Пара комплектов моноблоков, или 2×2=4

После изготовления Предусилителя “С3g+Hashimoto” у его счастливого владельца появилась идея, что стоит, пожалуй несколько “продолжить” усилительный тракт – то есть изготовить к предусилителю комплект оконечных усилителей мощности. Но – какие же оконечники предпочесть  – ламповые или транзисторные ? После некоторого обсуждения было принято решение – сделать два комплекта – один на лампах, а второй – гибридный, с выходным каскадом на транзисторах.  Для удобства в практической эксплуатации габариты каждого из моноблоков должны были быть не более 450x450x300 мм, внешне моноблоки должны выглядеть идентично. Такой подход к решению поставленной задачи мне наиболее симпатичен, и я взялся за работу с большим энтузиазмом. В итоге появилось две очень интересные конструкции.

1. Оконечные усилители – моноблоки. Гибридное Решение.

За основу была взята схема моего усилителя для наушников – Zen Hybrid. Усилитель двухкаскадный, однотактный, входной каскад – усилитель напряжения – на лампе, выходной каскад – усилитель тока – собран на мощных полевых транзисторах IRFP240. Поскольку предполагаемое минимальное сопротивление нагрузки составляет около 3.5 Ом, ток покоя выбран ~ 4A. При таком токе покоя ограничение максимальной выходной мощности в основном определяется габаритными характеристиками примененных радиаторов. Исходя из заданных (см выше) геометрических размеров, при размещении радиаторов на боковых сторонах корпуса и исходя из того, что при размещении усилителя в стойке с аппаратурой максимальная температура радиаторов не должна превышать 60 градусов (Цельсия :))  – расчетная выходная мощность получилась примерно  30W на канал. Для того, чтобы на выходной мощности 30W обеспечить полосу пропускания хотя бы 100 kHz, входной каскад усилителя напряжения должен обеспечивать на задающем напряжение смещения выходного каскада делителе напряжения и затворе транзистора IRFP240 сигнал с амплитудой напряжения не менее 15V и тока не менее 7 mA. Этим требованиям вполне удовлетворяет каскад  по схеме SRPP на лампе 6Н6П.

Принципиальная схема усилителя – 2x2_Hybrid_Amp

Схема блока питания – 2x2_Hybrid_Amp_PS

Основные технические характеристики:

  • Входное сопротивление, кОм = 10
  • Выходное сопротивление, Ом <= 0.3
  • Номинальное входное напряжение = 1V RMS
  • Коэффициент усиления = 10
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 3.5 Ом >= 10V RMS
  • Максимальная выходная мощность на нагрузке 3.5 Ом >= 25W RMS
  • Полоса воспроизводимых частот на нагрузке 3.5 Ом при уровне выходной мощности = 0.9 от максимальной = 10Гц….100кГц
  • Коэффициент гармоник, измеренный на нагрузке 3.5 Ом при уровне выходной мощности = 0.9 от максимальной (эталонная частота = 1 кГц) <= 1%, при этом уровень третьей гармоники меньше уровня второй более чем на 20 dB, уровень более старших гармоник достоверно измерить не удалось.
  • “Взвешенный” уровень шумов и помех на выходе усилителя при закороченном входе <= 0.1 mV RMS

2. Оконечные усилители – моноблоки. Вариант на лампах. KT88 + Hashimoto.

Поскольку у Предусилителя C3g + Hashimoto организован балансный выход, обеспечивающий достсточное усиление и выходное напряжение сигнала не менее 15V я решил построить ламповый вариант моноблоков  по двухтактной двухкаскадной схеме с балансным входом.

Принципиальная схема усилителя – 2x2_Tube_Amp

Входной каскад собран на NOS двойном триоде 6SN7GTB производства компании Zenith (USA) по балансной схеме с “заземленными” катодами. Коэффициент усиления каждого плеча каскада = 15, выбранный режим обеспечивает максимальное выходное напряжение не менее 90V RMS, что c более чем достаточным запасом гарантирует полную “раскачку” выходного каскада, который собран на  подобранной по параметрам паре отличных лучевых тетродов Psvane KT-88 (Mark II), в триодном включении. В качестве выходного трансформатора я применил Hashimoto HW-60-5. На мой взгляд – на сегодняшний день это лучшие из серийно выпускаемых двухтактных трансформаторов, сочетающие отличные технические и  музыкальные характеристики с превосходным качеством производства.

Схема блока питания – 2x2_Tube_Amp_PS

Основные технические характеристики:

  • Входное сопротивление, кОм = 10
  • Выходное сопротивление, Ом <= 1.5
  • Номинальное входное напряжение = 2.5V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 3.5 Ом >= 9V RMS
  • Максимальная выходная мощность на нагрузке 3.5 Ом >= 22W RMS
  • Полоса воспроизводимых частот на нагрузке 3.5 Ом при уровне выходной мощности = 0.9 от максимальной = 20Гц….70кГц
  • Коэффициент гармоник, измеренный на нагрузке 3.5 Ом при уровне выходной мощности = 0.9 от максимальной (эталонная частота = 1 кГц) <= 1.2%, при этом уровень третьей гармоники меньше уровня второй более чем на 25 dB, уровень более старших гармоник меньше уровня третьей на 20 dB.
  • “Взвешенный” уровень шумов и помех на выходе усилителя при закороченном входе <= 0.5 mV RMS

Несколько Фото –

Июль…Ноябрь 2014 год                                                                     г.Владивосток

Гибридный усилитель оказался популярным. Вот вариант исполнения – от  Александра. По моему, интересное конструкторское решение корпуса и хорошая компоновка, получилось весьма неплохо.

 

“Le Monstre” Jean Hiraga и LCD

Monster Zen V1

Случилось так, что один замечательный человек, профессиональный строитель высочайшего класса и очень талантливый рассказчик –   приобрел наушники LCD-3 и, естественно обратился ко мне за усилителем для них 🙂  Заказчик – меломан со стажем, но при нашей с ним общности вкусов его музыкальное восприятие несколько не совпадает с моим. В подаче музыки ему в первую очередь необходимы напор и “динамика” – без этого суть музыкального произведения от него как бы “ускользает”, кажется неполной. Спокойствие и неяркая философская многослойность Zen ему не подошли….Задача непростая, но – почему бы и нет, можно попробовать.

При обдумывании конструкции я принял решение сделать двухтактный усилитель с выходным каскадом в классе А, с максимально широкой полосой в области НЧ и, желательно – ВЧ  – при минимальном количестве усилительных элементов. Это потенциально должно убрать факторы, сдерживающие так называемые “напор” и динамику при сохранении хорошего музыкального разрешения . Естественно, я совсем не первый, кто задумался над подобной конструкцией – поэтому  за основу был взят замечательный усилитель “Le Monstre”, спроектированный известным разработчиком Jean Hiraga в 1982 году. Его статью см в разделе “Литература”.

Схема усилителя Jean Hiraga  “Le Monstre” :Hiraga-Monstre-Monster-Class-A-amplifier-schematic

Как видно, усилитель состоит из двух симметрично-комплиментарных плеч, каждое из которых по сути представляет собой по однотактному усилителю в классе А, работающих на общую нагрузку. Усилитель не имеет разделительных конденсаторов на входе, выходе и в цепи ООС  и фактически является усилителем постоянного тока. В области ВЧ полоса пропускания ограничивается только частотными свойствами примененных транзисторов.

К сожалению транзисторы, которые применил Jean Hiraga в оригинальной конструкции, сейчас уже не выпускаются. Более-менее подходящая замена такая ==>>  2SK170 = 2SK246, 2SJ74 =2SJ103, 2SC1775, 2SD756 = BC550  , 2SA872, 2SB716 = BC560 , 2SD844= TIP3055  2SB754 = TIP2955.

“Старые” и “новые” полевые транзисторы довольно серьезно различаются по параметрам, поэтому режимы работы схемы были пересчитаны заново.

О полевых транзисторах.

Вот справочные листы на комплиментарную пару  полевых транзисторов 2SK246 (datasheet_sk246) и 2SJ103 (datasheet_2SJ103). Обратите внимание на то, что эти транзисторы разделяются на группы (GR, BL,V) по параметру Idss. Так же нужно пристально взглянуть на график Id-Vds. Напрашивается три очевидных вывода – во первых,  “комплиментарность” характеристик SK246 и 2SJ103 таки довольно приблизительна, во вторых – линейности их характеристик существенно различаются и, в третьих – для создания хотя бы приблизительно симметричной двухтактной схемы транзисторы предварительно следует отобрать как минимум по параметру Idss.

После закупки по 10 шт 2SK246GR и 2SJ103GR мне удалось отобрать четыре пары 2SK246GR  и две (!) шт  2SJ103GR c Idss = 3.9…4mA. В моем случае 2SJ103 имели очень большой разброс. Исходя из этих данных режим работы первого каскада выбран следующим образом – ток покоя = ~ 0.5*Idss, при этом наиболее линейная область получается при напряжении смещения примерно 0.4…0.5V. (При выборе рабочей точки график Id-Vds следует “масштабировать” по оси Id исходя из измеренных значений Idss)

Схема Усилителя (V1) Hiraga_Headphone_new

Схема довольно проста. В каждом плече – каскод на входе  и составной транзистор по схеме Шиклаи (Sziklai) на выходе. Про каскодную схему на входе (почему и как) хорошо написано в оригинальной статье Jean Hiraga. Совершенно очевидно, что для минимума четных гармоник необходимо, чтобы усиление плеч было максимально близким, поэтому отбор транзисторов по характеристикам крайне желателен.

Блок питания – двухполярный нестабилизированный. О влиянии на звук транзисторного усилителя стабилизации напряжения источника питания я уже упоминал ранее – см. Усилитель Zen V. Версия 10.12  Диоды выпрямительного моста зашунтированы конденсаторами, фильтр построен по многозвенной C-R-С схеме. Трансформатор питания – тороидальный мощностью 200VA, с межобмоточным и внешним ленточным экранами.

Наладка усилителя проходит в два этапа. На первом этапе выходной каскад отключается и проводится предварительная настройка входного каскада – подстройкой резистора R5 добиваются одинакового падения напряжения на резисторах R3 и R4.  Затем нужно подать на вход усилителя синусоидальный сигнал амплитудой 0.2…0.3V RMS и проконтролировать форму сигнала на коллекторах T3 и T5.  Следует помнить, что выходной каскад на биполярных транзисторах управляется током, поэтому не стоит обращать особого внимания на сравнительно небольшое выходное напряжение и усиление первого каскада.

На втором этапе подключается выходной каскад, ток покоя контролируется падением напряжения на резисторах R12 и R13. Желаемый ток покоя устанавливается подбором резисторов R3  R4 (при увеличении номинала ток возрастает). Для нагрузки сопротивлением от 25 Ом я рекомендую выбрать ток покоя ~>= 0.5А. “Ноль” на выходе подстраивается резистором R5. При нестабилизированном блоке питания вполне нормально, если напряжение на выходе будет “гулять” в пределах +-2..5mV, наушникам от этого никакого вреда не будет. На этом наладку усилителя можно считать завершенной. 🙂

Об обратной связи.

В этом усилителе петля общей ООС выполняет несколько функций. Во-первых, определяет коэффициент усиления по напряжению, во-вторых, уменьшает выходное сопротивление усилителя и уровень искажений и, в- третьих – поддерживает потенциал выхода максимально близким к “0”. По логике перерасчета, если сопротивление в цепи истоков транзисторов первого каскада увеличилось, то следовало бы и увеличить величину резисторов в цепи ООС таким образом, чтобы соотношение R11 и  R10 было таким же, как в оригинальной схеме, это вроде сохранило бы степень влияния ООС на режим первого каскада по постоянному току в той же степени. Тестирование усилителя выявило следующую зависимость – увеличение номиналов резисторов цепи ООС с одной стороны, потенциально увеличивает проявления “дрейфа” нуля на выходе усилителя, с другой стороны, поскольку влияние ООС так же возрастает, то видимых изменений величины “дрейфа” не наблюдается. Поскольку в моем варианте усилителя выходные транзисторы работают в весьма щадящем тепловом режиме при токе покоя, далеком от  максимального паспортного значения – особого дрейфа нуля не наблюдается и при “старых” номиналах резисторов ООС. Я принял решение оставить их практически без изменений.

О надежности конструкции.

Как усилитель для наушников конструкция имеет очень хороший запас прочности, спокойно переносит замыкание выхода на “общий” и долговременную работу на короткозамкнутую нагрузку. В качестве “теста на выносливость” я примерно 30 минут “слушал” усилитель практически на полной мощности, закоротив его выход пинцетом. Пинцет нагрелся, а с усилителем ничего не случилось 🙂 При включении усилителя во время установления напряжения питания на выходе возможно проявление некоторых слышимых “звуковых артефактов”, но уровень их невелик и никакой опасности для нагрузки они не представляют. Поэтому применение дополнительных схем защиты и реле задержки подключения нагрузки в этой конструкции я считаю необязательным.

О Звуке

Звучит усилитель динамично, строго. В целом можно охарактеризовать звучание как очень чистое, ровное, с некоторым акцентом на передний план звуковой сцены – примерно в той же степени, как это наблюдается у ламповых усилителей на пентодах. НЧ – строгие, сдержанные и ооочень глубокие. Черезвычайно высокая детальность, хорошая сцена. В звуке безусловно присутствуют определенный “шарм”  и “порода” :).

Основные технические характеристики V1 –

  • Входное сопротивление = 47 кОм
  • Выходное сопротивление =< 1 Ом
  • Номинальная нагрузка = от 25 (и выше) Ом
  • Номинальное входное напряжение = 0.4V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 1 кОм = 9V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 20 Ом >= 7V RMS
  • Коэффициент усиления ~ 20
  • Полоса воспроизводимых частот, на нагрузке = 20 Ом при выходном напряжении = 0.9 от максимального = 0 Гц (постоянный ток) ….500 кГц.
  • Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц на нагрузке 20 Ом при выходном напряжении = 0.9 от максимального <= 0.5%, в основном 2-я и 3-я гармоники. Уровень третьей гармоники относительно уровня второй <= -10 dB.
  • Время выхода на рабочий режим =< 30 min, это связано установлением теплового обмена в корпусе усилителя.

Выводы и итоги.

Схема Jean Hiraga пожалуй, является лучшим двухтактным аудио усилителем, собранным на дискретных компонентах.  К сожалению, комплиментарность полупроводниковых приборов – весьма приблизительна и дальнейшее развитие так называемых “идей” полупроводниковой схемотехники возможно только с применением операционных усилителей.  За очень редким исключением, линейность дискретных полупроводниковых приборов, как усилителей переменного напряжения без использования ООС – посредственная, принципиально хуже, чем у вакуумных ламп-  тем не менее весьма интересный результат может получиться в гибридных схемах, в каскадах усиления тока.

При наладке схем на транзисторах, у меня часто возникает ощущение, что современная полупроводниковая схемотехника – продукт враждебного инопланетного разума, чуждый истинной природе человека планеты Земля. Тем не менее, я таки сделал один экземпляр “Monster Zen” в качестве “запасного-транзисторного” домашнего усилителя мощности. После завершения этой конструкции мне пришло отчетливое понимание, того что с транзисторами ТОЧНО пора завязывать, то есть придумать что-то лучше, чем Jean Hiraga – я вряд ли смогу 🙂

И еще один вариант, с выходным каскадом на полевых транзисторах:

Апрель 2014                                                                                    г. Владивосток

PS  За прошедший год мне удалось отыскать некоторое количество оригинальных комплектов транзисторов. На них были сделаны два замечательных варианта усилителя –

1. Zen AKG (с увеличенной выходной мощностью и умощненным блоком питания, что позволило усилителю вполне уверенно “раскрыть” такие трудные наушники, как AKG K1000)

2. Zen Monster Balance – полностью балансная конструкция, четыре идентичных усилителя в одном корпусе, счетверенный ступенчатый регулятор уровня на прецезионных резисторах, умощненный блок питания) –

На сегодняшний день (25.09.2018) опыт сборки, наладки и прослушивания различных вариантов усилителя Zen Monster (схема была немного модифицирована до V3) с широким “ассортиментом” наушников позволяет мне со всей уверенностью заявить, что эта конструкция, пожалуй – один из самых лучших (если не самый лучший) полупроводниковый усилитель для изодинамики.  А по эффективности и оптимальности схемотехнического решения – ему нет равных. И это не реклама, а всего лишь малая часть моего глубочайшего уважения к автору этой конструкции – талантливому инженеру Jean Hiraga.

Вариации Zen

За последнюю пару лет было собрано несколько модификаций усилителя Zen – Zen-V, Zen-LCD, Power Zen и даже Hybrid Zen 🙂 Я принял решение не посвящать отдельные статьи каждому из вариантов, а только коротко остановиться на их особенностях. Эти усилители можно разделить на две группы-

Первая, основой которой является усилитель Penultimate Zen от Nelson Pass и вторая – более или менее самостоятельная разработка – двухкаскадный усилитель без ООС, первым каскадом которого является усилитель напряжения (транзисторный или ламповый), а вторым – усилитель тока.

Основной усилитель из первой группы (Zen-V) был довольно подробно рассмотрен ранее. На сегодняшний день в схему внесено только одно изменение – убрана цепь подстройки тока покоя. Слабым местом этой схемы является сравнительно низкое входное сопротивление и узкая полоса в ВЧ области. От этих недостатков свободна схема Zen-LCD.  (Схема –Zen_LCD_002, Блок питания –Zen_LCD_003 )  За основу было взято аналогичное решение, предложенное Nelson Pass. Как видно, в усилитель добавлен входной каскад- повторитель и оба каскада охвачены петлей ООС по напряжению. Введение ООС позволило расширить полосу полной мощности в области ВЧ примерно до 100 кГц и снизило коэффициент гармоник примерно до 0.1%. Звучание усилителя приобрело “строгость и сдержанность”. Пожалуй можно сказать что духовно эта конструкция ближе к Конфуцианству, чем к Дзен-Буддизму 🙂 Эта версия является последней в первой группе.

Основа усилителя из второй группы- обычная схема “из учебника”.Zen_Power_002

Варианты этого усилителя отличаются только “архитектурой” первого каскада- “типовой” усилитель с резистивной нагрузкой (Схема –Zen_Power_004), каскодная схема (Схема- Zen_Power_005) или усилительный каскад на лампе, с трансформаторной или емкостной связью между каскадами (Схема с емкостной связью- Hybrid_Zen_001).

Каждая из “Вариаций Zen” имеет свой особый звук, лично мне больше нравится гибридная конструкция.

На фото – различные варианты оформления усилителей Zen.

Двухблочный Zen Hybrid (версия 2014 года):

Принципиальная схема, окончательный вариант может отличаться в несущественных деталях — Hybrid_Zen_PS_DR Hybrid_Zen_PS_OP

Одноблочный “мощный” (2x25W) Zen Hybrid (версия 08.2015) с выходным каскадом на биполярных транзисторах:

Теперь, по прошествии определенного времен – после сборки, настройки и прослушивания многочисленных “Вариаций Zen”  я, пожалуй, уже могу сделать предварительный вывод о характерных особенностях, достоинствах и недостатках звучания ламповых и транзисторных усилителей. Да, можно сделать универсальный транзисторный усилитель который звучит очень хорошо – пластично, музыкально и в тоже время ясно, динамично объемно и с черезвычайно высоким разрешением. Но – специализированный ламповый все равно звучит лучше :). Все-таки душа звука – в лампах. Хорошим “полукомпромиссным” решением является гибридный усилитель с архитектурой- усилитель напряжения + усилитель тока, без общей ООС. Ламповая и транзисторная “части” такого усилителя, по моему мнению, обязательно должны иметь раздельные источники питания.

Так же я должен заметить, что в последнее время из “Поднебесной” накатился  просто таки “девятый вал” весьма посредственных конструкций лаповых усилителей, фактически профанирующих идею и смысл лампового звука. Безусловно, любой из “транзисторников”  линейки Zen будет на две головы выше такого “лампового новодела”.

май 2012- май 2013 гг                                                                  г.Владивосток

Усилитель Zen V. Версия 10.12 (почти окончательная)

Как и обещал, привожу окончательный (как оказалось позже, “почти” окончательный) вариант схемы усилителя Zen-V. Zen_V_Schem_10_12_001 От опубликованного ранее варианта эта схема отличается увеличенным до 24V напряжением источника питания и увеличенным до 550 mA  на канал током покоя, добавленным в схему фильтром питания и измененными номиналами нескольких резисторов и конденсаторов. Необходимость в фильтре питания выяснилась по мере накопления опыта эксплуатации усилителя с различными моделями наушников – на низкоомных высокочувствительных наушниках иногда в паузах был заметен фон (подробнее см. ниже). Простейшая схема фильтра на полевом транзисторе решила эту проблему, дополнительно обеспечивая плавное нарастание напряжения на выходе усилителя при его включении. Увеличение тока покоя одновременно улучшило стабильность работы усилителя на низкоомную нагрузку и расширило полосу в области ВЧ на “большом” сигнале до 25 кГц. На мой взгляд, этот вариант схемы оптимален и дальнейшее ее усложнение не имеет особого смысла.

Уровень Фона в усилителях Zen и Звуковоспроизведение.

Однотактные полупроводниковые усилители Zen, как и их ламповые «братья» в силу особенностей схемотехники обладают уровнем фона, нехарактерным для современных транзисторных конструкций. Если в ламповом усилителе небольшой фон воспринимается “естественно“, то в транзисторном усилителе это вызывает повышенный интерес и внимание. Причина в том, что для ощущения «абсолютной тишины» в высокочувствительных наушниках закрытого типа уровень фона усилителя должен быть ниже -70…76 dB, что достижимо только при применении специализированных стабилизаторов напряжения питания. С одной стороны, стабилизаторы уменьшают уровень фона и помех, а с другой – по моему мнению – существенно ухудшают звучание, делая его «стерильным» и лишенным живой естественности и динамики. Поэтому напряжение источника питания моих усилителей – не стабилизированное, а снижение уровня пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью многозвенного CRC фильтра и дополнительного активного электронного фильтра на полевом транзисторе. Это решение позволяет получить уровень фона пульсаций примерно – 63…-70dB с сохранением естественного, живого и динамичного звучания усилителя. Такое значение уровня фона ниже, чем в аналогичных ламповых конструкциях, малозаметно на слух и, на мой взгляд, совершенно не мешает и не отвлекает от прослушивания музыки. Более того, уровень шума мастер-лент многих фонограмм выше этого значения.

Тем не менее, при ночном прослушивании музыки в высокочувствительных низкоомных наушниках закрытого типа фон может быть заметен. Если вы приверженец современной «цифровой тишины» в паузах между треками, то установка обычного линейного стабилизатора питания на интегральной микросхеме LT1084 позволяет получить желаемое. Но, на мой взгляд – за счет некоторого ухудшения звука.

Замечания по конструкции источника питания для усилителя Zen.

Для минимизации коммутационных помех, наводок и пульсаций в случае применения тороидальных трансформаторов в блоке питания усилителя Zen необходимо соблюдать следующее.

1. Более внимательно отнестись к расположению трансформатора в корпусе усилителя. Наводки на сигнальные цепи будут минимальны, если трансформатор расположен  перпендикулярно плоскости плат усилителя (например, закреплен на задней или боковой стенке корпуса) и (или) установлен в металлический экран. Желательно, чтобы трансформатор конструктивно был выполнен  с межобмоточным экраном.

2. Выпрямитель должен быть выполнен на диодах Шоттки (в случае применения обычных диодов желательно использовать “снабберы” (гасящие помехи RC цепи параллельно диодам). Снабберы действительно гасят помехи. Первый конденсатор фильтра блока питания должен быть небольшим. Его можно выбрать исходя из известного инженерного постулата – 1000 мкФ на 1A потребляемого тока. Далее следует установить RCRC фильтр, например такой -1.5 Ом 6800 мкФ 1 Ом 6800 мкФ  После RCRC фильтра – фильтр на полевом или биполярном транзисторе или стабилизатор напряжения. При соблюдении этих условий уровень пульсаций, наводок и помех на выходе усилителя составит ниже -65 dB.

3. Тороидальный или “обычный”, Ш-образный трансформатор питания. Тороидальные трансформаторы необходимой мощности в настоящее время более распространены. К сожалению, ввиду особенностей нашей питающей сети, без применения особых мер многие достоинства тороидальных трансформаторов оборачиваются их недостатками. В частности, более плотная, по сравнению с Ш-образным, “упаковка” материала сердечника приводит и к более “легкому” возникновению искажений формы тока при кратковременном насыщении материала сердечника. Это возможно при высоком уровне гармоник в питающей сети (“типовое” значение коэффициента гармоник “домашней” сети 220 Вольт – около 10%) или при неверно (точнее-  “оптимистично” :)) спроектированном выпрямителе и фильтре блока питания. Поэтому хорошее правило при выборе тороидального трансформатора для питания усилителя  – обеспечьте как минимум трехкратный запас по мощности. Применение для питания домашней музыкальной системы как минимум сетевых фильтров, а лучше сетевых “кондиционеров и стабилизаторов питания” – обязательно.

Традиционный трансформатор с “Ш” образным сердечником, если его обмотки выполнены верно, во многом свободен от недостатков тороидальных собратьев – из-за наличия технологического зазора такой трансформатор в насыщение входит “труднее”, гармоники сети переносит легче, уровень паразитных помех на выходе выпрямителя с таким трансформатором получается ниже. Недостатка два – габариты и узкий ассортимент.

Трансформаторы питания с ленточными сердечниками (“подковами”) на мой взгляд, удачно сочетают в себе все недостатки тороидальных и Ш-образных собратьев. 🙂

Усилитель ZEN V для наушников класса HD800 и LCD3

Примерно с год тому назад на форумах сайтов audioportal.su и doctorhead.ru довольно интенсивно обсуждался вопрос качественного и сравнительно компактного универсального усилителя для наушников. Собственно, необходимость в таком усилителе возникала с выходом двух уникальных по своим техническим характеристикам моделей наушников – динамических Sennheiser HD-800 и изодинамических LCD-3

 

Основная проблема заключалась в том, что фактически ни один из широко распространенных серийно выпускаемых транзисторных усилителей не обеспечивал этим наушниками звучания, хотя бы сравнимого по качеству со звучанием специализированного лампового усилителя (см http://easytubeamp.com/?p=449).  Известный на doctorhead форумчанин SharapOFF, проводя различные коммутационные эксперименты 🙂 обнаружил, что один из предусилителей Aleph (от Pass Labs) удивительно ясно и музыкально играет с выхода на наушники, хотя и уровень выходного сигнала был недостаточен. Так и возникла идея о создании транзисторного усилителя по топологии Zen, специально ориентированного для работы со “сложными”  наушниками.  За основу была взята схема Zen V4 (Penultimate Zen), режимы пересчитаны исходя из требований к нагрузке. В ходе отладки было собрано три версии усилителя, схема и описание третьей версии представлены ниже.

1. Схема усилителя.

На рисунках представлены блок схема и схема блока коммутации усилителя, принципиальные схемы буферного усилителя мониторного выхода, блока питания и усилителя мощности.  Для наглядности на схемах показан только один канал.

Усилитель имеет три входа – один с разъемом RCA-типа (Вход 1) и два с разъемами XLR-типа (Вход 2 и Вход 3). Вход 2 преобразует входной балансный сигнал в SE при помощи трансформаторного преобразователя. Преобразователь выполнен на специализированном трансформаторе Jensen JT-11P. RC цепочка R3C3 необходима для шунтирования вторичной обмотки, что линеаризует АЧХ трансформатора в области ВЧ. Цепочка R1C1  и переключатель S1 служат для коммутации экрана входного кабеля на корпус усилителя по постоянному или по переменному току (это позволяет «разомкнуть» возможную земляную «петлю»), его положение выбирается по минимуму слышимого фона и наводок.

Вход 3  коммутирует входной балансный сигнал в SE стандартным образом – в качестве сигнального применяется пин «+», в качестве общего – пин «-». Этот вход так же снабжен переключателем-коммутатором экрана входного кабеля (S2).

Выбор входа осуществляется переключателем S3, в качестве которого применен прецизионный коммутатор DACT. Положения 1,2,3 соответствуют номеру выбранного входа, положение 4 размыкает цепь сигнала и замыкает вход усилителя на общий (режим “MUTE”). С выхода коммутатора входов сигнал поступает на буферный усилитель мониторного выхода и на регуляторы баланса и громкости.

Буферный усилитель выполнен на cдвоенном скоростном операционном усилителе AD827, включенным по схеме повторителя с однополярным питанием.  Буферный усилитель позволяет снизить взаимовлияние устройств, подключенных к мониторному выходу и входам и развязывает их по постоянному току.

Регуляторы баланса и громкости выполнены на прецизионных ступенчатых резистивных аттеньюаторах DACT. С регуляторов сигнал поступает на вход усилителя мощности.

Усилитель мощности выполнен по однотактной схеме, на полевом транзисторе Q2, включенным с общим истоком. В качестве нагрузки применен «следящий» источник тока на транзисторах Q1, Q3. Каcкад работает в классе A, резистором R13 задается начальный ток покоя каскада (350…400 mA). Элементы следящей связи R6,R8,C5 обеспечивают подстройку тока каскада в зависимости от амплитуды сигнала на выходе. Введение «следящей связи» позволило существенно снизить выходное сопротивление каскада и увеличить максимальный размах напряжения на нагрузке. Резистором R2 устанавливают рабочую точку каскада по напряжению таким образом, чтобы обеспечивалось симметричное ограничение выходного сигнала максимальной амплитуды.

Выбранные режимы обеспечивают размах выходного напряжения усилителя 5.5V RMS на нагрузке 30 Ом. При этом спектр искажений усилителя при изменении амплитуды сигнала спадает и нарастает равномерно и ограничивается 4-й гармоникой, аналогично спектру искажений высококачественных однотактных усилителей на лампах. В цепях питания и в качестве разделительного С2 применены конденсаторы Panasonic FC. Конденсатор С2 дополнительно зашунтирован высококачественным пленочным конденсатором С3 марки Jentzen.

Блок питания усилителя особенностей не имеет. Левый и правый каналы усилителя мощности питаются от отдельных выпрямителей. Буферный усилитель питается от выпрямителя правого канала. Светодиод индикации включения усилителя питается от выпрямителя левого канала. В качестве выпрямителей применены мощные быстрые диоды Шоттки 1N5819, в качестве фильтрующих конденсаторов – Panasonic FM.   Средний вывод сетевой розетки соединен с корпусом усилителя.

Из-за сравнительно высокого тока покоя усилитель выходит на рабочий температурный режим в примерно через 30-40 минут после включения, после чего звучание усилителя стабилизируется.

2. Управление и коммутация.

На передней панели усилителя слева направо размещены:

  • Два разъема для подключения телефонов, разъемы идентичны и могут быть использованы как для совместного, так и для раздельного подключения как высокоомных (>150 Ом), так и низкоомных (20…150 Ом) телефонов.
  • Переключатель-селектор входов на 4 положения. Положение «1» соответствует первому входу (RCA), положения «2» и «3» соответсвуют XLR входам, положение «4» отключет вход усилителя мощности от источника сигнала и замыкает его на общий (режим «MUTE»).
  • Регулятор баланса,
  • Регулятор громкости.

На задней панели усилителя расположены –

  • Вход № 1 (RCA) – правый канал (красный) – нижний, левый (белый) – верхний.
  • Bход № 2 (XLR) – правый канал нижний, левый – верхний. Вход №2 снабжен трансформаторным преобразователем балансного сигнала в небалансный. Переключатель, расположенный рядом с входом, коммутирует экран соединительного кабеля на корпус усилителя. Положение переключателя выбирается по минимуму слышимых наводок.
  • Вход № 3 (XLR) – правый канал нижний, левый – верхний. Вход № 3 предназначен для подключения современных балансных источников, которые допускают использования сигнала «-» в качестве общего. Этот вход так же снабжен переключателем-коммутатором экрана соединительного кабеля.
  • Выход (RCA) (расположен по центру задней панели) –  правый канал (красный) – нижний, левый (белый) – верхний. Буферизированный контрольный выход, уровень сигнала на нем равен входному. Регуляторы громкости и баланса на контрольный выход не действуют.
  • Разъем подключения сети (220 Вольт) и предохранитель. Центральный вывод сетевого разъема подключен к корпусу усилителя.

3. Основные технические характеристики 

  • Номинальный уровень входного сигнала = 1V Rms
  • Входное сопротивление, не менее = 50 кОм
  • Максимальный уровень выходного сигнала на нагрузке 300 Ом (@1000Hz) = 6.3V Rms
  • Максимальный уровень выходного сигнала на нагрузке 30 Ом (@1000Hz) = 5.5V Rms (Примечание 1 – под «максимальным» понимается уровень, при котором на экране осциллографа ограничение синусоидального сигнала становится едва заметным)
  • Выходное сопротивление (максимальное значение) @ 1000Hz = 0.5 Ом
  • Неравномерность АЧХ при уровне выходного сигнала -10dB от максимального в полосе частот 10Гц…20кГц = не более +- 1 dB.
  • Общий коэффициент гармоник при выходной мощности – 10dB от номинальной = менее 0.5%,  2-я и 4-я гармоники. (Примечание 2 – Усилитель имеет очень ограниченный спектр искажений, преимущественно четные гармоники. При изменении амплитуды выходного сигнала спектр гармоник остается плавноспадающим и плавнонарастающим, с мягким клиппингом, характерным для усилителей, работающих в классе А без ООС).

4. Благодарности

Выражаю огромную благодарность Маеву Сергею Владимировичу (г. Санкт-Петербург) за возможность разработать и изготовить для него эту конструкцию, а так же за продуктивное обсуждение технических деталей. Выражаю надежду, что этот усилитель будет радовать его своим звучанием на протяжении многих лет.

Так же выражаю благодарность талантливейшему инженеру и замечательному, открытому к общению и доброжелательному человеку Nelson Pass, который уже много лет вдохновляет и направляет тысячи аудиоэнтузиастов и разработчиков аппаратуры.

И еще один вариант, собранный недавно для Столярова Максима Анатольевича, г. Горловка, Украина. Большое спасибо за заказ.

Сентябрь 2011- Июнь 2012 года                                                г. Владивосток

PS По многочисленным просьбам 🙂 привожу самый последний вариант однокаскадного усилителя Zen -V  Zen_V_final_11_12.

Комментарии  — Ток покоя выбирается при сборке усилителя и не подстраивается, на практике в этом нет необходимости. Его настройку производят  выбором номинала R6, ток покоя считается как 0.7/R6, где 0.7V – это напряжение “открывания” VT4.  R6 можно выбрать в пределах 1.3…1.5 Ом, ток покоя при этом будет  460…540 mA. R6 удобно составить из двух параллельно соединенных резисторов номиналом 2.7…3Ом мощностью 2 Вт.  Резистором R2 подстраивают “симметрию” ограничения сигнала на выходе усилителя. В зависимости от напряжения источника питания возможно дополнительно потребуется подстройка резистора R3.

Для этого усилителя я рекомендую строить выпрямитель блока питания по схеме со средней точкой вторичной обмотки (на двух диодах), трансформатор должен иметь две идентичное обмотки (или одну обмотку с отводом от середины), например  20+20, 22+22, 24+24 Вольт при максимальном токе нагрузке не менее 3…5А.  В последней версии усилителя я применяю трансформаторы мощностью 220VA. Фильтр CRCRС, первая емкость = 2200 мкФ, резистор 0.5 Ом 5W, вторая емкость 10000 мкФ, резистор 0.5 Ом 5W, третья емкость 47000 мкФ. Минусовые обкладки конденсаторов объединены медной шиной круглого сечения диаметром 2мм. Шина соединена с металлическим корпусом усилителя через RС цепь R15C10.  Для высококачественных усилителей для наушников такая организация источника питания – необходимость.

Каналы усилителя собраны на отдельных платах. Питание и общий подводятся на каждый канал отдельными проводами. Общие с выходов каналов объединяются на разъеме для наушников.
Транзисторы VT1,VT2,VT3 каждого из каналов установлены на боковых стенках металлического корпуса усилителя, размер которых 80x330x5 мм. При работе стенки корпуса нагреваются примерно до +45 градусов, это нормальная  температура. Транзисторы следует устанавливать через слюдяные или керамические прокладки, обязательно с применением термопасты. Силиконовые прокладки использовать крайне нежелательно.

Ноябрь 2012                                                                                      г.Владивосток