Как устранить фон в усилителе ЗЧ?
При максимальном усилении в месте с полезным сигналом, так же усиливается и фоновый. Усилители звуковой частоты, вновь создаваемые, готовые или ремонтируемые иногда становятся источником головной боли из-за возникающего сильного фона .
Как же звук сделать чище? В статье, ниже пойдёт речь о том, как устранить источники шума и правильно подобрать радиокомпоненты для усилителя.
Как устранить фон с частотой 50 Гц?
Как правило, усилители питаются от сети переменного тока и очень часто фон бывает с частотой 50Гц. Если такое происходит, то первым делом следует проверить: соединительный провод, разъём, правильно ли подключен микрофон или другой источник звука к предварительному усилителю — общий провод устройства должен быть соединен с оплеткой-экраном шнура. Также проверяем правильно ли подключен выход ПУ и вход усилителя мощности (УМ). Дело в том, что иногда в одном устройстве применяются два усилителя (предварительный и УМ), имеющие разную полярность общего провода. В усилительной схемотехнике такое включение не является проблемой, главное для качественного усилителя совместимость входного сопротивления и собственный уровень шумов усилителя. Однако неправильное (некорректное) подключение усилителей между собой и предварительного усилителя к источнику звука (например, к микрофону) зачастую является причиной фона с частотой 50 Гц.
Для устранения этой проблемы существует простой способ, касающийся включения источников звука к предварительному усилителю (это может быть не только микрофон, но и иной источник с небольшим уровнем сигнала до 10 мВ). Разберем данный способ на основе примера с подключением микрофона.
Центральный проводник в оплетке микрофонного шнура подключается на вход ПУ, как правило, к разделительному конденсатору, ограничительному резистору или делителю напряжения. Оплетка (экран) подключается не к общему проводу напрямую, а последовательно с RC-цепью (параллельно подключенные резистор со¬противлением 2кОм (±20%) и оксидный конденсатор емкостью 10 мкФ с таким же допуском по возможному отклонению от номинала). Здесь сопротивление резистора и конденсатора рассчитано для устройств с напряжением источника питания в диапазоне 6-20 В.
Положительная обкладка оксидного конденсатора в данном случае включается сообразно полюсовке источника питания так, что если общий провод подсоединен к «минусу» источника питания, то оксидный конденсатор подключается к общему проводу отрицательной обкладкой, и наоборот.
Такой метод позволяет устранить фон в большинстве усилителей с различным общим проводом источника питания, в том числе в старых ламповых усилителях, где фильтрация выпрямленного напряжения оставляет желать лучшего.
В большинстве случаев таким способом удавалось решить проблему фона с частотой 50 Гц в динамических головках, возникающую после замены штатного микрофона другим (с близкими электрическими характеристиками).
При создании новых усилителей нужно обратить внимание на разводку печатной платы. Она должна быть разведена так, чтобы дорожки питания сходились к одной точке — на конденсаторах большой ёмкости (фильтрах питания). Также шины или дорожки питания должны быть толстыми. Корпусные дорожки желательно должны покрывать пустые участки платы.
Как подобрать пассивные радиоэлектронные компоненты?
Если проанализировать работу в течение 3-5 лет любых аудио- и видеоусилителей, собранных на дискретных компонентах или с применением таковых, окажется, что шумовые помехообразующие свойства данных усилителей (без исключения, самодельного и промышленного производства), в разной степени неудовлетворительны для требовательного слуха меломана или просто внимательного слушателя, привыкшего к комфорту.
Одним из основных требований, предъявляемым к усилителям, является минимальный шум на выходе. В паспортных данных промышленно изготовленного усилителя, как правило, поставленного на конвейерную сборку, присутствует такой параметр, как отношение сигнал/шум.
Чем ниже этот показатель — тем качественнее усилитель. Наверное, радиолюбители замечали, что сразу после приобретения нового усилителя среднего класса А или В его шумовые характеристики практически удовлетворительны, то есть в динамиках трудно зафиксировать на слух шум самого усилителя.
В процессе эксплуатации этот параметр постепенно ухудшается и вот уже на полной громкости усилителя слышен то ли «шум камыша», то ли иной постоянный шорох.
Как правило, бывший в ремонте усилитель имеет худшие качественные параметры, относительно нового. Объяснений тому может быть несколько — от установки в виде замены тех элементов, что есть в наличие, а не тех, которые необходимы по заданным параметрам (это касается всех радиоэлементов), и целым комплексом других причин. После повторной пайки усилители (как показывает практика) начинают больше шуметь даже с установленными высококачественными элементами. Основное усиление в усилителях прямого преобразова¬ния осуществляется на низких частотах. Поэтому особо важно при сборке усилителя применять те компоненты, которые впоследствии дадут меньше шумовых эффектов.
Источники шумов
По источнику возникновения шумы усилителей можно разделить на внешние и внутренние. С помехами и наводками, вызванными внешними причинами, можно успешно бороться известными способами — с помощью оптимального расположения элементов, экранирования корпуса устройства, фильтрами и фильтрующими оксидными конденсаторами по питанию.
Внутренние шумы усилителя
От внутренних шумов, возникающих в процессе усиления сигнала, избавиться не просто. Внутренние шумы усилителя зависят от схемотехники усилителя (совмести транзисторов и целых каскадов) и возникают при прохождении тока через пассивные (резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы) и активные (транзисторы) элементы схемы.
При разработке или повторении высококачественного усилителя звуковой частоты, кроме оптимального выбора вида схемы, важно правильно подобрать элементную базу и оптимизировать режим работы каскадов усилителя.
В каждом усилителе источником внутренних шумов являются тепловые и токовые шумы постоянных и переменных резисторов, фликкер-шумы конденсаторов, диодов и стабилитронов, флуктуационные шумы активных элементов, вибрационные и контактные шумы.
Контактные шумы возникают при некачественной пайке, произведенной с нарушением температурного режима, в местах соединения разъемов и отслоений контактных площадок печатного монтажа. Количество все-возможных разъемов в усилительной аппаратуре должно быть сведено к минимуму.
Вибрационные шумы — это разновидность контактных шумов. Они могут проявляться при эксплуатации усилителя на подвижных объектах, с вибрацией почвы (основания), в автомобиле и при неоправданно близком расположении мощных динамических головок к конструкции усилителя.
Такие шумы возникают из-за передачи механических колебаний на обкладки конденсаторов, на которые воздействует приложенное напряжение. Особенно подвержены данному недостатку керамические конденсаторы с емкостью более 0,01 мкФ, установленные во входных цепях усилителя и выполняющие роль разделительных. Спектр помехи находится в диапазоне низких частот. Для борьбы с этим явлением желательно применять амортизацию всей конструкции. В оксидных конденсаторах такие помехи не возникают.
Например, звуковой эффект эхо-сигнала — когда в динамических головках (учитывая стереоэффект) отчетливо слышно повторение сигнала. Для некоторых меломанов такой эффект даже приятен и необычен, но по сути, это является недостатком усилителя, хотя бы потому что его невозможно выключить (устранить).
При прямом прохождении тока собственные шумы диодов минимальны. Небольшой уровень шумов все же имеет место — при действии обратного напряжения об¬разуется ток утечки, и чем он меньше — тем меньше шумовые свойства прибора.
Стабилитроны и стабисторы дают больший шумовой эффект (с помощью таких полупроводников даже строят устройства со специальными эффектами — имитаторами шума прибоя, генераторы «белого» и «розового» шума). Чем большее сопротивление имеет ограничительный резистор в цепи стабилитрона (работа на малых токах), тем больше вероятность проявления внутренних шумов стабилитрона.
Рассмотрим шумы, возникающие от пассивных элементов: резисторов и конденсаторов.
Шумы резисторов
Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов. Тепловые шумы вызваны движением электронов в токопроводящем слое, из которого частично состоит резистор.
Такие шумы увеличиваются с увеличением температуры нагрева резистора, и даже температуры окружающей среды.
Частотный спектр тепловых и токовых шумов имеет непрерывный характер. Между тепловым и токовым шумами есть различия. Спектр теплового шума равномерно распределен по всей полосе частот, а у токового шума спадает с примерно 10 МГц. Общая величина шума пропорциональна квадратному корню сопротивления, поэтому у резисторов с низким сопротивлением шумовые качества менее значимы. Кроме того, определяющее значение имеет материал, из которого изготовлены резисторы.
Есть несколько способов борьбы с шумами резисторов. Применение тех типов резисторов, в которых за счет технологии изготовления шумовые свойства менее значимы. У непроволочных резисторов токовые шумы значительно больше тепловых. Общий уровень шума для разных типов сопротивлений находится в диапазоне 0,1-100 мкВ/В.
Подстроечные и переменные резисторы шумят больше постоянных, поэтому их лучше применять с небольшими номиналами или вообще исключить. Тепловые шумы можно значительно сократить, если применять резистор большей мощности рассеяния, чем это технологически требуется.
Тот же эффект достигается принудительным охлаждением резисторов, например, с помощью установленного непосредственно рядом с элементами вентилятора, или помещением всей монтажной платы в холодильник. Параллельное или последовательное включение резисторов для этой цели дает ощутимо меньший эффект, так как возрастает количество контактных соединений, что приводит к увеличению влияния контактных шумов.
Наиболее эффективно использовать в высококачественном малошумящем усилителе звуковой частоты резисторы типов С2-26, С2-29В, С2-33 и резисторы в чип-исполнении (бескорпусные) С1-4. Как наиболее шумовые из популярных резисторов, кроме переменных и подстроечных, показали себя популярные и распространенные типы МЛТ, ОМЛТ.
Резисторы, применяемые в колебательных контурах, усилителях высокой частоты должны обладать только активным сопротивлением, то есть не изменять свое сопротивление в рабочем диапазоне частот. Пограничная частота, на которой будет эффективно работать резистор, зависит от его сопротивления и собственной емкости.
Шумы конденсаторов
Для переменного тока конденсатор представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты. В конденсаторах источником фликкер-шумов является ток утечки.
Наибольший ток утечки у оксидных конденсаторов большой емкости.
Замечено, что утечка увеличивается с увеличением емкости и снижается с увеличением допустимого рабочего напряжения.
Оксидные конденсаторы, установленные на входе и выходе усилителя в качестве разделительных (не пропускают постоянную составляющую напряжения и уменьшают влияние нагрузки или выходных каскадов предварительного усилителя на работу основного усилителя) существенно увеличивают внутренние шумы усилителя. Поэтому желательно вместо них применять пленочные конденсаторы (например, К10-17, К10-28, К10-23, КТ4-23, К73-3, К73-9, К73-17, К76-3, К10У-5, КД-1, К76-П2, КМ-5, КМ-6, из импортных-KWC), хотя это, во-первых, приведет к существенному увеличению размеров конструкции, а во-вторых, выходные конденсаторы таким образом заменить не удастся из-за относительно больших емкостей.
Оксидные конденсаторы вообще являются значительным источником фликкер-шумов, которые образуются в усилителе с течением времени. По этой же причине желательно избегать их применения в цепях прохождения сигнала.
При выборе компонентов для высококачественного усилителя необходимо принимать во внимание, кроме электрических параметров, срок изготовления и фирму-производителя. Как правило, производитель гарантирует паспортные параметры в течение ограниченного срока 3-8 лет. При длительном периоде хранения оксидных конденсаторов до введения их в рабочий режим, их токи утечки заметно возрастают.
Выбор оксидного конденсатора для электронного устройства
При выборе оксидного конденсатора для выходных каскадов УЗЧ необходимо стремиться к тому, чтобы ток утечки не превышал значения 0,1 мА/1 мкФ. Рабочее напряжение такого конденсатора должно в два раза превышать максимальное расчетное напряжение в действующей цепи. Подача напряжения обратной полярности недопустима. Несоблюдение полярности алюминиевых оксидных конденсаторов (К50-29, К50-20, К50-24, К50-35 и аналогичные) приводит к короткому замыканию цепи и нередко заканчивается взрывом конденсатора, если он находится под напряжением!
Для предотвращения несчастных случаев, которые возможны при несоблюдении полярности конденсатора, желательно использовать конденсаторы с предохранительными отверстиями на корпусе. В цепях с переменной полярностью желательно использовать керамические неполярные конденсаторы.
При эксплуатации оксидных конденсаторов в качестве разделительных при малых напряжениях учитывают наличие у них собственной ЭДС с действующим значением до 1 В. Это значение может совпадать или не совпадать с полярностью конденсатора.
Не допускайте, чтобы оксидный конденсатор находился под напряжением, превышающим его рабочее напряжение (допустимо только кратковременное перенапряжение, несколько секунд).
При прохождении через конденсатор импульсного тока обращают внимание на максимальное напряжение на конденсаторе (сумма постоянного напряжения и напряжения пульсаций — если конденсатор включен в электрическую цепь как сглаживающий пульсации фильтр), чтобы оно не превышало номинального значения. В противном случае этот приводит к преждевременному отклонению электрических характеристик конденсаторов (особенно оксидных) от номинальных.
Перспектива развития пассивных радиокомпонентов
Электронные компоненты на основе так называемых «твердых элементов» начинают вытеснять традиционные, производимые на основе сегодняшних технологий. Японские и американские технологи почти одновременно получили особый «твердый электролит», созданный из порошковой смеси различных металлов и специальных полимеров, модификации, которого применяют в гальванических элементах и оксидных конденсаторах (ионисторах) сверхбольших емкостей.
Гальванический элемент из такого материала при толщине 1 микрон дает напряжение до 0,5 В. Батарея из таких элементов толщиной 0,1 мм и площадью два квадратных сантиметра дает напряжение до 70 В.
Применение «твердых электролитов» для производства новых типов конденсаторов, удельная емкость которых в тысячи раз превосходит существующие. Электронным компонентам, созданным по новой технологии, можно придавать любую геометрическую форму, что позволит «вписывать» их в печатные платы, а также размещать их поверх других компонентов, увеличивая в десятки раз плотность монтажа.
А.П.Кашкаров «Секреты радиомастеров»
Источник