Исследовательский проект "Проектирование и сборка усилителя звукового сигнала"

ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ОБУЧАЮЩИХСЯ

 «МОЙ ВКЛАД В ВЕЛИЧИЕ РОССИИ»

Направление работы: Технологии и техническое творчество

Тема: Проектирование и сборка усилителя звукового сигнала

Автор: Яшугин Семён Николаевич

Научный руководитель: Сидоров Сергей Анатольевич

Место выполнения работы: МБОУ «Уваровщинская сош»

2023

Оглавление

Введение. 3

ГЛАВА 1. УСИЛИТЕЛИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ. 5

1.1. История создания. 5

1.2.Основные характеристики УЗЧ. 6

1.3 Классификация усилителей звукового сигнала. 8

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СБОРКА ЛАМПОВОГО
УСИЛИТЕЛЯ.. 11

2.1. Требования к изделию.. 12

2.2. Этапы создания домашнего усилителя. 12

2.3. Контроль качества. 18

Выводы.. 19

Список используемой литературы.. 20

Введение

За последние годы заметно вырос технический уровень бытовой теле-радиотехники. Постоянно расширяется ее ассортимент, улучшаются потребительские качества. Бытовая радиоаппаратура наших дней значительно усложнилась, а это связано с улучшением качества приема радио- и телепередач, воспроизведения и записи звука, его усиления. Конструкторы новых аппаратов стремятся максимально упростить системы управления сложной техникой, сделать ее удобной и понятной в обращении для каждого человека. Тем не менее без определенного, хотя бы минимального знания радиотехники и принципов работы радио - и телеприемных устройств сегодня невозможно в полной мере оценить достоинства того или иного аппарата и правильно эксплуатировать его.

Зарубежная радиотехника, которой наводнены все рынки и магазины не могут обеспечить качественного звучания. В данной технике усилитель предназначен для воспроизведения стереофонических музыкальных записей и рассчитан на работу с радиоприемником, магнитофоном, электропроигрывающим устройством или проигрывателем компакт дисков, компьютером, мобильным телефоном. Усилитель может обеспечить проведение дискотек, различных мероприятий и т.д. Можно его использовать совместно с ДВД-плеером, что позволит увеличить количество колонок и тем самым обеспечить объемное звучание, телевизором, в кинотеатрах, в большом зале, т.к. это устройство довольно мощное, оно может обеспечить красивое, объемное звучание на достаточно большом расстоянии. Усилитель, встроенный в сами колонки компьютера не дает полный диапазон звучания всех спектров частот. В них происходит нарушение стереофонического эффекта, в основном, в них преобладает высокочастотное звучание.

Следовательно, актуальным исследованием будет изучение возможности сборки такого усилителя звукового сигнала, в котором искажения в процессе преобразования, искажения будут минимальными.

В связи с этим была поставлена цель исследования – создать усилитель звука, сочетающий схемные решения 20 века со схемными и компонентными решениями современной звуковой аппаратуры.

Для достижения цели, были сформулированы следующие задачи:

- Сбор и анализ информация по созданию лампового усилителя, выделение основных решений и схем;

- Поиск необходимых деталей и компонентов;

- Сборка рабочего макета;

- Пайка и сборка усилителя.

Гипотеза – качественное усиление звукового сигнала можно получить только при использовании лампового усилителя.

Объект исследования: ламповый усилитель звукового сигнала.

Предмет исследования: звуковой сигнал.

Методы исследования: теоретические методы - методы систематизации теоретического материала, обобщение накопленного материала, изучение и анализ научной и публицистической литературы по теме исследования и интерпретация полученных результатов исследования; экспериментальные методы – апробация работы изготовленного звукового усилителя.

ГЛАВА 1. Усилители звуковой частоты.

Электронные усилители звуковой частоты (УЗЧ)- предназначены для усиления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой частоты 20Гц до высокой частоты 20кГц.

Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.  

Особенности УЗЧ, требования к их показателям во многом определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем большинстве случаев носит комплексный характер, являясь электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УЗЧ определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в которой усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями.

1.1. История создания.

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов - сначала ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

Ламповая усилительная техника стала развиваться в результате появления в 1904 года вакуумного диода, изобретенного американским инженером Флемингом, и в особенности после изобретения Ли де Форестом в 1907 году вакуумного триода.

В развитие теории и техники усилителей внесли свой вклад и отечественные специалисты. Так, в 1910г. В.И. Коваленков создает усилитель на триоде, а в 1915г. демонстрирует на всероссийском съезде инженеров ­электриков первые в мире макеты телефонных усилителей для международной связи, которые оказались лучшими среди аналогичных усилителей, предложенных специалистами из других стран. Усилители, разработанные В.И. Коваленковым, были использованы в 1922 г. на телефонной линии между Москвой и Ленинградом, а в 1931 г. - между Москвой и Кузбассом.

Транзисторная усилительная техника получила возможность своего развития после изобретения в 1948 году американскими учеными Дж. Бардин, У. Браттейном и У. Шокли трех электродного полупроводникового усилительного элемента - транзистора, ставшего быстро вытеснять электронную лампу из радиотехнических устройств. Большой вклад в развитие теории усилителей внесли такие ученые. Как Х. Найквест, а также Р. Борде, перу которого принадлежит известная монография «Теория цепей и проектирование усилительных устройств с обратной связью».

Стремление к дальнейшему совершенствованию усилительной техники, улучшению ее показателей, привело в конце 60-х гг. к созданию усилителей на основе интегрально (планарной) технологии. Усилители, выполненные с помощью этой технологии, имеют малые габариты и энергопотребление, обладают высокой надежностью, хорошими экономическими и качественными показателями. В разработку методов анализа и расчета усилителей с использованием интегральных микросхем внесли значительный вклад работы таких ученых, как Л. Хьюлсман, Дж. Греш, Р. Видлар, Дж. Ленк, И. Достал. Из отечественных специалистов в этой области можно отметить работы В.А. Шило, А.Г. Алексеенко, Е.А. Калобеа, А.г. Остапенко, Д.Е. Полынникова.

1.2.         Основные характеристики УЗЧ

Номинальная выходная мощность – выходная мощность усилителя, при которой коэффициент нелинейных искажений не превышает допустимую норму.

Максимальная мощность – выходная мощность усилителя, при которой коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала достигает 10%.

Коэффициент нелинейных искажений. Нелинейные искажения вносят нелинейные элементы (транзисторы и диоды). Эти искажения приводят к изменению формы усиливаемого сигнала и на выходе УЗЧ появляются частоты, которых нет в спектре входного сигнала. Если входной сигнал является гармоническим с частотой f, то на выходе образуется сигнал сложной формы, содержащий не только первую гармонику, но и ряд высших гармоник: вторую 2f, третью 3f и т.д. Коэффициент нелинейных искажений находят как квадратичную сумму амплитуд высших гармоник выходного напряжения, отнесенную к амплитуде первой гармоники напряжения.

Номинальный диапазон воспроизводимых частот и неравномерность АЧХ в номинальном диапазоне воспроизводимых частот – диапазон частот воспринимаемых ухом человека, в среднем составляет от 30 до 16000Гц. Высококачественные усилители звуковой частоты имеют диапазон воспроизводимых частот от 20 до 20000 Гц.

Номинальное входное напряжение – входное напряжение, при котором значение мощности на выходе равно номинальному.

Сопротивление нагрузки. Типовое значение сопротивления нагрузки – 4 Ом и 8 Ом. Иногда применяют нагрузку сопротивлением 16 Ом.

Номинальная выходная мощность характеризует возможность усилителя продолжительное время воспроизводить входной сигнал без искажений. Наиболее яркое впечатление от прослушиваемой фонограммы можно получить при оптимальном уровне громкости, который соответствует номинальной мощности УЗЧ. При недостаточной мощности невозможно добиться наибольшего динамического диапазона звучания и фонограмма на слух будет восприниматься как «сжатая» и «плоская». В свою очередь, если выходная мощность УЗЧ чрезмерная, то увеличиваются нелинейные искажения и, кроме того, в ухе появляются болевые ощущения, которые могут привести к его повреждению.

1.3            Классификация усилителей звукового сигнала

Ламповый усилитель – это усилитель, схемотехника которого основана на применении радиоламп в качестве усилительных элементов. Как правило, ламповые усилители менее мощные, чем транзисторные. Схемы ламповых усилителей, по сравнению с аналогичными транзисторными, являются более простыми и задействуют меньшее количество деталей. Характер искажений, вносимых ламповыми схемами в сигнал, существенно менее заметен для человеческого слуха.

Ламповые усилители характеризуются более «тёплым» и «мягким» звучанием с натуральным воспроизведением средних и высоких частот. Недостатком является немного легковесные, затянутые и расплывчатые басы, особенно при неудачном подборе акустики. Ламповый усилитель будет хорошим выбором для любителей джаза, вокала, классики, т.е. той музыки, в которой динамичные, глубокие и мощные басы не используются. Например, цифровые басы клубной музыки являются слабой стороной лампового усилителя.

Недостатки ламповых усилителей

- недостатками лампового усилителя является большее потребление энергии, чем у полупроводникового.

- меньший срок службы ламп, большие габариты и масса аппаратуры.

Транзисторный усилитель – это усилитель, схемотехника которого основана на применении транзисторов в качестве усилительных элементов. Как правило, транзисторные усилители мощнее, чем ламповые и создают меньше трудностей при подборе акустики.

Транзисторные аппараты обладают мощными, глубокими басами и детальным воспроизведением средних и высоких частот, но при неудачном исполнении транзисторных схем, детальность может обернуться "звоном" и "зернистостью" высоких частот, что, в свою очередь, может утомлять слушателя. Транзисторный усилитель будет хорошим выбором для любителей клубной и электронной музыки, современного рока и прочих жанров, где часто используется глубокий и мощный бас.

Недостатки транзисторных усилителей

- нелинейность вольтамперных характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

- большие габаритные размеры и масса

- искажение звучания высоких частот при усилении мощности

Усилитель класса «D» (цифровой усилитель) – это усилитель, работающий только с сигналом в цифровой форме. Как правило, цифровые усилители получают сигнал напрямую с CD-транспорта или с цифровых выходов CD-проигрывателя. Сигнал проходит процесс усиления, постоянно находясь в цифровом виде, а перед подачей его на акустические системы, встроенный в усилитель цифро-аналоговый преобразователь раскодирует его в аналоговую форму.

Цифровые усилители более экономичны в энергопотреблении, чем аналоговые и обладают лучшими показателями соотношения сигнал/шум. Особенный интерес представляют цифровые усилители со встроенными DSP-процессорами, позволяющими корректировать акустику помещения и обладающие множеством других полезных функций.

Единственным существенным недостатком является тот факт, что и цифровых усилителей, обладающих по настоящему аудиофильским качеством звучания, в настоящее время чрезвычайно мало, да и по качеству звука они ещё пока уступают лучшим образцам аналоговых аппаратов.

ГЛАВА 2. Проектирование и сборка лампового усилителя

С точки зрения физики, звук – это колебания звуковых волн. Эти волны чем-то похожи на волны, образующиеся на поверхности воды. Если рассматривать водную волну как аналог звуковой волны, то первый параметр – это скорость распространения волны, второй – это частота волны. По аналогии с водной волной, большая волна – это «бас», средняя волна – это средние частоты, мелкая зыбь – это высокие частоты звука.

Что такое звуковой стандарт Hi-Fi. Это стандарт звуковой аппаратуры, которая соответствует определённым звуковым частотам. Другими словами – это единый стандарт качества, признанный во всём мире.

Человеческое ухо устроено таким образом, что мы слышим звуки от 20 Гц до 20 000Гц (проводя аналогию с водной волной, можно сказать, что 20 Гц – это цунами, а 20 КГц – это мелкая зыбь.

Так вот, не вся звуковая техника соответствует этому стандарту. Создать технику, которая соответствует стандарту Hi-Fi для инженеров-разработчиков всегда было сложной и дорогостоящей задачей. Существует очень много простых и сложных решений, но нет единого правильного пути.

Рассмотрим пример: вы слушаете концерт живой музыки с живым голосом в специальном концертном зале и вам это очень нравится. Цель же инженеров- разработчиков воспроизвести это звучание у вас дома. И дальше начинается всё самое сложное.

Во-первых, нужно правильно записать; во-вторых, сохранить на правильном носителе (не в МР3, а на аналоговом носителе). Следующий этап – усиление записанного. Чтобы акустическая система этот электронный сигнал преобразовала в звук. При этом каждое звено этой цепи должно полностью соответствовать стандарту Hi-Fi.

Если быть ещё более кратким, то мы должны понимать, что любой электронный компонент (даже самой дорогой аппаратуры) вносит свои искажения. Такова физика всех компонентов.

В данном проекте реализована схемотехника усилителя звука с наименьшим количеством электронных компонентов. То есть, если рассматривать прибор «Усилитель звука», то сигнал, пришедший в него с носителя – крайне слабый. Он должен пройти наименьшее количество компонентов и в то же время максимально усилиться.

2.1. Требования к изделию

Название изделия	Усилитель мощности звука
Функциональное назначение	Усиление звукового сигнала, поступающего от звукоснимателя (аудиопроигрывателя, мобильного телефона, компьютера, магнитофона и т.д.),
Пользователь	Неограниченно
Единичное или массовое производство	Единичное
Размеры	Средне-габаритные
Требования к материалам	Экологически чистые с диэлектрическими характеристиками
Метод изготовления	Сборочный
Внешний вид	Соответствующий эстетическим требованиям электронных устройств
Требования с точки зрения безопасности использования	Материалы и составляющие элементы не токсичны и экологически безопасны

 

2.2. Этапы создания домашнего усилителя

На первом этапе мною была проанализирована и собрана информация по созданию лампового усилителя, собрана коллекция схем усилителей, выделены основные решения схемотехник инженеров-разработчиков. В процессе анализа схем предпочтение было отдано схеме, показанной на рисунке:

Рис. 1. Принципиальная схема работы, собираемого усилителя

Далее предстояло найти все необходимые детали и компоненты. Опрос знакомых и друзей дал результаты – детали собирал, что называется «с миру по нитке», разбирая старые магнитофоны, телевизоры, радио – в общем, всю технику, которая имела хоть какое-то отношение к элементарной ламповой базе. Например, по питанию на планшете было 280 В, а в конечном варианте хотелось иметь 300 -350 В; также мощные дроссели и трансформатор звука. Исходя из этих требований и технического задания, которое было поставлено, существующие заводские транзисторы меня не устраивали, а если устраивали по своим характеристикам, то в наличии их не было. Кроме того, некоторые детали были заказаны на одной торговой площадке.

Изготовление силового трансформатора.

Был взят трансформатор с П –образным железом, мощностью 100W. С него были удалены все обмотки. При помощи специального самодельного станка (рис.2.) со счётчиком для намотки был намотан новый провод на катушки трансформатора. Это стало возможным после специальных вычислений, которые доступны в сети Интернет. Через он-лайн таблицу были рассчитаны диаметры проводов и количество витков, необходимые для катушки. С проводом проблем не возникло - частично был использован имеющийся, остальное – докуплено. В итоге получился трансформатор, имеющий входящие 220В и три выходных напряжения: 300В,6В, 6В, где 300В – анодное питание, а два по 6 В – для питания накалов каждого канала.

Рис. 2. Станок для намотки провода

Изготовление дросселей.

Дроссели используются для сглаживания скачков синусоиды после выпрямления диодным мостом. Основным требованием к этой детали является наличие магнитной индукции не менее 5 Гн (Генри). Поэтому было принято решение изготовить их самостоятельно. Для этого потребовались два трансформатора с Ш-образным железом (размер 16*25). Намотку, которая изначально была на них, пришлось смотать и намотать свою обмотку, которая состоит из одного длинного провода. У такого дросселя два контакта: вход и выход.

Проектирование и расчёт звукового трансформатора.

Этот этап работы оказался самым сложным и потребовал много времени. Внешне этот прибор имеет вид обычного трансформатора, имея целый ряд компромиссов. Например, коэффициент трансформации, магнитная индукция, сопротивление обмоток. Создание такого сложного элемента требует особого внимания и по сей день оно не имеет единого правильного решения. Таким образом, нужно было работать в этом направлении.

Первым было решение использовать Ш-образное железо от заводских трансформаторов. Задача заключалась в том, чтобы не просто взять готовое изделие, а увеличить количество пластин на 40%. Это изменение подразумевало самостоятельное изготовление катушек. По нашим чертежам на 3-D принтере в домашних условиях были напечатаны катушки.

Когда Ш образное железо и катушки были готовы, осталось произвести расчёт диаметров провода и количества витков первичной и вторичной обмоток. Собрав информацию по изготовлению Т.В.3. от специалистов и блогеров, которые признаны в  таких интернет-сообществах ,  как  «radio.land», «paseka 24», «habr»,  «9zip»,  «УМЗЧ.РФ», «datagor», «радио Кот», «Аудио Портал», использовал он-лайн калькулятор расчёта Т.В.З. и получил нужные параметры намотки.

Намотка Т.В,З. представляет собой  долгое  и монотонное наматывание тонкого , диаметром 0,15 мм, провода с делением на секции,  между которыми укладывается провод потолще для вторичной обмотки и изоляция. Выполняя эту задачу, спешить и ошибаться в количестве витков нельзя. Это требуется также для безопасности, ведь напряжение, входящее в Т.В.3., порядка 300 – 350 вольт, а на выходе  - динамики , которые  работают от 3-5 вольт.

Изготовление корпуса.

В качестве основы был взят старый видео-магнитофон, из которого были извлечены все детали. На основе этого короба начал выстраивать конечную модель. Расположил все силовые элементы. Без помощи отца я бы не смог обойтись. Им были проведены все работы дрелью, свёрлами, «болгаркой», сварочные работы. После чего все детали были окрашены чёрной матовой эмалью. Сложность с изготовлении корпуса заключалась в том, что нужно было вымерять все отверстия очень точно; кроме того нельзя было забывать и об эстетической стороне вопроса.

Сборка.

Когда корпус и все детали высохли от краски, пришло время всё собрать и спаять всё, как на опытном макете. Здесь тоже были свои сложности, так как вся использованная элементная база была изготовлена современными производителями:

v    переменный транзистор – фирма «Альпс»;

v    конденсаторы 78-17

v    блю-туз модуль для беспроводной связи.

Первый пуск не был успешным на 100 %, так как один Т.В.З. имел замыкание на корпус, которое проявилось только под нагрузкой. Решение данной проблемы заняло ещё 4 дня.

После работы над ошибками передо мной наконец-то находился усилитель, который радовал и звучанием и внешним обликом, а больше всего – осознанием того, что я всё-таки смог собрать рабочее изделие, посредством которого можно смотреть ТВ, слушать музыку уже совершенно в ином качестве по сравнению с тем, к которому привык обыватель.

2.3. Контроль качества.

Готовое изделие должно отвечает следующим требованиям:

·                   Соблюдено единство композиционного решения дизайна и формы изделия.

·                   Выбранные материалы соответствуют прочности, надёжности и назначению изделия.

·                   Технологичное сочетание материалов и элементов

·                   Все элементы скомпонованы и смонтированы, в соответствии с технологией изготовления и инструкциями по их сборке.

·                   Работа оформлена в законченное изделие.

·                   В процессе испытания было установлено, что усилитель соответствует требованиям, ограничениям и параметрам которые были определены во время его проектирования.

Выводы

Гипотеза нашла подтверждение: качественное звучание можно получить только при использовании лампового усилителя. Цель и задачи проекта выполнены.

В результате проделанной работы был собран ламповый усилитель звуковой частоты, который позволяет прослушивать аудио информацию с любого звукового носителя (мобильный телефон, компьютер, аудио проигрыватель, магнитофона и т.д.) Усилитель соответствует заявленным техническим требованиям и характеристикам и является безопасным.

Список используемой литературы

1.                 Ю. В. Иванов, И. А. Мардаре, С. И. Мирошников, Г. Ф. Сорокин. «Радиоаппаратура в вашем доме» Ростов-на-Дону; Феникс 1997г.

2.                 В. Д. Симоненко «Технология» 8,9 класс М.: издательство «Просвещение» 2010г.

3.                 Б. С. Иванов «Самоделки юного радиолюбителя» М. издательство АСТ.2000г.

4.                 Журнал «Радио» Юнилайн №7 1998, №9 1999, №5 2005, №8 2007г.

5.                 Журнал «Сделай сам» KAMROCK  №3 2007, №5 2008, №7 2009г