончании данной операции следует взять мультиметр и убедится, что сопротивление между фланцем LM1875 и теплоотводом бесконечное, то есть контакт отсутствует.
Источник питания
В схеме блока питания используется трансформатор мощностью 80Вт с двумя вторичными обмотками по 18В, или с одной вторичной обмоткой на 36В, которая имеет средний вывод. Выпрямитель организован диодами D1-D4. После выпрямителя установлены две емкости 4700мкФ 35В, сглаживающие пульсации. Выходное напряжение холостого хода должно составлять ±25В. Блок питания с вышеописанными параметрами подходит для применения в составе одного или двух каналов LM1875.
При проектировании собственного источника питания необходимо учесть, что напряжение питания LM1875 не должно превышать ±30В. Можно понизить напряжение менее ±25В, но тогда выходная мощность усилителя будет ниже. Дополнительные сведения см. в техническом описании LM1875.
На схеме также изображена цепь источника питания предварительного усилителя ± 15В на основе двух стабилитронов ZD1-ZD2. Этот источник питания является необязательным и может быть исключен, если предварительный усилитель отсутствует.
Сборка источника питания
Ниже представлен эскиз компоновки блока питания. Следует отметить, что конденсаторы 4700мкФ имеют номинальное напряжение 35В, занижать которое не рекомендуется, но можно применить электролиты большим напряжением.
Прежде всего, установите диоды D1-D4, расположив катоды согласно эскизу компоновки блока питания (катоды изображены белой полосой). После чего, устанавливаются клеммы, и вслед за ними выполните монтаж электролитических конденсаторов, строго соблюдая полярность согласно эскиза.
Элементы, выделенные на эскизе пунктирной линией можно не устанавливать, если напряжение ±15В для предварительного усилителя не требуется.
Провода
Для всех соединений блока питания и акустической системы используйте многожильные провода, рассчитанные на ток 7.5 Ампер. Провода питания необходимо скрутить между собой, чтобы уменьшить наводки излучаемые ими.
На входе блока питания (230В переменного тока) используйте только сетевой кабель с качественной изоляцией. Также необходимо изолировать все открытые участки с высоким напряжением (контакты, тумблеры, разъёмы). В качестве изоляции удобно использовать термоусадочную трубку. Все эти мероприятия нацелены на безопасность при эксплуатации, настройке и ремонте нашего Студенческого Усилителя.
Заземление сети должно быть подключено к металлическому шасси в одной точке следующим способом.
В эту точку необходимо прикрутить все провода заземления (общий провод блока питания, заземление радиатора и т.д.). Это необходимо для исключения образования земляных петель (контуров).
Тестирование
Перед подачей питания еще раз осмотрите печатные платы и убедитесь в правильности установки всех компонентов усилителя, и соединительных проводов. После чего, установите предохранители и подключите выводы источника питания, строго соблюдая полярность! На данном этапе акустическая система и входные провода должны быть отключены.
Сначала проверьте напряжения питающих шин, они должны находиться в пределах 10% от номинального значения. Наконец, проверьте напряжение постоянного тока на разъемах подключения акустики. Оно должна быть не более ± 50 мВ.
Если все хорошо, то можно подключить акустику, а после подать звуковой сигнал на вход для окончательного тестирования.
Перевод статьи журнала Everyday Practical Electronics, April 2007.