Навигация по сайту Моя кладовка

Предварительный усилитель для сабвуфера с корректором Линквица

Предусилитель для сабвуфера фильтр для сабвуфера

Я хорошенько переделал плату и теперь она стала гораздо лучше: новая улучшенная плата для предусилителя.

 

Для активного саба нужен предусилитель, выполняющий множество функций. Это:

Из всех этих устройств не всегда используется только корректор Линквица, который очень полезен для акустического оформления типа "закрытый ящик" (хотя есть еще вариант настроить фазоинвертор на частоту, намного ниже оптимального значения, а образовавшийся спад АЧХ скорректировать, но это пока не формализовано никак и расчетов никаких нет). Описание корректора (трансформатора) Линквица, программа для его расчета и то, как ею пользоваться - в статье "Профессиональный" расчет корректора Линквица (Linkwitz transform).

Блок-схема усилителя показана на рис. 1 (немного нестандартным образом, но понятно).

Рис.1. Блок-схема предусилителя

Взаимное расположение блоков может быть любым, т.к. перегрузочная способность операционных усилителей довольно велика. Но все равно, лучше сначала по возможности обрезать все лишнее, а потом поднимать уровень корректором Линквица (в зависимости от исходных данных, он может поднимать усиление на НЧ раз в десять и более, поэтому заранее подавив ненужные низкие, мы избежим всяческих перегрузок наверняка).

Файл со схемой: предварительный усилитель для сабвуфера (файл .pdf около 170 кБ), разводка печатной платы - в конце статьи. Теперь рассмотрим эту схему поблочно и подробно. Начнем с того, что нумерация блоков не совпадает с их порядком появления на схеме. Я пошел на это после долгих раздумий и скрепя сердце. Дело в том, что в упомянутом мною расчете корректора Линквица уже нарисована схема корректора и сабсоник-фильтра, причем там производится ее расчет и всяческая оценка работы. Поэтому я сохранил эти две схемы точь-в-точь, вплоть до нумерации элементов (там на схеме есть еще другие блоки, но все остальное я сделал по-своему, в некоторых местах лучше, чем там). А по той нумерации это были блоки номер 2 и 3. И у меня они сохранили те же номера.

Многие сабвуферы, продающиеся в магазинах, имеют нижнюю рабочую частоту 40, а то и 50 Гц. Это не сабвуфер. Это - недоразумение. Ведь 50 Гц могут воспроизвести обычные колонки! Я не скажу, что они от этого будут в восторге, но тем не менее. Нижняя граница настоящего саба должна быть менее 30 Гц. Хорошего 20 Гц. Можно играть и еще ниже - это будет только лучше. Не будем об этом спорить - я излагаю свое мнение, которое взялось отнюдь не на пустом месте. На мой взгляд нижняя граничная частота должна лежать в пределах 15...20 Гц. Из этого я и буду исходить (кому не нравится - описываемая схема позволяет сделать саб даже с частотным диапазоном от 70 до 160 Гц! Творите на здоровье!). Верхняя частота должна быть порядка 80 Гц (в некоторых случаях такое значение является стандартным). Но в данном предусилителе верхняя частота равна примерно 160 Гц - на всякий пожарный случай.

 

Первый блок - входной усилитель.

Он имеет 2 типа входов - линейный и высокого уровня (колоночный). Входов каждого типа два - для левого и правого каналов соответственно. Входное сопротивление по каждому входу 47 кОм. Линейные входы на схеме обозначены как in L и in R, а колоночные как Hi L и Hi R.

Коэффициент усиления по линейному входу:

Ку лин = 2 * R107 / R101 = 2 * 2,5 = 5

Множитель2 появляется потому, что сигналы 2-х каналов суммируются (а басы обычно разводят в центр стереопанорамы), поступая в сабвуфер с обоих каналов.

Коэффициент усиления по входам высокого уровня:

Ку ву = 2 * R107 / R103 = 2 * 0,15 = 0,3 (т.е. сигнал ослабляется в 3 раза)

В любом случае коэффициент усиления можно менять, причем лучше сначала пытаться изменить R107, а потом уже и R103 и R104. R101 и R102 менять можно, но они должны оставаться в пределах 27...75 кОм, иначе или можем перегрузить выход источника малым сопротивлением, или нахватать помех по входу.

Коэффициент усиления - эта именно та штука, которая устанавливается индивидуально. Он зависит от чувствительности усилителя мощности сабвуфера, усиления коректора Линквица и уровней входных сигналов (линейном и/или колоночном). Можно не бояться сделать коэффициент усиления раз в 5...7 больше, чем нужно - регулятор уровня может ослабить сигнал почти в 50 раз (поэтому даже хорошо иметь некоторый запас по усилению).

Резисторы R105 и R106 нужны для снижения входного сопротивления, чтобы если высоковольтные входы не используются, то помехи на эти входы не наводились сверх меры.

Я не сторонник колоночных входов - это самое низкое качество звучания - и никогда их не использую. Но для универсальности я их включил в схему. Кому не нужно - можно не использовать, тогда лучше вообще исключить R103 - R106, С103, С104. Или же исключив R105, R106, а R103, R104 сделав равными R101, R102, можно получить 2 пары линейных входов. Например одна пара для ресивера домашнего кинотеатра, а другая - для музыкального стереоусилителя.

Конденсатор С105 совместно с резистором R107 образуют фильтр низких частот (ФНЧ) 1-го порядка, обрезающий частоты выше 400 Гц. Он обеспечивает начальную фильтрацию сигнала, "отрезая" все "несабовские" частоты. Для других значений R107, емкость конденсатора вычисляется по приведенной формуле. Частоту среза можно снизить, увеличив емкость конденсатора. Но увлекаться этим не стОит - все равно есть еще один фильтр. Емкость при этом увеличиваем не более чем в 2 раза (тем самым частота снижается вдвое), если частоту среза снизить еще, станет заметно влияние фильтра на сигнал (сдвиг фазы).

Входные конденсаторы С101-С104 обрезают частоты ниже 3,5 Гц. Это вполне безобидное значение, и влияние конденсаторов на сигнал незаметно. Увеличивать их емкость нет особого смысла, а вот уменьшить при желании можно, но не более чем в два раза - ведь мы хотим сделать хороший сабвуфер, играющий от 15...20 Гц, поэтому с обрезанием низких нужно быть осторожным - еще нарежемся!

Что делать, если у источника (например ресивера) есть специальный выход на сабвуфер? Элементарно - подключаем его к одному из каналов линейного входа. А лишние детали можно не впаивать!

 

Следующий блок: фильтр инфранизких частот (ИНЧ) - сабсоник.

Это фильтр 2-го порядка. Он не всем нравится - есть ряд высказываний, что он "звучит" хуже, чем фильтр 1-го порядка. Я с таким мнением категорически не согласен! Вот мои аргументы (не строго сформулированные, для "широкого круга"):

  1. Фильтр настроен на частоту 10...15 Гц, которую мы наверняка не слышим, что там может "не звучать"? А на более высоких (20-30 Гц) он уже и не влияет.
  2. Частота среза фильтра ниже рабочей частоты динамика, поэтому снижение качества звучания динамика на нерабочих частотах перекрывает "вред" фильтра. На самом деле все наоборот - фильтр обрезает именно те самые частоты, на которых качество звучания динамика плохое.
  3. У нас в схеме стоИт корректор Линквица, который "задирает" низкие частоты, поэтому фильтр 1-го порядка всего лишь скомпенсирует этот подъем на НЧ, т.е. "вернет все на исходную". И только 2-й порядок (и выше) способен создать спад АЧХ на инфранизких частотах.
  4. Хорошо бы снизить не только АЧХ по напряжению на динамике, но и снизить смещение диффузора динамика на нерабочих частотах. А смещение имеет такое свойство, что при линейной АЧХ по напряжению, оно (смещение) растет пропорционально уменьшению частоты. Так что, для того, чтобы уменьшать смещение, нужно повышать порядок фильтра.

 

Посчитаем его. Итак, увеличиваем порядок сабсоника и наблюдаем за результатом:

  1. Компенсирует подъем, вызванный корректором Линквица и выравнивает АЧХ по напряжению. Ход диффузора растет пропорционально снижению частоты.
  2. Создает спад АЧХ на низких. Величина хода диффузора от частоты не зависит, но может вызвать перегрузку динамика по линейному ходу.
  3. Спад электрической АЧХ на низких составляет 12 дБ/октава (с учетом корректора Л.). Ход диффузора уменьшается пропорционально частоте в нерабочем диапазоне частот.

Итак, какой порядок лучше всего? Выходит 3-й?! А у нас только второй. Но это тоже неплохо, потому что есть блок, в котором мы еще слегка пофильтруем, и получится то что надо. А на самых низких еще и входные конденсаторы (С101-С104) помогут.

Почему на схеме нет номиналов? А они получаются из расчета корректора Линквица !

Если по файлу расчета счтать трудно, то можно воспользоваться упрощенным методом. Он упрощен в том, что добротность фильтра фиксирована Q=0,7. Это фильтр Баттерворта. Его рассчитать просто:

1. Задаемся частотй среза фильтра - это самая низкая частота, которую должен воспроизводить сабвуфер (точнее, к сабу будет подводиться сигнал начиная с этой частоты, а сыграет ее саб, или нет - это его проблемы).

2. Задаемся емкостью конденсаторов, емкость выбираем из таких значений: С201 = С202 = 0,22 мкФ или 0,33 мкФ или 0,47 мкФ или 0,68 мкФ.

3. По графику зная частоту и емкость находим значение сопртивления резистора R201

4. R202 = 2 * R201 (т.е. R202 в два раза больше, чем R201).

Емкость лучше выбирать такой, чтобы оба сопротивления (R201 и R202) лежали в диапазоне 20...80 кОм.

 

Третий по счету - регулятор уровня.

Ну, это элементарный повторитель. Несколько "хитростей":

  • Резистор R401 не дает установить регулятором нулевую громкость (пределы регулировки уровня 45...50 раз в зависимости от разброса сопротивлений). Это сделано намеренно - кому нужна нулевая громкость? Тогда уж проще выключить. Зато никогда не покажется, что "саб не работает" от установки этого регулятора "в ноль".
  • Резистор R402 нужен для того, чтобы при отсутствии потенциометра Р401 вход ОУ ОР2.1 не "висел в воздухе" (при этом его потенциал неопределен, и все окрестные помехи слетаются как мухи на мед). То же самое может произойти при случайном пропадании контакта движка потенциометра Р401 с дорожкой. Поэтому исключать R402 нельзя (если в каком-то устройстве при вращении ручки громкости вы слышыте противный треск в колонках, будьте уверены - такого резистора в той схеме нет!).
  • С401 - это тот самый дополнительный порядок сабсоника, о котором я говорил. Его частота среза должна быть раза в 2...3 ниже частоты основного сабсоника. Таким образом достигается компромисс между низким порядком (и приемлимым сдвигом фазы) и качественной фильтрацией. При номиналах, указанных на схеме, частота его среза около 5 Гц.

 

Итак, кроме штатного ИНЧ фильтра у нас еще два дополнительных бастиона входные конденсаторы, и С401. В чем разница? А в том, что полной уверенности во входных конденсаторах нет - их работа зависит от той цепи, к которой они подключены. А кто его знает, то будет там на выходе источника сигнала? Поэтому-то я и сделал их частоту такой низкой - чтобы они ни при каких обстоятельствах не повлияли на работу системы. А вот С401 находится внутри, все чужие влияния нам известны, и мы можем с уверенностью использовать его для фильтрации. Или не использовать, если вас пугают высокие порядки фильтра. Для себя я его еще не считал, поэтому задал самое "безопасное" значение.

 

Дальше идет, собственно, сам корректор.

О нем писать практически нечего - почитайте о том, как правильно, точно и просто рассчитать корректор: "Профессиональный" расчет корректора Линквица (Linkwitz transform) и статью О сабвуферах, глубоких басах и корректоре Линквица, где рассказывается о корректоре Линквитца, зачем он нужен, как работает и как его правильно использовать. Заодно произведете его расчет, и все значения резисторов и конденсаторов станут известны.

Нумерация элементов на схеме совпадает с нумерацией в файле расчета, поэтому никаких номиналов я не указываю - у каждого они будут свои.

Особо нужно сказать только о конденсаторе Сх. Он не входит в сам корректор, а служит для улучшения устойчивости цепи, являясь опять-таки фильтром НЧ (т.е. НЧ он как раз пропускает, обрезая высокие где-то на уровне 3 кГц). Его исключать из схемы я очень не рекомендую даже в случае применения хорошего качественного ОУ - от него кроме пользы, никакого другого вреда нет.

Если кто будет повторять такой фильтр для обычных колонок (чтобы расширить их диапазон вниз), то емкость нужно уменьшить раз в 8 от значения, вычисленного по формуле.

Поскольку значение Сх зависит от сопротивления R301, то управляя последним, можно получить нужное значение Сх. Для чего нужное? С одной стороны, Сх не должно быть меньше 47 пФ - иначе оно станет соизмеримым с емкостью монтажа, и не будет влиять на цепь. А вот неизвестно какая емкость монтажа на цепь повлияет, только неизвестно как. С другой стороны, здравый смысл рекомендует ограничить Сх значением не более 2000...3000 пФ.

Итак, если получается, что значение Сх, расчитанное по формуле, лежит в пределах 47...3000 пФ, то все в порядке (оптимальный диапазон 100...1000 пФ). Если в заданный диапазон не попадаем, то нужно пересчитать номиналы элементов корректора Линквица так, чтобы Сх оказалось в нужном диапазоне.

 

Предпоследний блок: ФНЧ-кроссовер, задающий верхнюю границу диапазона воспроизводимых частот.

Это обычный ФНЧ 2-го порядка с характеристикой Бесселя. Частота его среза от 40 до 160 Гц при максимальном и минимальном сопротивлении потенциометра Р501 соответственно. Этот потенциометр должен иметь линейную зависимость сопротивления от угла поворота.

Почему выбрана аппроксимация именно по Бесселю? Да, такой фильтр дает самый плавный (наименее крутой) излом АЧХ, зато у него и самая лучшая фазовая характеристика. Частота среза этого фильтра определяет согласование сабвуфера с остальными колонками в системе, так что более плавный спад АЧХ и хорошая ФЧХ очень даже нам на руку.

Резистор R503 (как и R402) задает нулевой потенциал по постоянному току на входе ОУ ОР3.1 независимо от того, что там происходит с регулятором Р501.

 

И, наконец, регулятор фазы.

Я долго выбирал между плавным регулятором и фиксированным, но все же предпочтение отдал последнему. С одной стороны плавный регулятор вроде бы позволяет выставить фазу точь-в-точь, но это только на первый взгляд. У плавного регулятора сдвиг фазы зависит от частоты. На рисунке слева каждая линия соответствует определенному положению ручки регулятора. И какой же сдвиг фаз получается в каждом ее положении? Например "в зеленом" от 50 до 125 градусов в рабочем диапазоне частот.

Таким образом получается, что пытаясь сделать "более точный" плавный регулятор на деле получаем новый головняк - ведь теперь правильно настроить фазу станет еще сложнее - на разных частотах она разная и у сабвуфера, и у регулятора фазы (т.е. в домашних условиях настройка невозможна без специального оборудования, обычной в таких случаях бутылкой не обойдешься!). То есть к неизвестно какой ФЧХ (по звуковому давлению) сабвуфера прибавится неизвестно какая (но не линейная - это точно) ФЧХ корректора.

На самом деле, у плавного регулятора преимущество все же есть: если изначально знать ФЧХ сабвуфера, то можно спроектировать регулятор таким образом, чтобу его ФЧХ компенсировало сабовскую. Тогда получается "два в одном" - и регулятор, и компенсатор!

Почему я не привожу здесь такую схему - да потому, что мне неизвестна ФЧХ сабвуфера! А в фиксированном регуляторе фаза сигнала от частоты совершенно не зависит (я имею ввиду только блок регулятора фазы, фильтры-то крутят фазу дружно и весело, и корректор Линквица вместе с ними). Он устроен очень просто - есть инвертор, и мы снимаем сигнал или с его входа, или с его выхода.

Внимание! Правый по схеме вывод переключателя (соединенный с С601) на печатной плате расположен посередине между левыми по схеме выводами. Провода, идущие к переключателю, могут "ловить" помехи, поэтому их желательно делать максимально короткими.

Кстати, если предусилитель установлен в сабвуфере близко с усилителем мощности (и намертво к нему подключен), и у мощника вход закрытый (т.е. имеется входной конденсатор), то элементы С601, R603, R604 не нужны.

 

Конструкция и детали.

Печатная плата устройства находится в архиве: предварительный усилитель для сабвуфера с корректором Линквица (около 30 кбайт в архиве ZIP). Она выполнена с помощью программы Sprint-Layout v. 4.0, которую легко найти в Интернете. Разводка платы хорошая, но не суперская в плане экономии места.

желтой линией обозначен провод в изоляции, припаиваемый на плату со стороны печатных проводников.

Я не использовал SMD компонентов (я и сам их паять не люблю, и друзьям не пожелаю!), и не старался сильно уплотнить монтаж. Зато она доступна для изготовления начинающим (а зубры для себя и схему сами разработают, и печатку разведут!). Широкие проводники кроме малого сопротивления, имеют также свойство, что не отслаиваются от платы при перегреве. Только паяйте осторожно, чтобы не коротнуть между дорожками мостиком из припоя!

Операционники - в принципе любые сдвоенные ОУ широкого применения зарубежного производства. Их много разных (4558, 4560, 4580 и т.п.), причем совсем не обязательны быстродействующие и высококачественные. Хотя наверняка ОРА2134 будет работать лучше, я не думаю, что разница будет очень заметна. Но себе я планирую именно эту микросхему.

Если какие-то из этих блоков не нужны - можно их и не запаивать, а отсутствующий блок заменить перемычкой на плате.

Иногда спрашивают, почему для подключения потенциометра регулировки частоты среза ФНЧ предусмотрено 4 контакта, если у потенциометра 3 вывода, а поскольку используется сдвоенный потенциометр, то выводов получается 6? Дело в том, что потенциометр включается реостатом, и реально используются только один средний и один крайний выводы у каждого. Итого по два вывода. Для лучшей работы, неиспользуемый крайний вывод переменника подключается к среднему:

Учтите, что на рисунке справа вверху вид на переменник со стороны оси (ручки) управления. Тогда при вращении ручки вправо, частота среза фильтра растет. Провода, идущие к этому потенциометру (точнее, реостату), хорошо бы попарно свить (на рисунке красный с красным а синий с синим) и не делать их длинными - они могут ловить помехи.

Чем питаемся?

Это больной вопрос. Для питания блока нужен двухполярный источник +-12...15 вольт на ток 30-50 мА. Если блок выполнен в виде приставки или какого-то отдельного преда (а в таком виде он тоже возможен), то блок питания можно посмотреть в статье расчет блока питания. Если же предусилитель встраиваем в активный сабвуфер (а в пассивном ему делать нечего), то есть смысл использовать для него источник питания усилителя мощности (нагрузка-то мизерная). Но на этом пути нас могут подстерегать проблемы. Прежде всего измеряем напряжение питания усилителя мощности в режиме покоя (т.е. на вход никакого сигнала не подаем). Если напряжение в каждом плече не превышает 30...35 вольт (ох, вряд ли такое будет - при таком напряжении питания на выходе больше 50...60 Вт не получишь), то все ОК - идем по приведенной выше ссылке и находим там схемы стабилизаторов (на 7815 и 7915, если напряжение питания мощника до 30 вольт, и LM317, LM337 - если до 35 вольт; при этом лучше все-таки брать большие корпуса). Разница будет только в том, что рядом с каждой микросхемой нужно будет установить еще по паре конденсаторов на вход точно также, как они установлены на выходе (конденсаторы С1 и С2 например К73-17, С3 и С4 можно использовать обычные керамические):

А вот если напряжение питания мощника больше 35В (а реально 50, и даже 70), то ситуация становится сложнее - если и существуют микросхемы, работающие на таких напряжениях, то они дороги и труднодоступны. В этом случае на помощь приходят транзисторы, которые вполне способны работать с напряжениями до нескольких тысяч вольт! Вот простейший параметрический стабилизатор с усилителем тока:

Схема проста и абсолютно достаточна для питания этого предварительного усилителя. Зато и 100 вольтный источник для нее не проблема! Главное выбирать транзисторы с максимально допустимым напряжением коллектор-эмиттер, равным напряжению питания усилителя мощности (точнее чуть большим). Мощность, рассеиваемая на каждом транзисторе 1,5-3 Вт, поэтому их нужно размещать на небольших радиаторах. Например, подойдут отечественные транзисторы КТ814, КТ815 с буквой "В" при напряжениях до 60 вольт, и с буквой "Г" при напряжении до 80 вольт. Конденсаторы С1, С2 улучшают фильтрацию пульсаций, и на них экономить не стОит. С3, С4 можно исключить, если длина проводов, идущих от источника к предусилителю не более 30 см. Но лучше их не исключать.

Если хочется чего-то лучшего, то обе схемы можно объединить, получив просто обалденный источник:

Первый каскад - уже описанный параметрический стабилизатор с усилителем тока, который питает практически стабильным напряжением около 25 вольт стабилизатор на микросхемах. Здесь электролиты возле транзисторов уже не нужны - те (на самом деле очень даже небольшие) пульсации, которые пройдут через транзисторы, успешно подавятся микросхемами. А "керамика" в обвесе микросхем нужна обязательно. Требования к транзисторам - как и в предыдущей схеме. Только мощность на них выделяется несколько меньше. Но такой источник стОит делать лишь при напряжении питания усилителя мощности порядка 60 вольт и больше.

Монтажную схему блока питания придумайте самостоятельно.

 

А если сам корректор Линквица не нужен?

А все остальное нужно. Тогда вместо полного корректора, запаиваются несколько резисторов и конденсаторов, и вместо корректора Линквица получается дополнительный фильтр, обрезающий ненужные частоты:

Вот и вся схема! А все остальное остается и прекрасно работает. А вот и вариант печатки (точнее там только немного поменялось расположение деталей):

желтой линией обозначен провод в изоляции, припаиваемый на плату со стороны печатных проводников.

Вариант печатной платы без корректора Линквица (zip-файл ~ 25 кБайт) .

В настоящее время у меня имеется несколько плат (новой разводки), изготовленных промышленным способом. Как заказать - см. здесь.

10.06.2006

Счетчик 

Яндекс.Метрика