Пролог
Нередко, во время первого испытания самодельного УНЧ, выясняется, что он фонит (усиливает сигнал помехи частотой 50 или 100 Герц) или воспроизводит ещё какие-нибудь лишние звуки. Особенно хорошо различимы все эти артефакты в отсутствие полезного сигнала на входе.
Причиной возникновения помех может быть, либо возбуждение УНЧ на ультразвуковых частотах, либо проникновение пульсаций напряжения питания в полезный сигнал, либо наводки, вызванные внешними электромагнитными полями.
Возбуждение усилителя обычно возникает из-за нарушения работы Отрицательной Обратной Связи (ООС) по постоянному току, например потери емкости фильтра ООС, или неверного расчёта цепей коррекции частотной характеристики УНЧ. Возбуждение легко идентифицировать по току потребления УНЧ и искажению полезного сигнала. В большинстве случаев, сорвать возбуждение УНЧ можно без каких-либо существенных переделок конструкции.
А вот устранить разного рода помехи, связанные с питанием или внешними наводками, и проникающие в усилительный тракт из-за конструктивных недоработок бывает намного сложнее.
Поэтому желательно ещё во время проектирования усилителя знать о возможных «хомутах» и методах их устранения.
Вот живой пример просчёта, допущенного при проектировании УНЧ.
Давайте рассмотрим основные причины, вызывающие фон и другие помехи в акустической системе и попробуем в них разобраться с помощью упрощённых эквивалентных схем.
Будем считать условное обозначение поз.1 соединением с общей шиной или, проще говоря, с проводом к которому подключается общий провод питания и общий провод полезного сигнала УНЧ. В большинстве усилителей низкой частоты эти два проводника соединены гальванически.
Условным изображением поз. 2 обозначим точку соединения элементов экранирования между собой или корпусом УНЧ, если он металлический.
Я внес в схему некоторые изменения
Вместо лампы 6Н9С я сначала самонадеянно попробовал применить 6Н2П (ЕВ). В результате получил… «мертвый» звук. Не то! Совсем не то. А отверстия-то под панельки просверлены, и шасси уже установлено. Что делать? Начал искать замену этой лампе. Оказалось, что лампа ECC85 (по отзывам коллег на форумах) «очень даже». Приобрел пару. Изменил номиналы резисторов «обвязки». В анодах 36 кОм (2Вт), катодные резисторы – 180 Ом, смещение при этом около 1,5 В. Сразу скажу, что звуку это очень пошло на пользу!
Как правильно развести земли входного сигнала и питания?
Ещё на стадии проектирования УНЧ, следует проанализировать все цепи на предмет протекания токов разных источников через одни и те же провода, экраны или дорожки печатной платы. Удобнее всего сделать это с помощью, так называемых эквивалентных схем. Не обязательно чертить эту схему, вполне достаточно держать её в голове во время проектирования.
Заменим общие проводники паразитными резисторами, а наводки, вызванные электромагнитными полями, конденсаторами.
На этой картинке Вы видите схему подключения двух независимых генераторов переменного тока к соответствующим нагрузкам. Эти две цепи имеют полную гальваническую развязку и проникновение сигнала одного генератора в нагрузку другого, возможно только посредством электромагнитных волн. Но, это вопрос экранирования и его мы рассмотрим в следующем параграфе.
На этой схеме показано подключение двух источников переменного тока к нагрузкам, с использованием общей шины. Необходимость в применении общей шины возникает из-за того, что входные цепи усилителей и цепи их питания связаны гальванически.
Кроме этого, общие шины могут использоваться для экономии провода или для упрощения разводки печатных плат. Хотя, в некоторых случаях, например, при проектировании печатных плат импульсных или ВЧ устройств, причины бывают и иные.
А вот это уже упрощённая эквивалентная схема, на которой видно, что при использовании общей шины, ток обоих генераторов течёт через паразитный резистор R3. И хотя сопротивление этого резистора ничтожно по сравнению с сопротивлением нагрузок генераторов, законы Кирхгофа продолжают действовать и здесь.
Давайте предположим, что работает только генератор G1 и генерирует некоторый ток в нагрузке R1. Этот ток, протекая по общей шине, имеющей некоторое, пусть даже незначительное сопротивление, которое мы условно обозначим R3, создаст падение напряжения на этой самой шине. Это напряжение приложится через внутреннее сопротивление генератора G2 к нагрузке R2 и через последнюю потечёт некоторый ток помехи. Таким образом, помеха от генератора G1 может попасть в нагрузку R2.
Чем это нам грозит?
Напряжение шумов на линейном входе усилителя может составлять доли микровольта, тогда как величина пульсаций в цепях нестабилизированного источника питания может достигать десятых долей вольта. Если при этом иметь виду, что входное сопротивление линейного входа УНЧ составляет десятки килоом, то становится понятно, как эти пульсации могут проникнуть во входные цепи усилителя, если общие шины разведены без оглядки на подобную эквивалентную схему.
Предположим, мы собираем усилитель сигнала по приведённой схеме.
Если мы подключим соединительные провода так, как показано на схеме выше, то получим вот такую картинку. Как видите, при таком подключении, на общей шине появился участок, через который будет течь не только ток входного сигнала, но и ток от источника питания.
Чтобы исправить это безобразие, перенесём точку соединения общих проводов блока питания и входного сигнала поз.1 как можно ближе к схеме усилителя, чтобы снизить влияние помехи. Конечно, этих же принципов придётся придерживаться и при проектировании печатной платы.
Примеры разводки земли Серебряный веер
Вот фотопримеры «серебряного веера»:
Рисунок 9
На данном рис.9 хорошо видны нанесенные лучи «серебряного веера», а так же видно, как хорошо разведена сама плата в смысле организации земли. Все дорожки широкие, много мест связки со второй стороной платы. Хоть и китайская магнитола, а плата великолепная. Питание микросхемы УНЧ (слева вверху) выполнены самыми мощными дорожками, которые мне встречались. Здесь не видны дополнительно поставленные емкости – они с другой стороны платы. Это один из крайне немногих примеров, когда «серебряный веер» не так уж и нужен.
И совсем другое дело следующая плата:
Рисунок 10
Здесь дорожки, питающие УНЧ невооруженным глазом сложно было разглядеть. Они такие узкие, что просто удивительно, как они не перегорали даже на средней мощности. Кстати слева внизу видны все-таки сгоревшие ранее дорожки. Разводка земли настолько хреновая, что даже нет места для толковой организации центра веера – нулевой точки. А, ведь, микросхема УНЧ совсем не слабая – TDA7560. И это чудо изобрела солидная западная — подразделение Филипс. Ужас! Здесь просто невозможно обойтись без «серебряного веера». Часть лучей невидна – она с другой стороны платы. На этой стороне уже некуда подпаиваться.
Вероятно, что толстый луч, посланный на выносной автоусилитель также поможет качеству автозвука, но сам не проверял.
Ниже фото доработки стационарного ресивера Грюндиг R1.
Рисунок 11
Это блок тюнера ресивера. Видны два отрицательных момента:
- Первый – нет прямой связи землей двух микросхем тюнера (по центру и выше). Земляной провод идет по периметру платы. Земля одной микросхемы в нижней точке, а второй в верхней точке периметра. Но: справа цифровая микросхема на этой земле, а слева антенный кабель. Поэтому на верхнюю микросхему придет очень «грязная» земля. Это прямиком отразится на звуке.
- Второй недостаток. Сама земля подводится к плате посредством крепления винтом к шасси. Но со временем контакт окисляется и контактирует с шасси через губку окислов. На этом фото хорошо видна эта губка (серая, пористая). Естественно, что это то же прямиком отразится на звуке в худшую сторону.
Рисунок 12
Здесь виден разъем на земляной точке УНЧ. Хорошо бы эту точку сделать нулевой и послать на землю аудио-микросхем тюнера, но эта точка идет на участок земли цифровой микросхемы тюнера. Аудио микросхемы тюнера берут землю с шасси. А шасси вообще непонятно откуда берет землю – обнаружить не смог. Как-то странно. Да и контакт какой-то слабенький, наверняка тоже окислившийся.
Рисунок 13
Рисунок 14 и15
Так выглядел ресивер до теперешней доработки (на тюнере видны проводки предыдущей доработки, но не по нашей теме – УКВ конвертер). В целом ресивер давал неплохой звук, поэтому основную плату не снимал и печатную разводку платы не корректировал. Только лишь применил элементы разводки «серебряным веером» где смог в этом состоянии. Центром веера взята точка соединения основных конденсаторов УНЧ. Эта и есть нулевая точка. Вот что получилось.
Рисунок 16
Видны лучи веера. Но еще один луч – на тюнер подпаян попозже. Луч слева послан на экранирующую обмотку трансформатора, а раньше она была просто на шасси. Далее луч на винт внешнего подключения «корпуса» (направо). Два луча на входные гнезда. И луч на цифровую микросхему тюнера (внизу). Благо, можно подпаяться к лепестку земли между конденсаторами без съема платы.
Так добавлен нулевой потенциал на все основные элементы тюнера. Т.е. полукруглый хвостик (провод) идет с нулевой точки основной платы и несет с нее чистый нулевой потенциал. Все соединения выполнены пайкой и обеспечивают невлияние никаких цепей друг на друга и четкую привязку именно к нулевому потенциалу. Можно было бы сделать два хвостика с некоторым разнесением влево и вправо по плате.
Рисунок 17
Ну и естественный вопрос. Как изменилось качество звука? К сожалению за чисто УНЧ сказать не могу. Особого изменения не заметил. Нужен источник звука исключительно высокого качества и такие же колонки. А этого у меня нет. Но! Очень сильно греет душу осознание того, что внутри усилителя все в порядке с землей – нет никаких гнилых соединений, неверной разводки. Можно четко соединять блоки нулевым проводом. Конечно лучей можно было бы и побольше сделать, но плату–то не снимал — иногда так приходится делать.
Рисунок 18
И конечно для оценки нужны искушенные уши. Еще лучше музыкальный слух. У меня с этим не слишком хорошо. Так что доработка любой аудиоаппаратуры сводится в основном к устранению явных ошибок и явных звуковых искажений, которых в любой аппаратуре можно найти множество. Ну а вести оценку как изменилась глубина сцены, играет гитара Блэкмора или Хендрикса – это уже к специалистам более высокого уровня.
Тюнер стал воспроизводить значительно чище, но он подвергнут и другим доработкам, описанным в статье «Доработка FM тюнеров» Волкова И. Стало слышно, что одна радиостанция во всем FM эфире передает звук, который явно ниже уровня колонок. Очень занятно. Остальные радиостанции передают звук несколько вверх. Ну, или просто на уровне колонок, где качество звука этой радиостанции пониже. В целом ресивер получился очень высокого качества для конкретно своего бюджета.
Важно отметить, что применение «серебряного веера» полностью исключает принцип разводки земли по методу «сильноточной», «слаботочной земли» с разделением этих земель. Это – взаимоисключающие методы. Здесь земля одна.
Естественно возникает вопрос – что делать, если земля имеющегося устройства разведена на сильноточную и слаботочную? Ответ прост – не смотреть особо как и что там разведено, а четко организовать новую нулевую точку и разводить лучи к основным точкам устройства, как указано выше. То есть надо просто «перебить» существующую разводку наложением новой разводки. Количество лучей – чем больше, тем лучше. Провод обязательно посеребренный. Старую землю не трогать.
А как быть, если земля идет через штепсельные разъемы, через винты, от корпуса и т.п.? — Да немедленно организовывать нулевую точку и разводить лучи именно пайкой. Что и как штатно разведено в устройстве – безразлично.
В любом случае, как бы ни была разведена земля в устройстве метод «серебряного веера» только улучшит звук – убедился неоднократно.
Когда же применение «серебряного веера» не оправдано и не нужно? Ответ прост: никогда. В моей практике этот метод никогда не приносил отрицательных результатов и никогда не приносил вреда звуку. Конечно, иногда, могут быть устройства, где разделены земли цифровых блоков, оптических, световых или еще каких-то блоков. Там четко надо выделить аудио часть и дорабатывать только ее.
Также попадались устройства с платой, где три слоя печатной разводки (двухслойная плата) – там качество звука очень высокое, даже не хочется что-то паять. Видимо земли там достаточно и нет смысла добавлять еще. Но это редко.
Часто кажется, что на односторонней плате вообще невозможно качественно развести землю. Невозможно в принципе. Уж очень сложная должна быть плата. Поэтому именно на односторонних платах разводка «серебряным веером» должна быть обязательна. Сам всегда делаю устройства только на двусторонних платах с обширной землей.
Остается вопрос влияния радиопомех на вновь образованные замкнутые контура. Наверное есть добавка помех, но она очень незначительная, т.к. в устройстве уже есть масса контуров по самим радиодеталям – резисторам, конденсаторам, транзисторам и т.д. Так что можно не беспокоиться.
Как правильно организовать экранирование?
Даже если все проводники общий шины усилителя разведены правильно, он всё ещё не защищён от воздействий помех, которые могут быть наведены на элементы усилителя внешними или внутренними электромагнитными полями.
На картинке знакомая уже схема подключения двух генераторов переменного тока. Но, в данном случае, мы попробуем проследить, как внешнее или внутреннее электромагнитное поле может стать причиной проникновения помех во входные цепи усилителя.
Условно обозначим ёмкость между «горячими» проводниками генераторов как C1.
Предположим, что генератор G2 выключен. Тогда ток, генерируемый G1 может потечь по цепи: верхний вывод генератора, паразитная ёмкость C1, резистор R2, общая шина, нижний вывод генератора G1. Таким образом, ток генератора G1 может проникнуть в нагрузку R2.
Чтобы минимизировать проникновение помехи, применим экранирование.
Это могло бы значительно снизить влияние внешних полей на входной сигнал, если бы мы не стали пускать ток генератора G1 по экранирующей оплётке кабеля точно так же, как это было в случае с общей шиной, описанном выше.
Поэтому доработаем нашу схему так, чтобы предотвратить протекание тока генератора G1 по экранирующей оплётке. Для этого достаточно подключить оплётку кабеля к общей шине только в одной точке.
Теперь применим экранирование сигнального провода в УНЧ, чтобы защитить его от наводок.
Это хорошее решение и оно в большинстве случаев может защитить входной сигнал от помех. Но, всё может оказаться не так радужно, когда мы будем иметь дело с уровнем сигнала на порядок ниже, чем уровень сигнала линейного входа.
Когда уровень усиливаемого сигнала очень мал, то становится ощутимым воздействие помех от всевозможных электромагнитных излучений. Электромагнитные волны легко проникают через экранирующую оплётку провода, которую обычно изготавливают из немагнитных материалов.
Кроме этого, электромагнитные волны по-разному воздействуют на оплётку и центральный провод, в силу их различной формы и величин распределённой ёмкости и индуктивности. Если предположить, что на кабель воздействует однородное переменное электромагнитное поле, то последнее вызовет в центральном проводе и оплётке токи разной величины. И хотя токи эти будут иметь разный знак по отношению к полезному сигналу, алгебраическая сумма их будет больше ноля. Если величина этих паразитных токов превысит уровень шумов усилителя то помеха может стать заметной на слух.
Для того чтобы минимизировать уровень помех в высокочувствительных цепях усилителя, используют экранированную витую пару, которую в народе называют микрофонным кабелем.
Токи, генерируемые электромагнитными полями в проводах витой пары текут в одном направлении и практически равны, благодаря идентичной форме каждого проводника витой пары. В то же время, токи полезного сигнала текут в разных направлениях по проводникам витой пары. Таким образом, в одном проводе ток помехи складывается с полезным сигналом, а в другом вычитается, что приводит к полной компенсации помехи.
Но, в любительской практике, витая пара может понадобиться не так часто, и используется разве что для подключения динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя к предварительному усилителю.
Обычно линейный вход усилителя низкой частоты подключают примерно по такой схеме. Как видите, общий провод линейного входа не соединён с корпусом гнезда. В то же время, корпус гнезда соединён с металлическим корпусом усилителя. Точно также с металлическим корпусом усилителя соединяют и другие элементы экранирования, например, межобмоточный экран силового трансформатора и металлический экран предварительного усилителя.
Но, во всех случаях, общую шину усилителя соединяют с металлическим корпусом (экраном) только в одной точке поз.1. Если таких точек будет больше одной, то токи «путешествующие» по металлическому корпусу усилителя начнут «заглядывать» в общую шину, что может стать причиной помех.
Если для линейного входа используется гнездо типа Джек 3,5мм, а корпус усилителя металлический, то придётся изолировать крепление гнезда от корпуса, так как общий вывод поз.1 и элементы крепления поз.2 в таких гнёздах соединены гальванически.
Схема усилителя
Схему выбрал «по Манакову»:
Начал, как всегда, со сборки корпуса. Останавливаться подробно на технологии его изготовления не стану, я подробно рассказал об этом в Как всегда, я собирал усилитель на отдельном металлическом шасси, укрепленном внутри корпуса на стойках. Это позволяет минимизировать количество отверстий в верхней крышке усилителя. Для изготовления корпуса использовал алюминиевый уголок 20×20х2,0, дюралевые листы, толщиной 1,5 мм (для верхней крышки) и 1 мм (для нижней крышки и шасси). Обшивка выполнена из бука, покрашенного морилкой и лаком в несколько слоев. Дюраль покрашен из баллончика. Колпаки для трансформаторов на этот раз использовал готовые, заказав их заранее.
Все механические работы были выполнены на балконе. Использовал раскладной верстак, дрель, электрический лобзик, дисковую шлифовальную машинку ручной фрезер, дремель и профессиональное стусло. За годы радиолюбительства я солидно «оброс» хорошими инструментами. Это позволяет мне выполнять многие сложные работы гораздо быстрее и точнее. Но большую часть из этих работ можно выполнить и вручную. С большей затратой сил и времени, конечно.
Радиодетали, в общем, самые обычные. В качестве разделительных использовал конденсаторы К78-2 и К71-7, все остальное – «солянка сборная».
Лампы EL34 покупал уже подобранными в «четверку».
Трансформатор питания: тор, 270Вх0,6А – анодная вторичка, 50Вх0,1А – вторичка для смещения, 2×6,3×4А – для питания накалов.
Итак, подведём итоги.
Чтобы минимизировать паразитные токи и другие влияния источников помех на полезный сигнал, нужно ещё на стадии проектирования усилителя минимизировать любую возможность протекания токов разных источников по общим шинам.
Металлический корпус усилителя должен быть соединён с общей шиной усилителя только в одной точке. Хотя другие элементы экранирования, за исключением тех, по которым протекает полезный сигнал, могут быть соединены с корпусом произвольно.
Для подключения слабых источников сигнала, таких как головка динамического микрофона или электромагнитного звукоснимателя, следует использовать витую экранированную пару.
6 Декабрь, 2012 (17:51) в Аудиотехника
Селектор входов
Организовал селектор входов на трех реле TAKAMISAWA (по количеству входов), которые коммутируют слаботочный сигнал. Печатную плату для коммутатора не делал, собрал все на макетке. Схема примерно такая:
Красоты ради поставил стрелочные индикаторы. Управляются индикаторы отечественной микросхемой К157ДА1. Схема переделана на однополярное питание, печатная плата прилагается.
Коммутатор, микросхема К157ДА1 и диоды подсветки индикаторов питаются от одного источника стабилизированного напряжения.