Часть 1. В качестве введения...
"Good artists copy, great artists steal".
"Хорошие художники копируют, великие художники крадут".
Пабло Пикассо
В мире существует очень много интересных и талантливых разработчиков, работы которых достойны того, чтобы их повторяли! Не всегда имеет смысл повторять "точь в точь", но базовые принципы можно скопировать подчистую. Я не вижу ничего плохого в том, чтобы повторить чужую схему или проект и таким образом выразить дань уважения ее разработчику, разумеется, не выдавая проект за свой и публикуя оригинальное авторство.
Кстати, нередко клоны оригинальных проектов получают развитие основной идеи, заложенной автором, и превращаются в проекты, которые превосходят первоисточник.
Сегодняшняя публикация посвящается очень интересному проекту, авторство которого принадлежит ресурсу tubecad.com.
Часть 2. Чем хороша эта схема?
При огромном многообразии схем возникает вопрос, а почему именно эта схема? Причин, на самом деле, много... Постараюсь рассказать подробнее.
1. Ламповая схемотехника.
Я убежденный поклонник лампового звука и лично для меня аудиоустройство по определению должно быть ламповым.
Скажем так, лампа - это основа, определяющая характер звучания!
2. Парадокс усилителя для наушников.
Вы можете найти в сети очень много схем ламповых усилителей для наушников, но основная проблема в том, что большая часть из них далеко не так хороши, как хотелось бы!
Если по простому, то проблема выглядит приблизительно так - номинальное сопротивление большей части наушников - 32 Ом (высокоомные наушники пока отложим в сторону). Это достаточно серьезная нагрузка для выходного лампового каскада и тут традиционно рождаются два пути решения задачи:
- либо необходим выходной согласующий трансформатор, который согласует высокое выходное сопротивление лампового каскада с низкоомной нагрузкой в виде наушников (не хотелось бы связываться с выходным трансформатором);
- либо приходится отказаться от идеи применения низкоомных наушников и переключиться на высокоомные наушники с сопротивлением 600 Ом и более (тоже так себе вариант).
Все попытки сделать бестрансформаторный (OTL) ламповый каскад приводят к тому, что радиолампы включают в несвойственный им режим работы на максимальных токах, что сопровождается увеличением искажений и все-равно получить на выходе требуемый ток для раскачки 32-омных наушников и приемлемое выходное сопротивление не получается. Отсюда вытекает логичное решение, ламповость в звуке должен создавать входной каскад, выходной каскад, который работает на низкоомную нагрузку, должен быть полупроводниковым, так как он изначально создан для работы с большими токами и без проблем справляется с этой задачей.
Как видите, мы пришли к тому, что оптимальное решение для усилителя для наушников - это гибридная схемотехника, сочетающая в себе все достоинства лампового звучания и мощный выходной каскад, справляющийся с любой подключаемой нагрузкой без каких-либо явных ограничений!
3. Выходной каскад, работающий в чистом классе А без обратных связей. Итак, будем считать, что мы сформировали потрясающий звук во входном ламповом каскаде, теперь наша задача усилить его так, чтобы не потерять ни единой крупинки и сохранить ламповый характер звучания.
Очевидно, что не имеет смысла выходной каскад делать по схемотехнике усилителя, работающего, например, в классе "АB", который убьет все то, что было создано во входном каскаде.
Поэтому мы пойдем по пути разработчика Нельсона Пасса (Nelson Pass) и в качестве выходного каскада будем использовать усилитель "Zen".
Название «Zen» является сокращением от английского термина Zero Negative Feedback («нулевая отрицательная обратная связь»), отражающего основной принцип конструкции устройства.
Усилители серии «Zen» известны своим минималистичным дизайном и простотой схемотехники, поскольку основное внимание уделяется чистоте звука и максимальному раскрытию потенциала исходного сигнала.
▌ Основные характеристики усилителей "Zen":
- Минимализм: усилители "Zen" имеют предельно простую схемотехнику;
- Отсутствие обратной связи: большинство коммерческих усилителей используют схемы с глубокой отрицательной обратной связью для стабилизации характеристик, однако усилители "Zen" работают без нее, полагаясь исключительно на линейность компонентов;
- Высокое качество звучания: несмотря на свою простоту, усилители "Zen" способны выдавать удивительно детальное и прозрачное звучание благодаря исключению искажающих факторов, вызванных использованием сложных схем обратной связи;
▌ История разработки
Нельсон Пасс впервые представил концепцию усилителя "Zen" в конце 1990-х годов. Первый вариант усилителя, известный как Pass Zen Amp, представлял собой однотактный выходной каскад на полевых транзисторах (FET), работающих в классе "А".
За прошедшие годы идея "Zen" была развита и адаптирована различными конструкторами, появилось много вариаций и самостоятельных проектов, основанных на оригинальных разработках Пасса.
Появились проекты, в том числе и для ламповых усилителей, один из которых представлен в этой публикации.
Ну а я, как ярый приверженец ламповых технологий, готов согласиться только на выходной каскад, работающий в чистом классе "А" без обратных связей. Другая схемотехника на полупроводниках меня по определению не устроила бы.
4. Один трансформатор на все! Как же это красиво!
У меня, как и у любого радиолюбителя, различных трансформаторов с выходным напряжением 12 В как у дурака фантиков...
Обычно, если мы имеем дело с ламповыми каскадами, то заранее подразумеваем, что для подобной схемотехники нужен специальный трансформатор - анодно-накальный трансформатор, который имеет ряд обмоток, обеспечивающих питание накальных цепей, питание высоковольтной анодной части, питание выходного буферного усилителя и возможно что-то еще.
В представленной схемотехнике все не так!
Для питания всего устройства используется трансформатор только с одной выходной обмоткой на 12 В и выходным током не менее 2 А.
Выходное напряжение 12 В для силового трансформатора - это напряжение из типового ряда номинальных значений и найти подходящий трансформатор не составит никакого труда.
Разве можно придумать что-то еще более простое?
Если вы посмотрите на схему представленного проекта, то увидите, как красиво и элегантно разработчик использовал обмотку на 12 В переменного тока для обеспечения питанием абсолютно всех узлов схемы усилителя для наушников:
- анодное питание +120 В для лампового SRPP-каскада создается с помощью умножителя напряжения;
- питание для выходного буфера +32 В (Zen-усилитель) создается с помощью умножителя напряжения;
- питание накалов радиоламп 2 х 6.2 В от источника постоянного тока.
В заключение этой части я смело могу сказать, что представленные доводы убеждают в том, что стоит реализовать на практике схему гибридного лампового усилителя и насладиться ее звучанием! Чем мы сейчас и займемся.
Часть 3. Проектирование гибридного SRPP & Zen усилителя для наушников.
Начнем со схемотехники блока питания лампового усилителя.
Ниже представлена оригинальная авторская схема.
Входное напряжение 12 В переменного тока подается на конденсаторный умножитель напряжения, который формирует два рабочих выходных напряжения:
- +32 В для питания выходного каскада (Zen-усилитель);
Для подавления пульсаций анодного напряжения автор схемы установил четыре последовательных RC-фильтра.
Параметры компонентов блока питания автором не представлены, но это не проблема. Если оценить потребляемый схемой ток и сделать небольшой технологический запас, то параметры компонентов блока питания легко рассчитываются или моделируются, как это сделал я в Proteus 8 Professional.
После проведенного моделирования была составлена принципиальная схема блока питания усилителя для наушников.
Оригинальная схема гибридного предусилителя представлена ниже.
SRPP-каскад усилителя для наушников собирается на двух двойных триодах 6DJ8. Изюминкой схемы можно считать интересный способ питания накалов ламп через выходной каскад Zen-усилителя.
Источник постоянного тока на интегральном стабилизаторе напряжения LM317x, выходной N-MOSFET-транзистор и цепи накала обеих радиоламп соединены последовательно, причем на приведенной оригинальной схеме показана только одна цепь от одного канала, на самом деле на нагревателях радиоламп сходятся оба источника тока с выходными транзисторами.
Накалы радиоламп шунтируются конденсатором большой емкости для обеспечения связи по переменному току.
Это очень похоже на схему, где конденсатором шунтируется катодный резистор, обеспечивающий автосмещение радиолампы. Принцип тот же.
Каждый нагреватель защищается собственным стабилитроном на 6.2 В для симметричного распределения напряжения и защиты нагревателя радиолампы от его превышения.
Тут стоит сделать важное пояснение!
Приведенную схему категорически запрещено включать без установленных радиоламп!
Если радиолампы не будут установлены в панельки на момент включения - весь ток, формируемый источниками постоянного тока, потечет через защитные стабилитроны. Избыточная мощность приведет к их перегреву и почти мгновенному выходу из строя!!!
Ниже представлена принципиальная схема усилительной части, по которой велась разработка проекта.
Входная емкость N-MOSFET выходных транзисторов достаточно большая, поэтому связь SRPP-каскада и Zen-усилителя осуществляется на сравнительно низкоомном нагрузочном резисторе.
Выходной каскад усилителя Zen представляет собой усилитель на одиночном N-MOSFET-транзисторе, включенном в однотактном режиме класса "А".
Автор рекомендует использовать транзисторы типа IRF630 (200 В, 9 А, 73 Вт), крутизна характеристики S=3.8. В качестве альтернативного решения можно попробовать IRF710 (400 В, 2 А, 36 Вт), крутизна характеристики S=1.
Помимо всего прочего, они отличаются тем, что IRF630 почти в четыре раза превосходит IRF710 по крутизне характеристики (хорошо), но у IRF630 почти в пять раз больше входная емкость (плохо).
Что выбирать? Решайте сами!
Лично я не очень люблю работать с большой входной емкостью, поэтому скорее всего для меня ближе второй вариант (IRF710). Минимальная входная емкость больше подходит к концепции "аналога радиолампы".
Микросхема LM317x работает в режиме источника постоянного тока и настроена в авторской схеме на режим формирования тока 200 мА.
Рекомендую использовать микросхему LM317P (версия в корпусе ТО-220 с изоляционным покрытием корпуса). Она немного дороже, чем LM317T, зато намного практичнее в данной конструкции.
Можно применить и LM317Т, просто придется повозиться с установкой изоляционных прокладок в процессе сборки конструкции на радиатор.
Также вместо LM317 (1.5 А) можно применить LM338 (5 А), LM350 (3 А).
Поскольку оба истока N-MOSFET-транзисторов подключены к цепочке нагревателей, то оба стабилизированных тока по 200 мА стекают в общий ток 400 мА, который проходит через нагреватели обеих ламп и шунтирующие стабилитроны.
Ток распределяется следующим образом (приблизительно):
- приблизительно 365 мА протекает через нагреватели 6DJ8;
- оставшиеся 35 мА (400-365) протекают через два последовательно включённых стабилитрона.
Такая конфигурация используется для радиоламп 6DJ8, у которых ток накала согласно Datasheet составляет 365 мА.
Вы также можете использовать радиолампы-аналоги:
- отечественная 6Н23П - ток накала 300-310 мА в зависимости от производителя;
- ECC88 - ток накала 365 мА;
- E88CC - ток накала 300 мА;
- 6922 - ток накала 335-385 мА в зависимости от производителя;
- 6N11 - китайский аналог 6Н23П, 6922.
В случае, если применяются другие радиолампы, например, E88CC/6922 от JJ Tesla с током накала 300 мА, то источники постоянного тока необходимо настроить на выходной ток порядка 167 мА (токозадающий резистор 7.5 Ом, а не 6.2 Ом как в оригинальной схеме). Суммарный ток получится 334 мА.
Ток распределяется следующим образом (приблизительно):
- приблизительно 300 мА протекает через нагреватели E88CC/6922 от JJ Tesla;
- оставшиеся 34 мА (334-300) протекают через два последовательно включённых стабилитрона.
Думаю, что принцип понятен.
В оригинальной топологии печатной платы автор разместил каждый N-MOSFET-транзистор и соответствующий ему источник тока на LM317x на отдельном радиаторе.
Я подумал, что хочу использовать нижнюю панель металлического корпуса, в котором будет размещена плата усилителя, в качестве радиатора и поэтому вынес все активные элементы в горизонтальной плоскости за пределы печатной платы. Оба источника тока LM317x и оба выходных N-MOSFET-транзистора будут крепиться на днище/радиаторе корпуса и своими выводами снизу заходить в плату усилителя.
Моя топология печатной платы представлена на фотографиях ниже.
При разработке печатной платы я сделал универсальные посадочные места для разделительных конденсаторов.
Я на полном серьезе очень ответственно отношусь к передаче звукового материала от каскада к каскаду, поэтому намерен отслушать различные схемотехнические решения с применением различных, в том числе аудиофильских, конденсаторов, коих в моем арсенале достаточно много.
На фотографиях ниже USB-разъем расположен рядом с конденсаторами для оценки их габаритных размеров.
Некоторые бочёнки имеют очень внушительные размеры!!!
Кузнецкий завод конденсаторов (Россия, г. Кузнецк).
Аудио-конденсаторы MUNDORF (Германия).
Аудио-конденсаторы Bevenbi (Китай).
Аудио-конденсаторы Solen (Франция).
При протекании тока 200 мА на канал теоретическое максимальное изменение выходного напряжения на нагрузке 32 Ом составляет 6,4 В (эффективное значение), что подразумевает выходную мощность порядка 640 мВт.
Я использовал электролитический конденсатор Panasonic емкостью 470 мкФ, параллельно подключённый к полипропиленовому конденсатору емкостью 10 мкФ, что эквивалентно спаду частотной характеристики -3 дБ на частоте около 10 Гц при нагрузке 32 Ом. При использовании наушников с импедансом 16 Ом ожидаем диапазон нижних частот 20 Гц. Наушники с импедансом более 32 Ом прекрасно работают и не испытывают никаких частотных ограничений.
Часть 4. Стоп! Нужно сделать этот мир лучше!
Я спроектировал печатную плату и уже был готов запустить ее в производство, но меня остановила мысль "неужели я повторю проект почти точь в точь и не сделаю его лучше?".
Усилитель для наушников - это очень чувствительное к восприятию устройство!
Возможно, легкий фон из акустических систем при прослушивании музыки мы можем себе позволить и не обращать на него внимания, но когда мы слушаем музыку в наушниках - фона не должно быть вообще, пауза должна быть абсолютно бесшумной!
Как любят говорить меломаны/аудиофилы - фон должен быть черным!
Поэтому, я решил применить наработанные навыки использования электронной фильтрации, о которой я рассказывал, например, здесь и здесь, и доработать блок питания в этом проекте.
Ниже представлена принципиальная схема доработанного блока питания (ревизия Б), в котором добавлен блок электронной фильтрации (выделен зеленой рамкой) для максимального подавления пульсаций анодного напряжения.
Возможно, в процессе разработки схемотехники из-за изменений в части блока питания "поплыла" и нумерация в усилительной части проекта, поэтому ниже я выкладываю окончательную принципиальную схему, по которой была разработана печатная плата.
Финальная версия печатной платы представлена на фотографиях ниже.
Основные изменения сделаны в области фильтрации анодного питания.
Ниже демонстрирую вам внешний вид печатных плат, которые на данный момент уже запущены в производство и скоро приедут ко мне для сборки проекта.
Габаритные размеры печатной платы 250 х 125 мм.
Ниже представлен упрощенный чертеж печатной платы для случая проектирования корпуса и размещения печатной платы в нем.
Вы можете использовать его как шаблон для разметки отверстий.
Также есть векторные версии печатной платы Компас-3D, CorelDraw, AutoCad - предоставляются по запросу. Их можно распечатать на принтере в масштабе 1:1 и приложить к панели для разметки отверстий.
Спецификация электронных компонентов, необходимых для реализации проекта, представлена ниже.
Для удобства сборки проекта, с помощью шелкографии на печатной плате отмечены не только позиционные номера электронных компонентов, но и их номинальные значения, что позволяет осуществлять сборку даже не имея принципиальной схемы.
Продолжение:
Гибридный усилитель для наушников SRPP & Zen (руководство по сборке).