Схема устройства позволяющего слушать ультразвук (SA612, К140УД608, КТ3102)

Не мечтай, действуй!

↑ Стремимся к лучшему

В предыдущих статьях мы рассмотрели сборку усилителя Питера Смита. Пришло время его улучшить! Посмотрите на рис. 1: на нём красным цветом указаны направления деятельности по улучшению качества звучания и надежности.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Усовершенствования коснулись следующего: • На входе установлен разделительный конденсатор С1 высокого качества – пленочный полистирольный (К71), полипропиленовый (К78) или в крайнем случае металлопленочный полиэтилентерефталатный (К73); • Интегратор DA2, R8 – R10, C3, C13 в цепи обратной связи [1]; • Цепь Буше (L1, R11); • Диоды VD1, VD2 для защиты выходного каскада микросхемы DA1.

Рассмотрим подробнее каждое из предложенных усовершенствований усилителя.

Разделительный конденсатор на входе.

Отлично показали себя полипропиленовые premium конденсаторы для аудио с датагорского магазина 1,0uF x 250V, 5%. Прекрасные результаты в плане звучания усилителя дали отечественные фольговые металлизированные полипропиленовые конденсаторы К78-2 и высокочастотные металлопленочные полипропиленовые конденсаторы К78-19. Неплохие результаты получены с металлизированными полипропиленовыми конденсаторами CBB21-CBB22 (MPP). Металлопленочные полистирольные конденсаторы К71-4 оказались менее доступными, к тому же их пришлось включать параллельно, но по звуку они практически не уступают полипропиленовым конденсаторам. Полиэтилентерефталатные «народные» конденсаторы К73-17 в тестировании оказались на последнем месте.

Интегратор в цепи обратной связи (сервопривод).

Кроме основной функции – поддержания нуля на выходе, интегратор обеспечивает низкое выходное сопротивление на низких и инфранизких частотах, что улучшает демпфирование низкочастотных громкоговорителей в акустических системах.

Включение интегратора в цепь обратной связи усилителя повышает порядок передаточной функции, превращая его в фильтр высокой частоты второго порядка с параметрами:

где KU — коэффициент усиления усилителя, fР – частота среза, Q – добротность фильтра. Как указано в [2], при величине Q>0,707 АЧХ усилителя имеет выброс в области низких частот, что нежелательно. Следует выбирать номиналы С1, С3, R2, R9 таким образом, чтобы обеспечить величину Q≤0,5. Указанным на схеме номиналам соответствуют Q=0,48 и fР=1,6 Гц, при которых обеспечивается монотонный спад в области низких частот.

Для удобства испытания макета интегратор на ОУ DA2 размещен на небольшой отдельной печатной плате (рис. 2).

Цепи Зобеля и Буше.

Для предотвращения неустойчивой работы усилителя на комплексную нагрузку применяют цепи Зобеля и (или) Буше. Первая цепь состоит из последовательно включенных конденсатора емкостью 0,01…0,47 мкФ и резистора сопротивлением 1…10 Ом. Эта цепь шунтирует на общий провод выход УМЗЧ.

Многие усилители вообще не могут устойчиво работать без цепи Зобеля. Чтобы избежать перегрева резистора при воспроизведении фонограмм с большим содержанием высоких частот, его рассеиваемая мощность выбирается в пределах 1…4 Вт.

Цепь Буше позволяет повысить стабильность работы усилителя, компенсируя емкость нагрузки и (или) акустических кабелей. Значения индуктивности обычно находятся в диапазоне 1…10 мкГн.

Следует особо подчеркнуть, что катушка индуктивности не должна содержать сердечник

, поскольку через нее протекают большие токи, неминуемо приводящие к насыщению большинства материалов сердечников.

Для предотвращения паразитного «звона» при емкостных нагрузках добротность катушки уменьшают, шунтируя ее резистором сопротивлением 5…10 Ом (мощностью 1…2 Вт).

В исходной схеме применена только стабилизирующая цепь Зобеля R7, C4. В нашем случае на выходе усилителя дополнительно установлена цепь L1, R11, эффективно изолирующая выходной каскад микросхемы от паразитных воздействий нагрузки (акустической системы).

Эта простая мера ощутимо улучшает звучание усилителя. Резистор R11 является демпфирующим и позволяет ограничить добротность последовательного контура L1 – емкость акустической системы.

Для желающих продолжить эксперименты можно рекомендовать установить еще одну RC – цепь Зобеля R12, C14 после катушки индуктивности (рис. 3).

Рис. 3. Симметричная схема развязки усилителя мощности звуковой частоты от акустической системы

В выборе элементов поможет таблица 1. В процессе прослушивания полезно изменять приведенные в таблице значения сопротивлений резисторов на ±(25…35)%.

На рис. 4 показан результат дальнейших экспериментов. Вместо цепи Зобеля включена цепочка Тиля L1, R11, C4. Указанные элементы служат для предотвращения самовозбуждения УМЗЧ, а также эффективно изолируют выход усилителя как от индуктивной и емкостной составляющих комплексной нагрузки в ультразвуковой области, так и от радиочастотных наводок в акустических кабелях.

Рис. 4. Схема развязки с цепью Тиля

Ограничительные диоды VD1, VD2

, присоединенные в обратной полярности между шинами питания и выходом усилителя, полезны во всех случаях. Их назначение заключается в подавлении выбросов напряжения, вызванных нагрузкой с большой индуктивной составляющей и тем самым, защите транзисторов выходного каскада. Обычно в качестве диодов рекомендуют выпрямительные диоды общего применения, скажем, 1N4001…1N4007. Однако я на практике убедился, что лучше использовать быстродействующие диоды, например КД212, SF56, HER508.

Итак, модернизированный усилитель имеет следующие достоинства:

• Пленочный конденсатор на входе не портит звучание; • Сервопривод делает звук на нижних частотах четким и не утомительным; • Индуктивность с демпфирующим резистором обеспечивают устойчивую работу на комплексной нагрузке; • Диоды между выходом и шинами питания повышают надежность работы усилителя.

Микросхема К140УД7

Параметры микросхемы К140УД7

Микросхемы представляют собой операционые усилители средней точности с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания. Корпус К140УД7 типа 301.8-2, масса не более 1,5 г., КР140УД7 типа 201.14-1, КР140УД608 типа 2101.8-1, КФ140УД7 типа 4303.8-1, КБ140УД7-4 — бескорпусный.

Корпус К140УД7

Корпус КР140УД7

Корпус КР140УД708

Корпус КФ140УД7

Схемы балансировки

Назначение выводов КР140УД7: 1,2,7,8,13,14 — свободные; 3,9 — балансировка; 4 — вход инвертирующий; 5 — вход неинвертирующий; 6 — напряжение питания -Uп; 10 — выход; 11 — напряжение питания +Uп; 12 — коррекция;
Назначение выводов К140УД7, КР140УД708, КФ140УД7: 1,5 — балансировка; 2 — вход инвертирующий; 3 — вход неинвертирующий; 4 — напряжение питания -Uп; 6 — выход; 7 — напряжение питания +Uп; 8 — коррекция;

Электрические параметры

1Напряжение питания15 В 10%
2Диапазон синфазных входных напряжений при Uп= 15 В12 В
3Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В, Uвх= 0,1 В, Rн = 2 кОм10,5 В
4Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм К140УД7, КР140УД7, КР140УД708 КФ140УД7не более 9 мВ не более 6 мВ
5Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 2 кОмне более 400 нА
6Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн = 2 кОмне более 200 нА
7Ток потребления при Uп= 15 В, Rн = 2 кОмне более 3,5 мА
8Коэффициент усиления напряжения К140УД7, КР140УД7, КР140УД708 КФ140УД7не менее 30000 не менее 25000
9Входное сопротивлениене менее 400 кОм

Предельно допустимые режимы эксплуатации

1Напряжение питания(5…17) В
2Входное синфазное напряжение12 В
3Входное дифференциальное напряжениене более 24 В
4Время, в течении которого допустимо короткое замыкание выхода при T=-45…+35 ° C при T=+35…+85 ° C для КФ140УД7 при T=-10…+70 ° Cне ограниченно 60 c 5 c

Рекомендации по применению

Питание КФ140УД7 можно осуществлять ассиметричными напряжениями или от одного источника напряжения при условии: 10 В |Uп1|+|Uп2| 33 В. При этом нагрузка подключается к «+» или «-» источника питания. Бескорпусную ИС К140УД7-4 следует приклеивать к подложке нерабочей стороной, также должен быть обеспечен такой отвод теплоты, чтобы температура кристалла состовляла не более 135 ° C.

Литература

Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги

: Справочник. Том 7./А. В. Нефедов. — М.:ИП РадиоСофт, 1999г. — 640с.:ил.

Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги

Справочник. Перельман Б.Л.,Шевелев В.И. «НТЦ Микротех», 1998г.,376 с. — ISBN-5-85823-006-7

Интегральные микросхемы

Справочник. Тарабрин Б.В.,Лунин Л.Ф.,Смирнов Ю.Н. «Радио и связь», 1983 г.,528 с. — ББК 32.844.1 И73

↑ Полная схема улучшенного УМЗЧ

Положительные результаты экспериментов подвигли меня к разработке законченной конструкции УМЗЧ, схема которой показана на рис. 5. Конструкция является продуманным балансом простоты, надежности, стабильности и качества звуковоспроизведения.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Рис. 5. Принципиальная схема УМЗЧ с сервоприводом

Входной сигнал через RC – фильтры верхних частот R2, C1 и нижних частот R3, C2 поступает на неинвертирующий вход микросхемы усилителя мощности звуковой частоты DA1.

Цепь L1, R10, C5 обеспечивает устойчивость усилителя при работе на реальную нагрузку. На звуковых частотах реактивное сопротивление катушки индуктивности L1 мало, а конденсатора С5, наоборот, велико, поэтому они не оказывают влияния на работу акустических систем.

На ультразвуковых частотах повышение импеданса катушки L1 изолирует усилитель от емкостной, а снижение реактивного сопротивления конденсатора С5 защищает от индуктивной составляющей нагрузки.

Радиочастотные наводки с акустического кабеля, являющегося антенной, также не пропускаются в цепь общей ООС УМЗЧ элементами C5, L1.

Резистор R10 ограничивает добротность последовательного контура L1, C5.

На ОУ DA2 выполнена схема поддержания нуля на выходе УМЗЧ по постоянному току.

Фильтр нижних частот R9, C4 с инфразвуковой частотой среза 0,03 Гц пропускает на неинвертирующий вход ОУ практически только постоянное напряжение смещения, которое сравнивается с нулевым на заземленном инвертирующем входе ОУ и интегрируется цепью R8, C3. Это медленно изменяющееся постоянное напряжение через резистор R5 подается для компенсации на инвертирующий вход УМЗЧ DA1.

Точность поддержания нуля на выходе DA1 определяется статическими параметрами ОУ DA2 и составляет единицы милливольт.

Коэффициент передачи УМЗЧ по напряжению, как и прежде, определяется отношением резисторов цепи ООС R6 и R4. Благодаря интегратору на ОУ DA2 отпала необходимость в оксидном конденсаторе, включаемом последовательно с резистором R4. Последнее благоприятно отражается на воспроизведении усилителем низких частот.

Операционный усилитель DA2 питается от отдельного двухполярного стабилизатора напряжения, размещенного на печатной плате усилителя. Он выполнен на маломощных стабилизаторах напряжения положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности по типовой схеме.

Замечу, что для надежной работы стабилизаторов DA3, DA4 в аварийных ситуациях, когда закорачивается питание усилителя, емкость конденсаторов С7, С8 должна находится в пределах 10…22 мкФ. Предпочтительны оксидные конденсаторы с малым импедансом и большим сроком службы.

Операционные усилители

К статическим относятся характеристики , определяющие работу ОУ в установившемся режиме :. Передаточные характеристики ОУ. Передаточные амплитудные характеристики ОУ представляют собой две кривые, соответствующие инвертирующему и неинвертирующему входам. Можно отметить, что из-за наличия частотной коррекции полоса пропускания разомкнутого ОУ сужается. Частотные характеристики ОУ. Происходит это потому, что внутренняя коррекция должна быть достаточной для обеспечения устойчивости схемы, в режиме повторителя напряжения с единичным коэффициентом усиления.

При создании схемы этого усилителя задача была поставлена КРУД, КУД6, КУД7, а так же, микросхемами, содержащими по 2 или 4 или LM (практически та же цоколевка и типовая схема включения, только.

↑ Детали, монтаж и налаживание

Катушка L1 мотается на оправке диаметром 10 мм и содержит 13 витков провода ПЭЛ, ПЭВ диаметром 1,0 мм. Резистор R10 находится внутри катушки L1.
Детали (на два канала усилителя)

DA1 — Микросхема LM1875T NSC, корпус ТО220-5 – 2 шт., DA2 — Микросхема OP07CP (PBF), корпус DIP8-300 – 2 шт., DA3 — Микросхема стабилизатора положительной полярности 78L15, корпус TO92 – 2 шт., DA4- Микросхема стабилизатора отрицательной полярности 79L15, корпус TO92 – 2 шт., Розетка цанговая dip 8, SCSM-8 (для микросхемы DA2) – 2 шт., VD1, VD2 — SF56, HER508 — 2 шт. R1 – Рез.0,25-1 м (Коричневый, черный, зеленый, золотистый) – 2 шт., R2, R6 – Рез.0,25-22 кОм (Красный, красный, оранжевый, золотистый) – 4 шт., R3, R4 – Рез.0,25-1 кОм (Коричневый, черный, красный, золотистый) – 4 шт., R5 – Рез.0,25-220 кОм (Красный, красный, желтый, золотистый) – 2 шт., R7 – Рез.0,25-10 Ом (Коричневый, черный, черный, золотистый) – 2 шт., R8, R9 – Рез.0,25-2,4 м (Красный, желтый, зеленый, золотистый) – 2 шт., R10 – Рез.1-10 Ом (Коричневый, черный, черный, золотистый) – 2 шт. C1 – Конд.1µ/63V К73-17 – 2 шт., C2 – Конд.390p/63V J EVOX (NPO 390 пФ 5% керам. имп.) – 2 шт., C3, C4 – Конд. металлопленочный имп. 2,2µ/100V К73-17 B32522-C1225-J (2,2µ/63V К73-17 B32522-C225-J)– 4 шт., C5 – Конд.0,22/63V К73-17 – 2 шт., C6, C9, C10 – Конд.0,1µ/63V К73-17 (К73-44б) – 6 шт., C7, C8 – Конд. электролитический 10/25V 0511, +105°C – 4 шт., C11, C12 — Конд. электролитический 220/35V, 1016, +105°C – 4 шт., Клеммник 2К шаг 5 мм на плату dg301-2 – 2 шт., Клеммник 3К шаг 5 мм на плату dg301-3 – 2 шт., Провод ПЭЛ, ПЭВ диаметром 1 мм — 1 м, Печатная плата 55х80 мм – 2 шт.

Размещение деталей на печатной плате показано на рис. 6.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Рис. 6. Расположение элементов улучшенного УМЗЧ на печатной плате

Монтаж деталей на печатной плате не вызовет трудностей, если соблюсти определенную последовательность сборки. Сначала монтируют резисторы. Учитывая, что в своем большинстве они имеют цветовую маркировку, полезно перед установкой резистора на печатную плату проверить его сопротивление тестером.

Затем устанавливают проволочную перемычку, панельку для микросхемы DA2, микросхемы, конденсаторы, клеммники и элементы L1, R10.

Проверяют монтаж, обратив особое внимание на правильность установки на печатной плате микросхем и оксидных конденсаторов. Целесообразно провести визуальный контроль пайки, выявить и устранить непропаи, перемычки из припоя, дефекты установки элементов.

Закрепляют микросхему DA1 на радиаторе, подсоединяют провода к клеммникам и производят первое включение усилителя. При отсутствии «сюрпризов» проверяют наличие питающих напряжений ±15 В на выходах микросхем стабилизаторов DA3 и DA4, «ноля» на выходе усилителя; далее подсоединяют акустические системы, источник сигнала и слушают музыку.

↑ Дополнение по цепям защиты интегратора

Учитывая, что напряжение питания усилителя мощности превышает напряжение питания интегратора, выполненного на ОУ DA2, целесообразно позаботиться о защите его входа.

Детали и питание

Источником питания усилителя может служить любой низкочастотный силовой трансформатор, вырабатывающий переменное напряжение 10-13V при допустимом токе во вторичной обмотке 3-4А. Схема источника сделана так, что для получения двуполярного напряжения подходит трансформатор с одной вторичной обмоткой. Выпрямление осуществляется двумя выпрямителями на диодах VD3-VD6.

Усилители мощности питаются нестабилизированным напряжением ±12..15V. Предварительный усилитель питается стабилизированным напряжением ±7,6V, полученным от параметрических стабилизаторов на стабилитронах VD1 и VD2.

В схеме можно использовать самые разные компоненты. Операционные усилители КР140УД608 можно заменить практически любыми ОУ общего применения, например, КР140УД708, К140УД6, К140УД7, а так же, микросхемами, содержащими по 2 или 4 операционных усилителя в одном корпусе.

Например, применив К1401УД2 (в корпусе четыре ОУ) можно весь предварительный усилитель выполнить на одной микросхеме. В схеме усилителя мощности тоже можно использовать другие микросхемы. TDA2030A, была использована как самая доступная. Но её можно заменить на TDA2051 или LM1875 (практически та же цоколевка и типовая схема включения, только не нужны диоды VD7-VD10).

При такой замене можно повысить напряжение питания до ±25V и получить мощность 30-40W на канал, но это потребует применения более мощного источника питания, выполненного по двухполупериодной схеме.

Микросхемы А5 и А6 нуждаются в теплоотводе площадью поверхности не менее 600см2. Радиаторная пластина микросхем TDA2030A соединена с выводом отрицательного питания (с выв. 3).

Это позволяет обе микросхемы посадить на один общий теплоотвод без изолирования. В этом случае на теплоотводе будет отрицательный потенциал питания (на «общий», а отрицательный!).

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: