XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Предварительный усилитель – фонокорректор высокой верности воспроизведения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель и задачи работы
Целью данной работы является конструирование предварительного усилителя - фонокорректора высокой верности воспроизведения на основе ламповой схемотехники с использованием относительно недорогих электронных компонентов, для домашнего высококачественного музыкального комплекса. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение литературных и интернет – источников по теоретическим вопросам цифрового и аналогового звуковоспроизведения, конструкции аналоговых звуковоспроизводящих устройств, принципам особенностей работы ламп в усилительных каскадах;
- изучение литературных и интернет – источников по вопросам схемотехники полупроводниковых и ламповых предварительных усилителей – фонокорректоров, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа;
- на основе изученных литературных и интернет – источников разработать схемотехническое решение лампового предварительного усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения для высококачественного музыкального комплекса;
- на основе разработанного схемотехнического решения изготовить ламповый универсальный предварительный усилитель для низкопотенциальных аналоговых источников с условием использования простых, доступных и относительно дешёвых электронных компонентов;
- доступными средствами определить выходные характеристики изготовленного усилителя, и сделать вывод о возможности его использования в составе музыкального комплекса.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- изучены доступные литературные и интернет – источники по теоретическим вопросам цифрового и аналогового звуковоспроизведения, конструкции аналоговых звуковоспроизводящих устройств, принципам особенностям работы ламп в усилительных каскадах предварительных усилителей, характеристикам используемых при конструировании радиоламп, вопросам схемотехники полупроводниковых и ламповых предварительных усилителей – фонокорректоров, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа;
- на основе изученных литературных и интернет – источников разработано схемотехническое решение универсального лампового предварительного усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения для высококачественного музыкального комплекса;
- на основе разработанного схемотехнического решения изготовлен опытный образец лампового универсального предварительного усилителя для низкопотенциальных аналоговых источников звука с условием использования простых, доступных и относительно дешёвых электронных компонентов;
- доступными средствами, в виртуальной измерительной программе DSSF3, определены выходные характеристики изготовленного усилителя, которые позволили сделать вывод о возможности его использования в составе музыкального комплекса высокого класса.
Содержание
Введение……………………………………………………………………………………………………………….1.
Цель и задачи работы……………………………………………………………………………………………….2.
Цифровое и аналоговое звучание …………………………………………………………………………………2.
Аналоговое воспроизведение звука …………………………………………………………………………….....3.
Типовые схемы усилителей – фонокорректоров в усилительной аппаратуре (по литературным источникам) ……………………………………………………………………………………………….………….4.
Ламповый триод в фонокорректоре …………………………………………………………………………....…6.
Схемотехника универсального предусилителя – фонокорректора и его конструкционные
особенности………………………………………………………………………………………………………..…..7.
Измерение характеристик предусилителя – фонокорректора …………………………………………….…..9.
Выводы…………………………………………………………………………………………………………….…..9.
Список литературы и интернет – источников………………………………………………………………….10.
Приложение……………………………………………………………………………………………………..… I-X.
Предварительный усилитель – фонокорректор высокой верности воспроизведения
Россия, Челябинская область, г. Челябинск
Чернецов Михаил Владимирович
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«СОШ №46» г. Челябинск, 7 класс
Аннотация
Мир вокруг нас полон звуков. Звук для человека является одним из важнейших информационных источников в познании окружающего мира. Трудно найти человека, который абсолютно равнодушен к восприятию музыки. Она окружает нас повсеместно и является важнейшим фактором нашего психоэмоционального состояния. Сегодня очевидно, что в таком, на первый взгляд, хорошо проработанном направлении, как высококачественное звуковоспроизведение, далеко не все вопросы до конца изучены и объяснены. Что, касается звука, это вообще сплошной субъективизм. Аналоговый носители музыкальной информации, в настоящее время, становятся всё более и более популярными во всём мире. Особенно это явление коснулось возрождению виниловых пластинок. Винил сейчас в моде, и связано это не только с оригинальностью прослушивания музыкальных произведений. Даже современные пластинки, которые пишутся с цифровых мастер – носителей, звучат не так, как их файловые копии в любом формате и разрешении. На самом деле, аналог не хуже и не лучше цифры – это просто немного другая культура прослушивания музыки. Даже недорогой проигрыватель винила класса Hi-Fi обеспечит очень достойный звук, который на порядок выше по глубине восприятия музыкального произведения, по сравнению с цифровой техникой. Но при использовании подобной аппаратуры, для прослушивания музыкальных произведений, существует одна серьёзная таёжническая проблема. Водные электронные цепи усилителей рассчитаны на размах амплитуды входного сигнала порядка 250 - 500, а то и более мВ. Снижение этого порога, сильно осложняет конструкцию звуковоспроизводящего устройства, что ведёт к его серьёзному удорожанию. В то же время, верный, естественный сигнал с аналоговых воспроизводящих устройств, по своему размаху не превышает 2 – 4 мВ. При таком положении конструктивных особенностей аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры, возникает необходимость создания устройств промежуточного усиления и коррекции выходного сигнала. Создание устройств воспроизведения высокой верности отнюдь не простое и дешёвое, с технической точки зрения, дело. Поэтому схемотехника создания предварительного усилителя – фонокорректора является сложной и актуальной для разработчиков аппаратуры высокой верности воспроизведения. Объектом исследования в данном проекте являются схемотехнические решения увеличения амплитуды и размаха звукового сигнала с аналоговых воспроизводящих устройств. Предмет исследования в проекте – конструкция предварительного усилителя – фонокорректора для воспроизведения музыки с низкопотенциальных аналоговых источников. Рабочая гипотеза исследований – возможность самостоятельной разработки усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения.
Предварительный усилитель – фонокорректор высокой верности воспроизведения
Россия, Челябинская область, г. Челябинск
Чернецов Михаил Владимирович
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«СОШ №46» г. Челябинск, 7 класс
Краткая аннотация
Мир вокруг нас полон звуков. Звук для человека является одним из важнейших информационных источников в познании окружающего мира. Сегодня очевидно, что в таком, на первый взгляд, хорошо проработанном направлении, как высококачественное звуковоспроизведение, далеко не все вопросы до конца изучены и объяснены. Даже недорогой проигрыватель винила класса Hi-Fi обеспечит очень достойный звук, который на порядок выше по глубине восприятия музыкального произведения, по сравнению с цифровой техникой. Но при использовании подобной аппаратуры, для прослушивания музыкальных произведений, существует одна серьёзная таёжническая проблема. Водные электронные цепи усилителей рассчитаны на размах амплитуды. В то же время, верный, естественный сигнал с аналоговых воспроизводящих устройств, по своему размаху не превышает 2 – 4 мВ. При таком положении конструктивных особенностей аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры, возникает необходимость создания устройств промежуточного усиления и коррекции выходного сигнала. Объектом исследования в данном проекте являются схемотехнические решения увеличения амплитуды и размаха звукового сигнала с аналоговых воспроизводящих устройств. Предмет исследования в проекте – конструкция предварительного усилителя – фонокорректора для воспроизведения музыки с низкопотенциальных аналоговых источников. Рабочая гипотеза исследований – возможность самостоятельной разработки усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения.
Pre-amplifier - high fidelity phono preamplifier
Russia, Chelyabinsk region, Chelyabinsk
Chernetsov Mikhail Vladimirovich
Municipal Autonomous General Educational Institution
"Secondary School No. 46", Chelyabinsk, Grade 7
Brief annotation
The world around us is full of sounds. Sound for a person is one of the most important information sources in the knowledge of the surrounding world. Today it is obvious that in such, at first glance, well-developed direction as high-quality sound reproduction, not all issues have been fully studied and explained. Even an inexpensive Hi-Fi class vinyl player will provide very decent sound, which is an order of magnitude higher in the depth of perception of a musical work, compared to digital technology. But when using such equipment to listen to musical works, there is one serious taiga problem. Water electronic circuits of amplifiers are designed for the amplitude swing.At the same time, the true, natural signal from analog playback devices does not exceed 2-4 mV in its amplitude. With such a position of the design features of analog sound reproduction equipment, there is a need to create devices for intermediate amplification and correction of the output signal. The object of research in this project is circuit solutions for increasing the amplitude and amplitude of the sound signal from analog playback devices. The subject of research in the project is the design of a preamplifier - phono corrector for playing music from low-potential analog sources. The working hypothesis of the research is the possibility of independently developing an amplifier - phono corrector of high-fidelity reproduction.
Предварительный усилитель – фонокорректор высокой верности воспроизведения
Введение
Аналоговый носители музыкальной информации, в настоящее время, становятся всё более и более популярными во всём мире. Особенно это явление коснулось возрождению виниловых пластинок. Винил сейчас в моде, и связано это не только с оригинальностью прослушивания музыкальных произведений. Даже современные пластинки, которые пишутся с цифровых мастер – носителей, звучат не так, как их файловые копии в любом формате и разрешении. Звук виниловой пластинки мягче и более комфортный для органов слуха человека. Он обладает особенностью естественных средних частот воспроизведения и оригинальными, не акцентированными как в цифровой записи, верхними и нижними частотами. А если говорить о старых виниловых записях, которые писались с аналоговых исходных мастер – лент, то они обладают полностью естественным оригинальным звучанием. Конечно, многие могут сказать, что цифровой звук более точный – выверенный, но слушая эти форматы записи быстро устаёшь от выделенного «акцентированного» насаждения верхних и нижних частот. На самом деле, аналог не хуже и не лучше цифры – это просто немного другая культура прослушивания музыки. Даже недорогой проигрыватель винила класса Hi-Fi обеспечит очень достойный звук, который на порядок выше по глубине восприятия музыкального произведения, по сравнению с цифровой техникой. Но при использовании подобной аппаратуры, для прослушивания музыкальных произведений, существует одна серьёзная таёжническая проблема. Водные электронные цепи усилителей рассчитаны на размах амплитуды входного сигнала порядка 250 - 500, а то и более мВ. Снижение этого порога, сильно осложняет конструкцию звуковоспроизводящего устройства, что ведёт к его серьёзному удорожанию. В то же время, верный, естественный сигнал с аналоговых воспроизводящих устройств, по своему размаху не превышает 2 – 4 мВ. При таком положении конструктивных особенностей аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры, возникает необходимость создания устройств промежуточного усиления и коррекции выходного сигнала. Конечно, современная электронная база позволяет разработать и создать массу полупроводниковых и процессорных миниатюрных устройств повышающих уровень и размах звукового сигнала, но все они, чаще всего, изменяют уровень восприятия музыки, приводя его к более цифровому формату с потерей уникальной естественности звука. Создание устройств воспроизведения высокой верности отнюдь не простое и дешёвое, с технической точки зрения, дело. Нельзя просто поставить несколько каскадов усиления звука, это приведёт к появлению различных шумов, электронных наводок в цепях входного сигнала, что в конечном итоге отразится на качестве воспроизведения. Поэтому схемотехника создания предварительного усилителя – фонокорректора является сложной и актуальной для разработчиков аппаратуры высокой верности воспроизведения. Объектом исследования в данном проекте являются схемотехнические решения увеличения амплитуды и размаха звукового сигнала с аналоговых воспроизводящих устройств. Предмет исследования в проекте – конструкция предварительного усилителя – фонокорректора для воспроизведения музыки с низкопотенциальных аналоговых источников. Рабочая гипотеза исследований – возможность самостоятельной разработки усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является конструирование предварительного усилителя - фонокорректора высокой верности воспроизведения на основе ламповой схемотехники с использованием относительно недорогих электронных компонентов, для домашнего высококачественного музыкального комплекса. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение литературных и интернет – источников по теоретическим вопросам цифрового и аналогового звуковоспроизведения, конструкции аналоговых звуковоспроизводящих устройств, принципам особенностей работы ламп в усилительных каскадах;
- изучение литературных и интернет – источников по вопросам схемотехники полупроводниковых и ламповых предварительных усилителей – фонокорректоров, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа;
- на основе изученных литературных и интернет – источников разработать схемотехническое решение лампового предварительного усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения для высококачественного музыкального комплекса;
- на основе разработанного схемотехнического решения изготовить ламповый универсальный предварительный усилитель для низкопотенциальных аналоговых источников с условием использования простых, доступных и относительно дешёвых электронных компонентов;
- доступными средствами определить выходные характеристики изготовленного усилителя, и сделать вывод о возможности его использования в составе музыкального комплекса.
Цифровое и аналоговое звучание [1-3]
Многие задаются вопросом, а в чём собственно разница, какой звук? Почему аналоговое звучание более комфортно воспринимается органами слуха человека? Цифровое аудио, чаще всего, звучит безжизненно, холодно, с неприятными цифровыми шумами. Подобное явление является результатом оцифровки звука. При оцифровке аудиосигнал разделяется на кусочки, и к каждому фрагменту делается цифровое описание. Естественно, чем меньше временные рамки фрагментов, тем точнее будет цифровое описание, выше частота дискретизации (Приложение лист I, рис. 1). Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации аналогового сигнала должна быть минимум вдвое больше наивысшей частоты этого сигнала, чтобы можно было восстановить его до неотличимого от оригинала. Отсюда, воспринимаемый органами слуха сигнал по частоте максимум 19 - 22 кГц перемноженный на 2 будет равен 44 000 Гц. Если применить небольшой частотный запас 100 - 200 Гц, то получается дефолтная частота аудио CD — 44.1 кГц. Стандарт CD — 16 бит. Такой показатель специально взят, чтобы диски звучали лучше, чем старые конкуренты — кассеты и винил. Чем выше частота дискретизации, тем выше динамический диапазон. Поэтому сегодня стандарт — 24-32 бит (нередко выходят альбомы в 96 кГц, а Hi-Res аудио достигает 384 кГц). Однако, такое СD – аудио, по цене сопоставимо, а то и выше, чем лучшие мастер – копии аналоговых носителей, и позволить такое качество могут себе только крупные звукозаписывающие компании. Для бытового использования, пишется аудио на минимальной частоте дискредитации, что естественно ведёт к потере качества воспроизведения. Аналоговый сигнал не определяется частотой дискредитации. и как следствие несёт полный объём всех звуковых нюансов и гармоник. Поэтому восприятие музыки будет существенно комфортнее и динамичней для органов слуха человека (Приложение лист I, рис. 2 – 3).
Аналоговое воспроизведение звука [4]
По окончании эры граммофонов, где использовался принцип колеблющейся от стальной иглы подвижной мембраны, появились первые устройства, сигнал которых можно увеличить с помощью электронных устройств. Принцип их работы основывался на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектричество (от греческого слова "piezein", что означает сжимать) можно определить как электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, определенная керамика и биологические вещества. Некоторые кристаллические и керамические структуры генерируют заряд при приложении напряжения. Одним из таких кристаллов является кварц. Если ударить молотком по кварцу, это создаст пьезоэлектрический сигнал. В начале 1900-х годов обнаружили некоторые искусственные материалы, которые были гораздо более последовательными и эффективными при создании пьезоэлектрических сигналов. Эти кристаллические материалы традиционно используются сегодня в пьезозвукоснимателях. Головка состоит из иглы на основе корунда (дорогая игла с алмазом) с двумя сторонами и трубки-пьезоэлектрика (в стереоисполнении применяется два пьезоэлемента). Колебания иглы поступают на трубку-пьезоэлемент, который при механических колебаниях вырабатывает электрический сигнал. Этот сигнал звуковой частоты поступает на вход усилителя низкой частоты (Приложение лист II, рис 4). Дальнейшим развитием аналоговых звукоснимателей, явилось использование магнитных систем (основной причиной этого развития явилась минимизация давления на аналоговый носитель, с целью его длительного сохранения).Существует два основных типа магнитных звукоснимателей ММ и МС. Картридж с подвижным магнитом (MM). Головка типа MM (Приложение лист II, рис. 5) подразумевает следующее устройство: с одной стороны металлического иглодержателя закреплена игла, с другой — маленький магнит. Звуковые катушки расположены вокруг магнита с четырех сторон. Эта система образует один электрический минигенератор. Игла «считывает» дорожки винилового носителя, заставляя иглодержатель и, соответственно, магнит двигаться относительно катушек. Движения магнита меняют магнитное поле и электрическую энергию, генерируемую системой. Производимое переменное напряжение передается на усилитель и акустическую систему, которые повторяют весь процесс в обратном порядке. Картридж с подвижной катушкой (MС). Головка MC-типа устроена обратным образом. Катушка здесь закреплена на самом иглодержателе, а магниты находятся внутри картриджа. Электрический процесс тот же: игла ходит по канавкам винилового носителя аудиосигнала, катушка движется относительно магнитов, в результате чего создается слабое напряжение (Приложение лист III, рис. 6). Преимущество MC-картриджа заключается в том, что он легче и потому может точнее и быстрее отслеживать звуковые канавки носителя. Теоретически, такой звукосниматель обеспечивает более детальный звук. Однако современные технологии изготовления магнитов практически нивелировали разницу. Магниты стали легче и мощнее. Большинство самых мощных магнитов изготавливаются из AlNiCo-сплава или из сплава с неодимом, что позволяет их сделать миниатюрными и очень мощными. Более высокое выходное напряжение MM-картриджа означает, что такой звукосниматель может работать с более простыми системами промежуточного усиления. Помимо основных типов воспроизводящих картриджей, существуют и другие. В 50-е годы компания General Electric изобрела конструкцию на технологии Variable Reluctance (переменное магнитное сопротивление). Сегодня эта конструкция известна как Moving Iron/MI (звукосниматель с подвижным железным наконечником).Существует подвид MI картриджа типа Moving Micro-Cross, придуманные инженером Сабиром Прамаником из Bang & Olufsen. Такие звукосниматели отличаются наличием миниатюрного крестообразного элемента, движущегося между двумя зафиксированными магнитами и катушками сообразно игле, которая ходит по канавке на другом конце иглодержателя. Основное преимущество подобной системы заключается в лучшем разделении каналов воспроизведения. Однако, подобные системы не получили широкого распространения, и основными типами являются ММ, и МС системы картриджей. Общим для всех рассмотренных систем является очень малая величина выходного сигнала, что предполагает, с технической точки зрения, введение дополнительных узлов усиления сигнала. Из таблицы приложения (Лист III, таблица 1) можно увидеть, что непосредственно с входными цепями большинства полупроводниковых и ламповых усилителей могут работать только пьезоэлектрические картриджи, которые в принципе уже практически не используются, в современной воспроизводящей технике.
Типовые схемы усилителей – фонокорректоров в усилительной аппаратуре (по литературным источникам) [5 - 8]
Любой предусилитель – фонокорректор выполняет две функции. Первая - усиление слабого сигнала с считывающего картриджа. Вторая – корректировка входного сигнала считывающего устройства. Виниловый носитель записывают не с равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и она относительно своеобразна. При записи происходит сильный завал по низким частотам и достаточно сильный подъём по высоким. Это является результатом компромиссов между качеством записи и механическими возможностями записывающих систем. Низкие частоты требуют большого габарита записанной канавки, и игла картриджа должна быть большого диаметра. Но, в этом случае, она начнёт хуже считывать более тонкие неровности, в высокочастотном диапазоне. И, соответственно, наоборот. В результате, середина, не даёт равномерной АЧХ. Что бы все пластинки были универсальны и проигрыватели тоже, был принят стандарт. Этот стандарт имеет название по аббревиатуре «Recording Industry Association of America» (Американская ассоциация звукозаписывающих компаний) RIAA. АЧХ записи имеет три перегиба, которые описываются формулами, либо в зависимости от времени 3180, 318 и 75 мкс, либо от частоты 50,05, 500,5 и 2122,1 Гц:
- первый перегиб = 3180 мкс, задаёт частоту подъёма низких частот = 50,05 Гц чтобы уменьшить низкочастотный шум;
- второй перегиб = 318 мкс, задаёт частоту раздела низкочастотной и среднечастотной областей = 500,5 Гц;
- третий перегиб = 75 мкс, задаёт частоту раздела среднечастотной и высокочастотной областей = 2122,1 Гц.
В приложении (Лист III, рис. 7) приведена АЧХ записи и воспроизведения, и они резко отличаются друг от друга. Для восстановления АЧХ, приведения её к нормальной, ровной, нам необходимо сделать корректор - усилитель имеющий АЧХ обратную записывающей. То есть отразить её по вертикали (Приложение лист IV, рис. 8). Появление магнитоэлектрических воспроизводящих картриджей совпало с широким развитием полупроводниковой воспроизводящей техникой. Как следствие этого, в бытовой воспроизводящей аппаратуре первого и высшего класса, применялись транзисторные и транзисторно - интегральные схемотехнические решения устройства предусилителей – фонокорректоров. Анализ схемотехнических решений в подобной аппаратуре, позволил выявить некоторые общие принципы построения предусилителей:
- широко используются многокаскадные транзисторные схемотехнические решения (высокий разброс параметров коэффициента усиления и как следствие, подбор параметров при монтаже устройства);
- в усилительных каскадах используются малошумящие высокочастотные полупроводниковые элементы с большими коэффициентами усиления (высокий разброс параметров коэффициента усиления и как следствие, подбор параметров при монтаже устройства);
- в аппаратуре высшего класса используются в основном интегральные операционные малошумящие усилители с высоким коэффициентом усиления, но относительной стабильностью работы при эксплуатации;
- транзисторная схемотехника предполагает широкое использование в входных цепях очень ненадёжных электролитических конденсаторов высокой емкости (широкий диапазон изменения параметров и зависимость от температуры рабочей зоны);
- большинство схемотехнических решений требуют подбора элементной базы по параметрам и применения дополнительных корректирующих цепей настройки устройства;
- отечественная схемотехника подразумевала работу только с ММ – картриджами (фонокорректоры западных производителей, рассчитанные на работу с МС – картриджами по своему устройству были ещё сложнее за счёт многокаскадности);
- практическое отсутствие в бытовой аппаратуре (даже ламповой) ламповых предусилителей – фонокорректоров, несмотря на их неоспоримые преимущества в схемотехнических решениях (простота конструкции, стабильность рабочих параметров, использование надёжных электронных компонентов, малошумность при использовании определённых типов ламп, высокий коэффициент усиления входного сигнала).
Как видно из выше сказанного, схемотехника подобных устройств, достаточно сложна в построении и не обладает высокой стабильностью при эксплуатации. В приложении (Лист IV – V, рис. 9 – 12) приведены примеры схемотехнических решений предусилителей – фонокорректоров на полупроводниковых и интегральных элементах, применяемых в отечественной, и зарубежной аппаратуре среднего, и высшего классов.
Ламповый триод в фонокорректоре [9 - 12]
Очень часто фонокорректор путают с электронным узлом, позволяющим менять баланс высоких и низких частот для придания звуку желаемой окраски (темброблок). Но это совершенно неверное понятие. У фонокорректора совсем другое назначение: без него не обойтись при воспроизведении музыки с виниловых пластинок. Как уже говорилось выше, сигнал записывается на пластинки с изменением спектра:
- амплитуда низкочастотных колебаний существенно уменьшается, а высокочастотных — увеличивается;
— это является следствием снижения потерь при записи;
- АЧХ такого преобразования называется кривой RIAA;
- для представления сигнала в исходном виде, его нужно перевернуть фазово, а затем усилить
Этим и занимается фонокорректор. По сути, он представляет собой небольшой предусилитель со встроенным набором фильтров (Приложение лист V, рис. 13). Фонокорректоры делятся на пассивные и активные. Пассивные фонокорректоры выполняются на основе RC-цепочек и не требуют внешнего питания. Активные содержат усилительные элементы - лампы или транзисторы, и нуждаются в подключении к сети переменного тока. По принципу действия фонокорректоры делятся на: резистивно-емкостные и индуктивно-емкостные. При конструировании лампового фонокорректора возникает ряд вопросов:
- во-первых, почему, преимущественно в цепях усиления и активной коррекции используются ламповые триоды?
- во-вторых, какой тип триода будет лучше работать в цепях усиления и коррекции?
- в-третьих, какой корректор, активный или пассивный, RC или LC выбрать для реализации схемы корректора?
Триод представляет собой трёхэлектродную лампу (Приложение лист VI, рис. 14). Содержит катод, анод и одну управляющую сетку. Когда триод проводит ток, электроны, двигаясь от катода к аноду, вынуждены проходить через отверстия в управляющей сетке. Посредством подачи небольшого отрицательного потенциала на управляющую сетку, можно управлять количеством электронов, пролетающих от катода к аноду. Отрицательный потенциал, подведенный к сетке управления, отталкивает часть электронов, но остальные проходят через открытое пространство между проводами и движутся к аноду. Таким образом, протекание тока через лампу и внешнюю цепь может управляться отрицательным потенциалом, поданным на сетку управления. Источником питания лампы является источник постоянного тока. Источник постоянного тока подсоединен к катоду и аноду так, что анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду. В то время, когда переменное напряжение на входе сетки проходит через свой положительный полупериод, напряжение на сетке управления становится менее отрицательным по сравнению в катод, так как положительное входное напряжение вычитается с отрицательного потенциала сетки управления. В результате отрицательный потенциал на сетке управления уменьшается, и большее количество электронов освобождается из пространственного заряда и движется через сетку к аноду. Протекание тока через лампу усиливается. В то время, когда входное напряжение переменного тока на сетке проходит через свой отрицательный полупериод, напряжение на сетке становится более отрицательным по сравнению с катодом, потому что оно складывается с предыдущим отрицательным потенциалом на сетке. Поэтому, очень малое количество электронов покидают пространственный заряд, что уменьшает количество электронов, движущихся к аноду. Ток через лампу уменьшается. Гептоды и пентоды имеют в составе лампы большее количество управляющих сеток (две или три). Соответственно, требуется большее количество цепей управления анодным током. К тому-же, эти лампы в большей степени подвержены, так называемому, динатронному (шумовому) эффекту. Динатронный эффект в электронных лампах — это «переход электронов вторичной эмиссии на другой электрод». Бомбардировка анода лампы электронами высокой энергии выбивает из него электроны вторичной эмиссии. Если при этом на другой электрод (например, экранирующую сетку тетрода) подали потенциал, превышающий потенциал анода, то вторичные электроны не возвращаются на анод, а притягиваются к другому электроду. Ток анодной нагрузки падает, ток другого электрода возрастает. В тетродах динатронный эффект порождает нежелательное состояние отрицательного внутреннего сопротивления, при котором рост анодного напряжения сопровождается уменьшением анодного тока. В пентодах динатронный эффект частично подавляется введением третьей (антидинатронной) сетки, которая препятствует вылету вторичных электронов. Предусилители – фонокорректоры обладают высоким коэффициентом усиления и динатронные шумы лампы, в этом случае совершенно не желательны. Поэтому, в схемотехнике подобных усилителей, в основном, применяют малоэлектродные лампы – триоды. Какой триод выбрать для построения каскадов усиления, зависит от конструкторского решения. и наличия элементной базы (Приложение лист VI, рис. 15). Все представленные в приложении лампы, представляют собой, двойные триоды (два триода в одной лампе). Все они имеют, принципиально близкие характеристики. Но мы, в своей конструкторской разработке, отдаём предпочтение 12 вольтовому нагреву катода. Обусловлено это более быстрым и равномерным прогревом катода и более стабильному истечению электронов с него. Так же, предпочтительней применить схемотехническое решение активного RC – фильтра, поскольку, такой фильтр уже является определённым каскадом усиления, помимо основной функции – коррекции АЧХ. Из литературных источников выяснено, что RC – фильтр более предпочтителен в цепях коррекции магнитных картриджей. LC – фильтры, в качестве пассивного элемента, применяются, в основном, для коррекции пьезоэлектрических картриджей, с высоким уровнем сигнала.
Схемотехника универсального предусилителя – фонокорректора и его конструкционные особенности [11-13]
Анализ большого количества схем ламповых предусилителей – фонокорректоров (как самодельных, так и линейки немногочисленных промышленных) позволил выявить определённые закономерности схемотехники построения. Большинство схем представлены трёхкаскадным предусилителем с блоком коррекции RIAA, построенных на ламповых триодах. Общие блок - схемы, таких фонокорректоров представлены в приложении (Лист VII, рис. 16). В основном это трёхламповые (триодные) схемы с пассивным RIAA – фильтром. Существенным недостатком подобных схем является отсутствие универсальности, то – есть работа на один специализированный вход под ММ – картридж. Наиболее популярные схемы представлены в приложении (Лист VII, рис. 17). В своей разработке схемы, мы решили использовать нестандартные решения:
- эффективный предварительный усилитель с высоким коэффициентом усиления, способный усиливать слабый сигнал как ММ -, так и МС – картриджа;
- пассивный RIAA – фильтр с последующим усилением сигнала;
- эффективный оконечный предварительный усилитель с балансным входом и регулировкой порога усиления, способный работать с универсальными входами.
Помимо этого, особенности схемотехнического решения коснулись блока питания и организации построения входной группы, которые будут раскрыты ниже. Общая блок – схема предварительного усилителя – фонокорректора и его электронная схема, представлены в приложении (Лист VII - VIII , рис. 18 - 19). Входной сигнал с картриджа поступает на усилительный каскад выполненный, по так называемой технологии, SRPP (Series-Regulated Push Pull) (Приложение лист VIII, рис. 20). В анодной цепи входной лампы установлена динамическая нагрузка. Такой каскад особенно эффективен во входных цепях усиления и позволяет совместить высокие коэффициент усиления и линейность с низким выходным сопротивлением. Использование этого каскада предполагает напряжении питания анода не менее 300 В, повышенную динамическую входную емкость (по сравнению с типовым каскадом), а также повышенные требования к качеству изоляции между катодом и подогревателем, если в каскаде используется двойной триод (условие использования импортных двойных триодов типа 12AU (AX)7). Коэффициент усиления на частоте 1000 Гц приблизительно равен 52 - 56 дБ, В анодную цепь первого каскада усиления включен пассивный RIAA – фильтр. Последующее усиление, откорректированного сигнала, осуществляется гальванически связанной парой ступеней на лампах с общим катодом и общим анодом. Ценным свойством этой пары является практически полное отсутствие проникновения сигнальной составляющей в цепь анодного питания и можно отказаться от применения шунтирующего конденсатора большой емкости (обычно ненадёжного электролитического оксидного). Катодный выход, этой усилительной пары, можно использовать как непосредственный сигнал на оконечный головной усилитель (выход OUTфонокорректора). Однако очень часто возникает потребность в балансном согласовании и пороге усиления с головным усилителем. Поэтому, в предварительном усилителе, предусмотрена ещё одна цепь усиления сигнала на паре ламп с общим анодом и катодом к которой можно подключить усилитель – фонокорректор. В результате получаем, балансируемый и регулируемый по выходному сигналу, выход. Последний каскад усиления работает так же на универсальные входы предварительного усилителя, в зависимости от переключателя входов. Необходимо отметить, что для исключения взаимовлияния работы внутренних половин двойного триода в связи с высоким коэффициентом усиления, в оконечном каскаде предварительного усилителя использовано раздельное включение ламп, без задействования второй половины триода. Питание, усилителя – фонокорректора, осуществляется ламповым анодным выпрямителем с раздельными фильтрованными цепями на каждый каскад (Приложение лист VIII – IX, рис. 21 – 22). Для исключения переменной составляющей и уменьшения фоновых шумов питание катодных подогревателей ламп, осуществляется выпрямленным стабилизированным напряжением 12 и 6В. Основная потребность в таком питании возникает п разводке цепей питания на печатной плате. Определённым положительным нюансом в организации питания является, шунтирование электролитических конденсаторов большой ёмкости фильтров, бумажными высоковольтными конденсаторами 6 – 10 мкФ (исключение переменной составляющей в анодном питании). Организация включения входных цепей осуществляется релейно, с целью уменьшения длины экранированных проводов до переключателя входного сигнала. Минимальная длина этих проводов, положительно сказывается на исключение фоновых шумов при значительных коэффициентах усиления. Необходимо отметить, что существенное снижение фоновых шумов можно получить при дополнительной экранировке силового трансформатора (идеальный вариант, это блок питания в отдельном корпусе). Экранировка всех триодов, так же желательна, как и сведение массовых проводов в единую точку на печатной плате. Некоторые комплектующие элементы усилителя – фонокорректора изображены на рисунке приложения (Лист IX, рис. 23).
Измерение характеристик предусилителя – фонокорректора [14]
Для проведения измерений характеристик предусилителя – фонокорректора удобно воспользоваться виртуальным измерительным комплексом - программой Yoshimasa Electronic DSSF3 v5.2.0.17 x64 [6.2020, ENG] (разработчик - Yoshimasa Electronic, язык интерфейса – английский, разрядность для системы Windows 64bit). Сайт разработчика: [http://www.ymec.com/products/dssf3e/index.htm]. Интерфейс оснащён мощным и простым в использовании анализатором спектра, осциллографом, регистратором и другими возможностями профессионального анализа. Анализатор позволяет в реальном времени, анализировать звук (SA) и шумы (EA) (Приложение лист IX, рис. 24). Параметры измерений, в сравнении с интегральным фонокорректором высшего класса Musical Fidelity LX2-LPS PHONO STAGE, приведены в приложении (Лист X, рис. 25 – 28).
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- изучены доступные литературные и интернет – источники по теоретическим вопросам цифрового и аналогового звуковоспроизведения, конструкции аналоговых звуковоспроизводящих устройств, принципам особенностям работы ламп в усилительных каскадах предварительных усилителей, характеристикам используемых при конструировании радиоламп, вопросам схемотехники полупроводниковых и ламповых предварительных усилителей – фонокорректоров, принципах их работы, особенностям конструкции и монтажа;
- на основе изученных литературных и интернет – источников разработано схемотехническое решение универсального лампового предварительного усилителя – фонокорректора высокой верности воспроизведения для высококачественного музыкального комплекса;
- на основе разработанного схемотехнического решения изготовлен опытный образец лампового универсального предварительного усилителя для низкопотенциальных аналоговых источников звука с условием использования простых, доступных и относительно дешёвых электронных компонентов;
- доступными средствами, в виртуальной измерительной программе DSSF3, определены выходные характеристики изготовленного усилителя, которые позволили сделать вывод о возможности его использования в составе музыкального комплекса высокого класса.
Список литературы и интернет - источников
1.https://www.audiomania.ru/content/art-6891.html - 5 причин слушать музыку на виниле.
2.https://dzen.ru/a/YQ-si2o4W1VCayiC - Аналог или цифра: какой звук лучше?
3.https://nazarov-gallery.ru/news/vinil_ili_tsifra_chto_vybrat/ - Винил или цифра: что выбрать?
4.https://www.hi-fi.ru/magazine/audio/mm-ili-mc-golovka-dlya-v/ - ММ или МС-головка для винила – что выбрать?
5.https://dzen.ru/a/YmuUveczmhJBl5Rh - Зачем виниловому проигрывателю нужен фонокорректор.
6.https://cxem.net/sound/soundpred/soundpred41.php - Род Эллиотт, Фонокорректор RIAA.
7.https://datagor.ru/amplifiers/chipamps/2883-prostoy-vinil-korrektor.html - Простой винил-корректор для проигрывателя.
8.https://pwcalc.ru/schemes/shemy-fonokorrektorov - Схемы Фонокорректоров.
9.А.С. Храмушин, «Ламповые фонокорректоры», ISBN: 978-5-4490-4139-5, Формат: PDF, 2018 г.
10.Д. Морган, «Ламповые усилители» ДМК-Пресс Москва 2007 г.
11.Е. Бабиченко, И. Гапонов «Усилители RIAA — коррекции на вакуумных триодах для «скоростных» (электродинамических) звукоснимателей» Одесса 2003-2004 г.
12.https://worldelectricguitar.ru/articles/Triodes.php - Триоды.
13.HTTPS://УМЗЧ.РФ/?P=520 - Схемотехника ламповых усилителей-корректоров, Н. Трошкин, г. Москва, 2015 г.
14.Yoshimasa Electronic DSSF3 v5.2.0.17 x64 [6.2020, ENG]http://www.ymec.com/products/dssf3e/index.htm.
Приложение
Рис. 1. Частота и разрядность цифрового аудио.
Рис. 2. Пример аналогового аудиосигнала.
Рис. 3. Цифровая обработка аудиосигнала.
Рис. 4. Устройство пьезоэлектрической головки аналогового звукоснимателя.
Рис. 5. Устройство звукоснимателя с подвижным магнитом (ММ).
Рис. 6. Устройство звукоснимателя с подвижной катушкой (МС).
Таблица 1. Характеристики основных типов виниловых картриджей.
Рис. 7. АЧХ записи и воспроизведения (для винилового проигрывателя).
Рис. 8. Типовая АЧХ на выходе корректора.
Рис. 9. Типовые схемы транзисторных предусилителей – фонокорректоров (ММ – картридж) для бытовой аппаратуры среднего класса.
Рис. 10. Транзисторный предусилитель – фонокорректор для аппаратуры высшего класса (МС и ММ – картридж в зависимости от порога чувствительности).
Рис. 11. Типовая схемы транзисторно - интегрального предусилителя – фонокорректора (ММ – картридж) для бытовой аппаратуры среднего класса.
Рис. 12. Типовые схемы интегральных предусилителей – фонокорректоров (ММ – картридж) для аппаратуры среднего и высшего класса.
Рис. 13. Структурная схема фонокорректора.
Рис. 14. Принцип работы лампового триода.
Рис. 15. Распространённые триоды, применяемые в схемах усилителей – фонокорректорах.
Рис. 16. Типовая блок – схема ламповых предусилителей – фонокорректоров.
Рис. 17. Популярные схемы ММ предусилителей – фонокорректоров.
Рис. 18. Общая блок – схема универсального предварительного усилителя – фонокорректора.
Рис. 19. Электронная схема универсального предварительного усилителя – фонокорректора.
Рис. 20. Усилительный каскад выполненный, по технологии, SRPP (Series-Regulated Push Pull).
Рис. 21. Блок – схема цепей питания усилителя – фонокорректора.
Рис. 22. Электронная схема блока питания.
Рис. 23. Комплектующие элементы усилителя – фонокорректора.
Рис. 24. Интерфейс анализатора программы Yoshimasa Electronic DSSF3 v5.2.0.17 x64 [6.2020, ENG].
Рис. 25. Реальная АЧХ предусилителя- фонокорректора.
Рис. 26. Виртуальная АЧХ (в программе DSSF3) в сравнении с интегральным фонокорректором высшего класса Musical Fidelity LX2-LPS PHONO STAGE.
Р ис. 27. Характеристика нелинейных искажений в % (выходное напряжение 1В).
Рис. 28. Собственные шумы предусилителя – фонокорректора (положение регулятора входа аудиокарты компьютера 0 дБ).