Усилители звука для колонок: разновидности и критерии выбора

От редакции

Предлагаемая вашему вниманию статья, на наш взгляд, полезна тем, что в ней затрагиваются фундаментальные, можно сказать — извечные, вопросы High Fidelity. Автор, хорошо понимающий суть проблемы, не понаслышке знаком с тяготами, которые преследуют неподготовленных к самостоятельному выбору покупателей. Для начинающих аудиолюбителей материал ценен тем, что авторский опыт изложен в виде краткого перечня практических советов: «не так страшен черт, как его малюют»…

Форумы профильных порталов интернета заполнены вопросами: как усилитель Х работает с акустикой Y? Ответы либо отражают специфические вкусы владельца конкретной системы, либо порождают сонм встречных вопросов. Кроме того, словесное описание характера звучания редко содержит достаточное количество сведений, необходимых для индивидуального выбора аудиотехники. С чего начать несчастному неофиту, удрученному обилием самой разной по классу и цене аппаратуры? С приобретения акустики (опытные мужи советуют на ней не экономить)? Или — с усилителя? Какой из возможных вариантов поведения выбрать? Возьмем на себя смелость дать потенциальному покупателю достаточно простые рекомендации, которые родились из опыта, благоприобретенного автором на практике…

Стерео усилитель звука своими руками

И так, чтобы сделать усилитель звука достаточно понимать следующее. Любой УМЗЧ имеет как минимум один вход, один выход и два вывода для подключения питания.

Поскольку мы будем собирать стерео усилитель звука на микросхеме TEA2025B, то будет использоваться два входа. Каждый вход на отдельный канал. А соответственно будут использоваться два выхода для подключения двух динамиков: левого и правого.

Теперь мы можем сделать следующий вывод. Любая микросхема стерео усилителя звука должна иметь минимум шесть выводов. Два входа, два выхода, два питания. Как правило, микросхемы подобного типа имеют больше выводов. К ним подпаиваются дополнительные элементы: конденсаторы, резисторы, которые в народе называют “обвязкой” или “рассыпухой”.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса,  можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо “сенсоры” для восприятия информации извне, некий “вход”, а также некий “выход” для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала – значит кошка. Если побежал – значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Усилитель звука на TEA2025B

TEA2025B питается в широком диапазоне однополярного напряжения: 3…15 В. Выходная мощность в режиме стерео 2 по 2,3 Вт. Нагрузкой являются два динамика, сопротивлением звуковой катушки 4 Ом. Также на микросхему можно подавать и моно сигнал. Тогда нагрузкой будет служить один динамик.

Важно!!! Приучите себя проверять схемы, найденные в интернете, с типовыми схемами включения, приведенными в даташите соответствующей микросхемы. Очень часто встречают ошибки

Поэтому не лишним будет заглянуть в первоисточник. Поскольку производители микросхем в технической документации ошибок не допускают, в отличие от сайтов радиолюбителей.

Мы будем делать стерео усилитель.

Прежде всего, для подключения к выходу звуковой карты компьютера или смартфона или просто к аудиовыходу другого устройства, например приемника или тюнера, нам понадобится аудио штекер.

Аудио штекеры бывают для моно сигнала (однопиновый), стереосигнала (2-х пиновый), стерео с микрофоном (4-х пиновый). В нашем случае необходимо использовать аудио штекер 2-х пиновый и без микрофона.

Один пин – это левый канал. Второй пин – правый канал. Третий контакт – это общий провод для двух каналов.

Во избежание ошибки, место пайки проводов проще всего прозвонить с соответствующими пинами.

И так, штекер готов, но пока что мы его никуда не припаиваем.

Также нам понадобятся два самых простых, но одинаковых по характеристикам динамика. Вполне подойдут динамики, мощность по 3 Вт, сопротивлением звуковой катушки 4 Ом.

Обратите внимание, динамики также имеют полярность, которая обозначает начало и конец звуковой катушки. В дальнейшем нам ее также необходимо придерживаться

Я буду применять блок питания с регулировкой выходного напряжения, который я показывал, как сделать в своем курсе для начинающих электронщиков.

Выбрать на слух

В результате предыдущих манипуляций список скорее всего сократится до 3–5 моделей, которые можно начинать прослушивать. Вооружитесь CD или DVD с хорошо известными вам музыкальными произведениями, записанными с высоким качеством, а также захватите с собой тестовый компакт-диск с записью скользящего по всему частотному диапазону тону и с синусоидальным сигналом 315 Гц (уровень 0 дБ). Посетите большой салон по продаже аудиотехники, в котором представлены, по крайней мере, две облюбованные модели колонок. Заметим, что, как правило, в Hi-Fi-салонах для демонстрации используются высококлассные усилители. Далее самое сложное: попросите подключить к левому каналу усилителя одну АС первой модели, а к правому каналу — одну АС второй претендентки. В ответ на возмущенные заявления продавца, что так не делается, примите многозначительный вид искушенного специалиста (должно сработать). Как только колонки заиграют, вы немедленно услышите разницу в звучании

Обратите внимание на тональный баланс (тепло/холодно), после чего сможете смело ставить галочку в своем списке. Не забудьте при необходимости выровнять громкость звучания с помощью регулятора баланса (колонки разных моделей могут иметь отличия в чувствительности) и попросите снять защитные грили с лицевых панелей

Если повезло, и в салоне есть еще варианты акустики из вашего списка, попросите заменить не приглянувшуюся по звучанию колонку на новую. Таким же способом подключая две разные колонки одновременно к левому и правому выходам усилителя, можно сравнить АС центрального канала, тыловые громкоговорители. Заметим, что предложенный метод на самом деле весьма далек от совершенства. Речь идет всего лишь о достаточно быстром выборе «вкусного» звука, звука, который должен понравиться по наиболее явным тональным признакам (как цвет крема, который украшает торт). Разумеется, более глубокая оценка таких тонких вещей, как динамические возможности системы, способность колонок воспроизводить пространственные нюансы в звуковой картине, рисовать сцену по глубине и ширине панорамы, конечно же, предполагает классическое прослушивание стереопары.
   Что делать, если на слух сразу не удалось определить свои предпочтения (например, тональный баланс, уровень нелинейных искажений и чувствительность разных АС оказались очень близки)? Поставьте тестовый CD с синусоидальным тоном 315 Гц (уровень 0 дБ) в проигрыватель, выведите регулятор громкости на минимум

Последнее указание особенно важно: если вы испортите акустику слишком мощным сигналом, это вряд ли понравится администрации салона

Отключите один из каналов усилителя, а затем плавно и осторожно добавляйте громкость, прослушивая характер довольно неприятного гудящего звука. В какой-то момент звук станет искаженным, как бы жужжащим

Запишите или запомните соответствующее показание индикатора уровня на усилителе. Убавьте громкость, а затем проделайте тот же трюк с другой АС. Если чувствительности обеих претенденток близки, то колонка с наибольшим показателем имеет больше шансов быть избранной, поскольку она при более высокой громкости дает звук без искажений. Контрольное прослушивание неплохо дополнить пробежкой «свип-тоном» по всему частотному диапазону. Здесь не надо мучить колонку высокой громкостью: даже тихого звука достаточно, чтобы оценить, нет ли посторонних призвуков, резонансных всплесков или негармонических проявлений типа дребезга элементов конструкции (пластиковые накладки, грили, платы кроссоверов и т.п.). Подчеркнем еще раз, что столь необычный способ сравнения нельзя признать корректным на все 100%, однако в его эффективности может убедиться каждый

В какой-то момент звук станет искаженным, как бы жужжащим. Запишите или запомните соответствующее показание индикатора уровня на усилителе. Убавьте громкость, а затем проделайте тот же трюк с другой АС. Если чувствительности обеих претенденток близки, то колонка с наибольшим показателем имеет больше шансов быть избранной, поскольку она при более высокой громкости дает звук без искажений. Контрольное прослушивание неплохо дополнить пробежкой «свип-тоном» по всему частотному диапазону. Здесь не надо мучить колонку высокой громкостью: даже тихого звука достаточно, чтобы оценить, нет ли посторонних призвуков, резонансных всплесков или негармонических проявлений типа дребезга элементов конструкции (пластиковые накладки, грили, платы кроссоверов и т.п.). Подчеркнем еще раз, что столь необычный способ сравнения нельзя признать корректным на все 100%, однако в его эффективности может убедиться каждый.

Усилитель класса А

Усилители класса А являются наиболее распространенным типом усилителей класса в основном благодаря их простой конструкции. Класс A буквально означает «лучший класс» усилителя, в основном из-за их низких уровней искажения сигнала и, вероятно, является лучшим звучанием из всех классов усилителей, упомянутых здесь. Усилитель класса А имеет самую высокую линейность по сравнению с другими классами усилителей и, как таковой, работает в линейной части кривой характеристик.

Обычно усилители класса A используют один и тот же транзистор (биполярный, полевой транзистор, IGBT и т.д.), подключенный в общей конфигурации эмиттера для обеих половин сигнала, причем транзистор всегда проходит через него, даже если у него нет базового сигнала. Это означает, что выходной каскад, будь то биполярное устройство, устройство MOSFET или IGBT, никогда не приводится полностью в свои области отсечки или насыщения, а вместо этого имеет базовую точку смещения Q в середине линии нагрузки. Тогда транзистор никогда не выключается, что является одним из его основных недостатков.

Для достижения высокой линейности и усиления выходного каскада усилителя класса A постоянно смещен в положение «ВКЛ» (проводящий). Затем для того, чтобы усилитель был классифицирован как «класс A», нулевой ток холостого хода на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки (обычно громкоговоритель), необходимый для получения наибольшего выходного сигнала.

Поскольку усилитель класса А работает в линейной части своих характеристических кривых, одно выходное устройство проходит через полные 360 градусов выходного сигнала. Тогда усилитель класса А эквивалентен источнику тока.

Поскольку усилитель класса A работает в линейной области, напряжение смещения постоянного тока (или затвора) базы транзисторов должно быть выбрано правильно, чтобы обеспечить правильную работу и низкий уровень искажений. Однако, поскольку выходное устройство постоянно включено, оно постоянно проводит ток, который представляет собой постоянную потерю мощности в усилителе.

Из-за этой постоянной потери мощности усилители класса A создают огромное количество тепла, добавляя к их очень низкому КПД около 30%, что делает их непрактичными для мощных усилителей. Кроме того, из-за высокого тока холостого хода усилителя, источник питания должен иметь соответствующие размеры и быть хорошо отфильтрованными, чтобы избежать любого гула и шума усилителя. Поэтому из-за низкой эффективности и проблем перегрева усилителей класса A были разработаны более эффективные классы усилителей.

Входное сопротивление

В блочной схеме вход блока располагается слева, выход — справа.

Рис. 3 — Входы и выходы в блочной схеме

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U_вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение (или не появится, если блок является конечным).

Рис. 4 — Входное и выходное напряжения

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U_вх), следовательно, у нас этот блок будет потреблять какую-то силу тока

Рис. 5 — Сила тока на входе

От чего зависит ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи:

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от… СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

Рис. 6 — Входное сопротивление

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет. Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока.

Измерение входного сопротивления

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1. Замерить напряжение , подаваемое на блок.
2. Замерить силу тока , которую потребляет блок.
3. По закону Ома найти входное сопротивление .

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Рис. 7 — Измерение входного сопротивления

Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе обозначим, как

Из всего этого получаем…

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R_вх=1 МОм, а резистор взяли  R = 1 КОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 В. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

Рис. 8 — Делитель напряжения

Рассчитываем силу тока в цепи в амперах:

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в вольтах будет:

Грубо говоря 0,01 В. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 В, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. По схеме все это будет выглядеть вот так:

Рис. 9 —

А на деле вот так:

Рис. 10 —

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Получаем:

Колонки для компьютера своими руками

Для того, чтобы собрать акустическую систему для ПК понадобится:

• Динамик 3Вт (от 2 шт.).
• Разъём mini-Jack 3,5мм (он стандартный для подключения колонок или наушников и весьма распространён).
• Аудиоусилитель. Рекомендуется использовать цифровой РАМ 8403.

• Тумблер для питания системы.
• Соединительные провода.
• USB провод для питания.
• Трубки термоусадочные для изоляции.
• USB штекер.
• Материал для сборки корпуса (фанера, клей, саморезы и т. д.).

Также понадобятся инструменты:

1. Паяльник.
2. Клей (для склейки проводов).
3. Нож (для чистки проводов).
4. Лобзик (для работы с корпусом).
5. Дрель (для работы с корпусом).
6. Инструменты для измерения и разметки (карандаш, линейка, циркуль и т. д.).
7. Кусачки (для проводов).
8. Наждачная бумага (для обработки корпуса).

Делаем «булку»

Для того, чтобы обеспечить наиболее качественный звук необходимо сделать просторный и закрытый корпус, чтобы в нем циркулировал воздух. Это сделает звучание глубже и насыщеннее.

Изготавливаем корпус

Для корпуса пойдёт ДСП, ДВП или фанера. Также можно использовать текстолит или OSB. Не стоит выбирать слишком толстые пластины, так как это сделает конструкцию слишком тяжёлой.

Для того, чтобы динамики подошли по размеру, нужно правильно замерить диаметр и окружность, а затем вырезать отверстия на передней панели.

На задней панели следует врезать места для проведения кабеля питания, кабеля подключения и отдельный разъём для тумблера включения питания.

Позаботимся о хорошем БП

Существует несколько основных вариантов создания блока питания в схеме. Если усилитель представляет собой комплексное устройство с АЦП и переходником (как, например, РАМ 8403), то его можно питать от простого USB. Это облегчает взаимодействие и работу с ПК. В случае есть блок питания отдельный, то следует внимательно озаботиться выбором комплектующих, согласно потреблению и выходной мощности.

Усилитель и блок питания

Для сборки домашней акустической системы служит соединение громкоговорителей (динамиков) с усилителем и разъёмом. Штекер mini — Jack имеет три канала (левый, правый и общий). Они разделены чёрными полосами на самом разъёме и располагаются зеркально от середины.

На самой плате располагаются разъёмы для провода(L-Левый G-Центральный R-Правый). Соблюдая порядок, следует соединить проводами разъём mini – Jack с платой усилителя.

Затем соблюдая полярность, к усилителю следует подключить динамики. Места для динамиков на устройстве обозначаются как Rout и Lout.

Питание данного устройства будет осуществляться через USB, так как для усилителя достаточно 5 вольт. При припаивании кабеля питания, также следует помнить про полярность

Также важно не забыть вывести через один из проводов тумблер от питания колонки, иначе устройство будет питаться при каждом подключении через USB

После того как все детали собраны, следует воспользоваться термоусадкой в местах сгибов, а именно на mini Jack, тумблере питания и проводах, которые подключаются к динамикам.

Основные колонки

После того как основное устройство собрано его следует поместить в корпус собранный ранее

Собирать колонки следует осторожно, так как есть риск повредить провода или разъём

Иногда, для улучшения качества звука, переднюю панель (куда выходят динамики) обтягивают тканью.

Другие распространенные классы усилителей

• Усилитель класса D — это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности, так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.
• Усилитель класса F повышают как эффективность, так и выходную мощность благодаря использованию гармонических резонаторов в выходной сети для преобразования формы выходного сигнала в прямоугольную волну. Усилители класса F способны обеспечить высокую эффективность более 90%, если используется бесконечная гармоническая настройка.
• Усилитель класса G предлагает усовершенствования конструкции усилителя базового класса AB. Класс G использует несколько шин питания различных напряжений и автоматически переключается между этими линиями питания при изменении входного сигнала. Такое постоянное переключение снижает среднее энергопотребление и, следовательно, потери мощности, вызванные потерей тепла.
• Усилитель класса I имеет два набора дополнительных выходных переключающих устройств, расположенных в параллельной двухтактной конфигурации, причем оба набора переключающих устройств дискретизируют один и тот же входной сигнал. Одно устройство переключает положительную половину сигнала, а другое переключает отрицательную половину, как усилитель класса B. При отсутствии входного сигнала или когда сигнал достигает точки пересечения нуля, переключающие устройства включаются и выключаются одновременно с рабочим циклом ШИМ 50%, что отменяет любые высокочастотные сигналы. Для получения положительной половины выходного сигнала выходной сигнал положительного переключающего устройства увеличивается в рабочем цикле, тогда как отрицательное переключающее устройство уменьшается на то же самое, и наоборот. Считается, что два токовых сигнала переключения чередуются на выходе, давая усилителю класса I имя: «чередующийся ШИМ-усилитель», работающий на частотах переключения более 250 кГц.
• Усилитель класса S — это усилитель нелинейного режима переключения, аналогичный по своему действию усилителю класса D. Усилитель класса S преобразует аналоговые входные сигналы в цифровые прямоугольные импульсы с помощью дельта-сигма-модулятора и усиливает их, чтобы увеличить выходную мощность, прежде чем окончательно демодулировать с помощью полосового фильтра. Поскольку цифровой сигнал этого переключающего усилителя всегда либо полностью включен, либо выключен (теоретически нулевое рассеивание мощности), возможны коэффициенты полезного действия, достигающие 100%.
• Усилитель класса T — это еще один тип цифрового усилителя с коммутацией. Усилители класса T в наши дни становятся все более популярными в качестве конструкции усилителя звука из-за наличия микросхем цифровой обработки сигналов (DSP) и многоканальных усилителей объемного звука, поскольку он преобразует аналоговые сигналы в сигналы с цифровой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для усиление, увеличивающее эффективность усилителей. Конструкции усилителей класса T сочетают в себе уровни сигнала с низким уровнем искажений усилителя класса AB и коэффициент полезного действия усилителя класса D.

Мы видели здесь ряд классификаций усилителей, начиная от линейных усилителей мощности до нелинейных переключающих усилителей, и видели, как класс усилителей отличается вдоль линии нагрузки усилителей.

Модули самодельного аудиокомплекса

Усилитель имеет:

• четыре аналоговых линейных входа;
• один корректирующий вход для проигрывателя;
• выход на АС;
• выход на наушники;
• выход дистанционного управления (RC5);
• управление звуком и баланс отключаемые функцией Direct;
• регулятор громкости с мотором;
• индикатор активного входа и прикрепленных функций;
• четыре гнезда, в том числе одно с клеммами питания.

Селектор входа сделан на небольших реле, это простое и эффективное решение, обеспечивающее минимальные искажения сигналов. На той же самой плате установлен фоно-корректор предусилитель с пассивной коррекцией, реализованный на операционных усилителях; блок питания предварительного усилителя со стабилизаторами LM317 и LM337.

Модуль регулировки громкости, помимо базового элемента, который представляет собой потенциометр с двигателем, также содержит систему управления двигателем потенциометра; звуковой буфер, реализованный на полевых транзисторах, система Contour, активируемая реле, а также другие электромагнитные реле, которые отключают управление тембром и балансом (функция Direct).

Схема регулятора тембров была взята из решений Marantz. Это активная коррекция, сделанная на операционных усилителях. Кроме того, этот модуль был дополнен контроллером баланса громкости.

Усилители мощности выполнены в виде отдельных блоков для отдельных каналов. Их схема была основана на проверенном годами проекте. Платы УМЗЧ были оснащены выпрямителями и фильтрующими конденсаторами. В усилителях мощности решено было отказаться от токовых систем защиты. На отдельной плате рядом с разъемами динамиков есть предохранители, которые и защищают динамики от чрезмерного тока.

Усилитель оснащен дополнительным УНЧ для наушников, независимым от главного усилителя мощности. При прослушивании через наушники клеммы питания УМЗЧ отключаются. Применяемый усилитель для наушников целиком выполнен на дискретных элементах.

Усилитель управляется микроконтроллером из семейства AVR — AtMega8515. Он отвечает за управление устройством и сигнализацию рабочего состояния. Он также используется для управления другими компонентами устройства через разъем управления на задней панели.

Усилитель оснащен функцией Sleep, и после завершения обратного отсчета он отправляет сигнал выключения на подключенные устройства. Всё может управляться с помощью локальной клавиатуры или удаленно, используя соответствующие команды пульта дистанционного управления, работающие кодом RC5.

Три трансформатора используются для питания всего домашнего усилителя. Два по 120 ВА обеспечивают питание усилителей мощности, они переключаются в релейный режим, который также активирует специальный разъем питания на задней панели усилителя. Реле отключается в режиме ожидания, но включается в активном режиме, хотя оно отключается при прослушивании через наушники.

Маленький трансформатор 15 ВА подает питание на систему управления усилителем, и во время активной работы активирует реле, через которое контакты напряжения подаются на блок питания, питающий весь предварительный усилитель, а также усилитель наушников.