Материал: Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. сборник научных трудов. Муратов А.В., Макаров О.Ю

стую задачу точно и музыкально честно должен: обладать минимальным количеством помех на высоких частотах, не скрывать деталей низких частот, не портить звуковую сцену, не изменять тональный баланс, не терять контроль над басом динамика и не сжимать звук, что бы не разрушать чувство ритма и музыки. Более тонкие качества музыки и предполагаемая коммуникация могут быть ограничены или даже потеряны, когда усилитель повреждает или искажает сигнал. Основными элементами высокоэффективного усилителя мощности являются транзисторы качающие токи нагрузки. Транзисторы одного каскада обратны между собой: во время закрытия одного, открывается другой и так по кругу. Соответственно ток от транзисторов под управлением входного сигнала будет качаться через нагрузку из стороны в сторону.

Выходная мощность усилителя имеет очень нелинейную, слабую связь с воспринимаемой громкостью. Таким образом, конкретный показатель мощности может иметь удивительно малые значения, пока он находится в нужной области и играет достаточно громко на практике.

Порядок требуемой мощности зависит от множества факторов. К ним относятся:

Чувствительность (или эффективность) акустической системы. Чувствительность обычно указывается для 1 ватта на расстоянии 1 метра.

Типичная версия розового шума "AES", используемая для оценки динамиков. Строит графики каждого из пиковых (верхних) и среднеквадратичных (нижних) значений по всему звуковому диапазону. Уровень немного повышается по всей полосе, чтобы сохранить ПМР (среднее значение отличается между верхней и нижней кривыми) примерно на 10 дБ.

Максимальный требуемый SPL. Для некоторых видов музыки и ситуации достаточно 105дб, для других-140дбSPL. Необходимый запас прочности. Профессиональные аудиосистемы обычно используют усилители, номинальная мощность которых в пять или даже десять раз превышает долгосрочную оценку AES/EIA динамиков, с которыми они используются.

Существует несколько классов усилителей звуковой мощности: A, B, AB, Hи D. В рамках нашего проекта стоит рассмотреть первые 3 класса.

166

Класс A: этот класс усилителей обладает самой «чистой» работой, он практически не искажает сигнал. Но усилители этого класса имеют очень высокие токи покоя, что отрицательно сказывается на его работе, эти токи, даже если входной сигнал отсутствует, идут через приоткрытые транзисторы. Это очень сильно повышает температуру транзисторов, таким образом, полезная энергия значительно меньше той энергии которая уходит в тепло, транзисторы приходится принудительно охлаждать с помощью радиаторов, в некоторых случаях применяются всевозможные элементы принудительного воздушного охлаждения. КПД у таких усилителей составляет в лучшем случае всего лишь 25-30%, а размеры и вес значительно увеличиваются.

Класс B: в этом классе, в отличие от предыдущего, транзисторная пара закрыта в отсутствии входного сигнала, а так как транзисторы обратные, то один будет открываться при положительном сигнале, а другой транзистор будет открываться при отрицательном сигнале. На нагрузке эти половины «собираются» и таким образом «холостой» ток через транзисторы не течет. Это положительно влияет на КПД усилителя, но даже самые качественные транзисторы не линейны при открытии, А это значит, что в момент, когда транзисторы «сменяют» друг друга появление искажений сигнала неизбежно, на графике эти искажения представляют собой резкий переход похожий на ступеньку. При высоком уровне сигнала эта ступенька незаметна, но при низких уровнях она будет очень заметна. Поэтому усилители класса Bне используются в автомобильной акустике.

Класс AB: это компромиссный класс, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение рабочей точки, намного меньшее, чем в A классе, но этого достаточно для того, чтобы избежать искажений в виде ступеньки на выходе сигнала, присущих Bклассу.

Таким образом, мной был выбран класс AB так как сглаживает все недостатки класса Aи нивелирует недостатки класса B.

В этой статье будет рассмотрена конструкция усилителя мощности звуковой частоты АВ класса специально для автомобильных аудио усилителей. Усилитель с импульсным блоком питания подключенным к бортовой сети автомобиля. В конструкции используются, полевые транзисторы, резисторы, элек-

167

тролитические и обыкновенные конденсаторы Отличительной особенностью данной конструкции является простота, надежность, низкая стоимость, ремонтопригодность, отсутствие микросхем и маленькие массогабаритные показатели.

На рис. 1 показана полная схема конструкции усилителя.

Рис. 1. Схема усилителя

В нашем случае больше всего нам подойдут металлопленочные резисторы из-за их маленького по сравнению с «коллегами» шума. Особо сильного влияния на качество музыки резисторы не имеют, но все же некоторые важны. Резистивные элементы в эммитерах выходных транзисторов оказывают сильное влияние при высокой мощности, поэтому стоит обратить внимание на их качество. В качестве резисторов на выходе мощность которых 2 Вт губительно применение проволочных элементов из-за того что они обладают паразитной индуктивностью. При выборе подстроечных резисторов следует отдать предпочтение в сторону элементов с большим количеством оборотов, это значительно облегчит работу по отладке и настройке усилителя.

Огромное внимание стоит обратить на качество конденсаторов, особенно на С1 и С2 т.к. через них проходит сигнал. В качестве C1 не следует применять керамический конденсатор

168

из-за большого уровня шума. Конденсаторы С9, С10, С12, С13, С15, С16, С21, С22 – фильтрующие питание электролиты. При выборе напряжения этих конденсаторов необходимо отталкиваясь от напряжения питания. Конденсаторы С11, С14, С17-20 – пленочные, не полярные. Подбирать напряжения этих конденсаторов так же отталкиваясь от напряжения питания

При выборе блока питания нужно внимательно следить за уровнем пульсаций питающего напряжения и обеспечением высокой выходной мощности.

Схема представленная на рисунке 1 была промоделирована в программе Multisim, где показала хорошие результаты и полное функционирование.

Импедансы номинальное сопротивление динамика обычно 8 или 4 Ом для большинства приводов с подвижными катушками. С ленточными приводами или когда несколько приводов параллельны для увеличения управляемости или покрытия, более низкие импедансы 3, 2 или 1 Ом или даже меньше являются нормой. При электростатическом типе приводов импеданс нагрузки может быть выше, но также более или преимущественно емкостным (например, Конденсатор) во всем диапазоне звука. Это может быть гораздо более обременительным для усилителя.

Чем ниже импеданс, тем тяжелее (текущая) нагрузка на усилитель.т. е. импеданс в Омах является обратной величиной относительной нагрузки. Помнить стоит также: низкий импеданс требует большего тока, и для данного тока требуется меньшее напряжение сигнала. Высокий импеданс требует большего напряжения сигнала, чтобы приводиться в движение с заданным током.

Проектирование печатной платы было произведено в среде программы AltiumDesigner. Теплонагруженные транзисторы были поставлены на край печатной платы так как при работе в закрытом корпусе им понадобится дополнительное охлаждение в виде радиаторов, так же из за больших токов были созданы силовые полигоны. Что бы снизить уровень помех вход и выход были разнесены на разные стороны печатной платы.

На рис. 2 показана 3D модель сборки платы.

169

Рис. 2. 3D сборка

Так как усилитель работает в классе AB,он нуждается в серьезном охлаждении. Все силовые транзисторы подлежит прикреплять к радиаторам исходя из расчетов что для 1 Вт тепла необходимая площадь алюминиевого радиатора составляет 1520 см2.Так же следует создать перфорации в корпусе для естественного обдува теплонагруженных элементов.

В ходе проведенной работы, я разработал усилитель мощности звуковой частоты. Были применены программы моделирования принципиальных схем, а так же новейшие программы проектирования печатных плат. Удалось создать уникальный прибор с простыми схемотехническими решениями, надежной конструкцией, малыми помехами, низкой стоимостью, компактным размером и очень простой ремонтопригодностью.

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Монография. Издание 6-е. Авторы: Пауль Хоровиц (PaulHorowitz), Уинфилд Хилл (WinfieldHill). Перевод с английского Б.Н. Бронина, А.И. Коротова, М.Н. Микшиса, Л.В. Поспелова, О.А. Соболевой, Ю.В. Чечеткина. Научное издание. Москва: Издательство «Мир»: Редакция литературы по информатике и новой тех-

нике, 2003-706 с

170