Усилитель НЧ с экспандером

Н. Зыков, Радио №12/1966, ст.29

Мы привыкли считать, что каче­ство или верность звукового вос­произведения определяется дву­мя основными факторами: частотной характеристикой и нелинейными искажениями тракта «запись — пе­редача — воспроизведение». Между тем на качество воспроизведения оказывает большое влияние и третий фактор — динамический диапазон звукопередачи.

Под динамическим диапазоном, выражаемом в децибелах, подразу­мевается отношение наибольшей громкости звука к наименьшей, или разность уровней звукового давле­ния самого громкого и самого сла­бого звуков.

Действительно, наряду с мелодией и ритмом музыкального произведе­ния динамический диапазон оказы­вает сильное эмоциональное воздей­ствие на слушателя, что особенно характерно для оркестровой музыки, обладающей громадным динамиче­ским диапазоном.

Если сопоставить данные, харак­теризующие интенсивность и дина­мические диапазоны звуков (см. таблицу), можно выделить три груп­пы исполнения, различающиеся ди­намическим диапазоном.

К первой группе, характеризуе­мой сравнительно небольшим дина­мическим диапазоном 25—45 дб, относятся такие виды исполнения, как художественное чтение, сольное пение, инструментальное соло и т. д. Вторая группа, включающая не­большие вокальные или инструмен­тальные ансамбли, имеет динамиче­ский диапазон 40—55 дб. И, наконец, третья, оркестровая группа обладает максимальным уровнем громкости 80—100 дб и максимальным динами­ческим диапазоном 50—75 дб.

Передача и воспроизведение музы­кальных произведений с динами­ческим диапазоном 45—75 дб через современные электроакустические тракты зачастую не представляются возможными, и естественный дина­мический диапазон при передаче сознательно искажается — сжи­мается до 35—40 дб. В зависимости от акустических и технических усло­вий и возможностей установлены следующие нормы динамического диапазон (дб):

• радиовещание и грамзапись 35
• вещание по набелю . 50
• местное звукоусиление 65
• профессиональная магнитнаязапись . . . . 55

Степень ограничения динамиче­ского диапазона звуковоспроизводя­щим трактом — усилителем НЧ, приемником, магнитофоном и т. п.— определяется выходной мощностью (верхний уровень диапазона) и уровнем собственных шумов прием­ной или воспроизводящей аппара­туры (нижний уровень диапазона).

Уровень громкости воспронзведения зависит также от уровня шумов помещения. Считается, что громкость самых слабых звуков передачи долж­на быть на 10—15 дб выше уровня шумов помещения.

Современные высококачественные звуковоспроизводящие устройства могут обеспечить передачу музыкаль­ных программ с достаточно широким динамическим диапазоном. Однако большинство приемных, звукозапи­сывающих и звуковоспроизводящих устройств бытового применения име­ют несравненно худшие показатели и являются главной причиной огра­ничений динамического диапазона. Так, например, радиоприемники, телевизоры и магнитофоны II—IV классов, не говоря уже о миниатюр­ных транзисторных приборах, не могут воспроизвести звуковой диа­пазон более 30—40 дб вследствие высокого уровня собственных шумов и малой выходной мощности.

Поэтому ограничение (сжатие) ди­намического диапазона на передаю­щей стороне является необходимым. Осуществляется оно либо автомати­чески с помощью специального уст­ройства — компрессора, либо вруч­ную оператором-тонмейстером. В про­цессе компрессирования на пиках громкости усиление уменьшается и, наоборот, при очень малых уровнях громкости усиление повышается.

Восстановление естественного ди­намического диапазона можно осу­ществить при помощи экспандера — расширителя динамического диа­пазона. Процесс экспандирования должен иметь ту же закономерность, что и компрессирование на передаю­щей стороне. Сохранить эту законо­мерность очень трудно, если учесть, что сжатие динамического диапазона часто осуществляется вручную. В си­лу этого и ряда других причин до настоящего времени экспандирова- ние — расширение динамического диапазона — широкого распростра­нения не получило.

Принцип действия экспандера

Ранее разработанные схемы экс­пандеров имели много недостатков и отличались сравнительно большими искажениями частотной характери­стики и нелинейными искажениями, были критичны к уровню сигналов на входе экспандера и т. и. Эти схемы были во многом подобны схемам АРУ радиоприемника. В качестве авто­регулируемого усилителя использо­валась лампа с переменной крутиз­ной сеточной характеристики.

В последнее время начали полу­чать распространение схемы экспан­деров с частотнозависимым изменением динамического диапазона. Блок-схема такого экспандера пока­зана на рис. 1.

Как видно из рис. 1, связь между первым и вторым каскадами предва­рительного усилителя НЧ осуще­ствляется через делитель  R_g C_g R_j  

Так как сопротивление R_j (внут­реннее сопротивление триода) — величина переменная и зависит от входного сигнала, то величина сиг­нала на входе второго каскада пред­варительного усилителя будет опре­деляться коэффициентом деления Для экспандера, схема кото­рого приведена на рис. 2, этот коэф­ициент будет равен:

Сопротивлением конденсатора C_g можно пренебречь, так как на сред­них и высших частотах оно достаточ­но мало.

Рассмотрим подробнее принци­пиальную схему экспандера. Сигнал нивкой частоты, снимаемый с анода лампы Л₁, через дифференцирую­щую цепочку С₁ С₂, R₃ подается на переключатель уровня экспандиро- вания. Дифференцирующая цепочка предотвращает срабатывание экс­пандера при пиках напряжения в области басов, обладающих ярко выраженным ударным характером (барабан, контрабас, труба-бас и т. и.). Аналогичное воздействие на частотную характеристику экспан­дера оказывают конденсатор С₄ и резистор R₈.

Снимаемые с анода усилителя Л₃ сигналы детектируются и через ин­тегрирующую цепочку R₉Ć₅R₁₀C₆ подаются на управляющую сетку лампы Л₄. Постоянная времени на­растания управляющего напряже­ния на выходе интегрирующей це­почки составляет 0,2—0,3 сек. Время спадания напряжения несколько больше (0,5—0,6 сек), так как оно определяется еще сопротивлением нагрузки детектора (резистор R₈).

В начальный момент времени, когда сигнал звуковой частоты на входе экспандера отсутствует или очень мал, управляющее напряже­ние на сетке лампы Л₄ отсутствует и лампа открыта (R_j=мин.).

По мере возрастания входного сигнала увеличивается управляющее отрицательное напряжение, снимае­мое с детектора, которое запирает лампу Л₄, увеличивая тем самым коэффициент передачи напряжения звуковой частоты на управляющую сетку Л₂.

При максимальных уровнях вход­ных сигналов управляющее напря­жение закроет лампу Л₄ (R_j=макс), коэффициент усиления усилителя НЧ возрастает до максимального и будет соответствовать максималь­ному расширению динамического диапазона. Лампа Л₄, помимо регулирования динамического диапазона, выпол­няет еще одну функцию — инди­катора экспандирования, что облег­чает возможность правильной уста­новки режима работы экспандера., При пиках громкости (фортиссимо) темный сектор должен закрываться.

Конденсатор Cg обеспечивает ком­пенсацию в области низких частот при малых уровнях громкости (пиа­ниссимо). Его действие аналогично действию конденсаторов в компен­сированных регуляторах громкости. Поэтому частотная характеристика экспандера в области низких частот имеет характер, соответствующий особенностям слухового восприятия.

В соответствии с частотной харак­теристикой экспандера (рис. 3) сте­пень расширения динамического диа­пазона по мере уменьшения частоты, начиная с 300—400 гц, резко умень­шается и на частоте 20 гц будет равна нулю.

Переключение режимов работы экспандера производится с помощью клавишного устройства. При нажа­тии клавиши II (как показано на рис. 2) чувствительность экспандера максимальна и расширение дина­мического диапазона максимально. Если нажата клавиша I, то расши­рение динамического диапазона будет невелико, так как на вход лампы подается только часть низкочастот­ного управляющего напряжения. Выключение экспандера произво­дится клавишей 0.

На рис. 4 представлена схема экспандера, отличающаяся тем, что функции регулирования уровня экс­пандирования и динамического диа­пазона разделены. С помощью потен­циометра R₄ возможна плавная ре­гулировка динамического диапазона экспандера в пределах 2—12 дб. Переключатель динамического ре­гистра П₁ осуществляет установку начального уровня экспандирования.

Предлагаемые схемы экспандеров предусматривают расширение дина­мического диапазона на 10—12 дб и практически не создают дополни­тельных нелинейных искажений. Конструктивно экспандер можно вы­полнить в виде приставки к любому усилителю НЧ, имеющему достаточ­ный запас выходной мощности, так как расширение звукового динами­ческого диапазона на 10 дб означает увеличение звуковой мощности в И) раз.

Основные технические данные усилителя НЧ с экспандером

Номинальная выходная мощность усилителя 12 вт. Максимальная чувствительность с гнезд звукосни­мателя — 100—150 мв, с трансляци­онной линии — 10 в. Усилитель воспроизводит полосу звуковых ча­стот от 30 гц до 18 кгц с неравномер­ностью ±2,5 дб. Коэффициент не­линейных искажений на частоте 1 кгц при выходной мощности 6— 8 вт менее 1%. Активное сопротив­ление нагрузки усилителя может находиться в пределах 1,5—9 ом.

Уровень шумов—50 дб, при ра­боте с экспандером — 60 дб (высо­кочастотные шумы). Расширение ди­намического диапазона — 10—14 дб.

Размеры деревянного корпуса уси­лителя— 350X280X130 мм. Уси­литель может питаться от сети пере­менного тока напряжением 110, 127 и 220 в, потребляемая мощность — 100 вт.

Принципиальная схема

Принципиальная схема усилителя приведена на 1-й стр. вкладки.

Па входе усилителя имеется пере­ключатель рода работы П₁, с по­мощью которого к усилителю могут быть подключены радиоприемник, телевизор, магнитофон, а также трансляционная линия (через дели­тель R1R2).

Между первым и вторым каска­дами предварительного усилителя, собранными на лампе Л₁, включен экспандер, работающий на лампах Л6 и Л7 отличие от ранее приве­денных схем в данной схеме экспан­дера уровень экспандирования мо­жет плавно регулироваться при по­мощи потенциометра R46. Правый по схеме триод лампы Л₆, использу­емый как детектор, включен диодом, для чего его управляющая сетка соединена с анодом. Левый триод работает усилителем. Включение или выключение экспандера осуществля­ется выключателем Вк₁, объединен­ным с потенциометром R₄₆.

Чтобы регулирование громкости не вызвало изменения заданного динамического диапазона, регуля­тор громкости R₁₀ установлен после экспандера, на входе второго каскада.

Регуляторы тембра низших и выс­ших частот используют частотно­зависимую отрицательную обратную связь и отличаются широкими пре­делами регулировки тембра (12— 16 дб) и минимальными искаже­ниями. 

Предоконечные и фазоинверсный каскады выполнены на лампах Л₂ и Л₃. Оконечный каскад двухтактный, с разделенной катодной нагрузкой. Это разделение сделано с целью по­вышения симметрии анодных токов ламп оконечного каскада, так как при высоких анодных напряжениях 310—320 в возможен триггерный эффект, вызывающий разбаланс и в конечном итоге перегрев и быстрый выход из строя ламп оконечного каскада. Для стабилизации нагрузки оконечного каскада в области выс­ших частот параллельно первичной обмотке выходного трансформатора включены выравнивающие цепочки из резисторов R₄₂, R₄₃ и конденса­торов С₂₃, С₂₄.

Три последних каскада охвачены глубокой отрицательной связью, на­пряжение которой снимается с вто­ричной обмотки выходного трансфор­матора и подается в катодную цепь лампы Л₃.

Детали

За исключением выходного транс­форматора все детали усилителя покупные. Силовой трансформатор Тр₁ от приемника «Фестиваль» собран на сердечнике из пластин Ш20, тол­щина набора 45 мм. Сетевая обмотка содержит 2 X (50+315) витков про­вода ПЭЛ 0,38, повышающая — 700 витков провода ПЭЛ 0,29. Об­мотка накала ламп — 17+4 витка провода ПЭЛ 1,0. Имеющаяся в трансформаторе дополнительная об­мотка накала (на схеме не показана), содержащая 45 витков провода ПЭЛ 0,29, может быть использована для питания накала ламп предваритель­ного усилителя постоянным током с целью уменьшения фона.

Дроссель фильтра Др₁ — большой дроссель от телевизора «Рубин-102» (индуктивность 4 гН), собран на сердечнике из пластин УШ16, тол­щина набора 32 мм, обмотка его имеет 2200 витков провода ПЭЛ 0,25.

Выходной трансформатор усили­теля Тр₂ собран на сердечнике из пластин Ш19, толщина набора 40— 45 мм. На рис. 5,а и 5,6 показаны принципиальная схема выходного трансформатора и один из вариантов расположения его обмоток. Намотку трансформатора нужно производить аккуратно, виток к витку. Во избе­жание пробоя изоляции провода между слоями необходимо прокла­дывать один слой тонкой лакотканп или два слоя конденсаторной бумаги, а между обмотками два слоя лако­ткани или плотной бумаги. Вместо конденсаторной бумаги можно использовать тонкую папиросную (рисовую).

Сначала проводом ПЭВ-2 1,0— 1,2 мм наматывают 40+12+16+18=86 витков вторичной обмотки, затем обе половины первичной об­мотки 1—2 и 3—4, имеющие по 1500 витков провода ПЭВ-2 0,18— 0,21. При намотке второй половины катушку поворачивают на 180° для того, чтобы обмотки 1—2 и 3—4 были строго симметричны с целью умень­шения индуктивности рассеяния.

Выводы трансформатора должны быть изолированы хлорвиниловой пли кембриковой трубкой. Выводы обмоток делаются тем же проводом, каким выполнены обмотки, для выво­дов 1—4 провод складывается втрое. Крепить выводы нужно суровыми нитками. После сборки трансформа­тора выводы лучше распаять на монтажных планках, установив их на трансформаторе.

Пригодны и готовые выходные трансформаторы от приемников «Фе­стиваль», «Люкс», «Дружба» пли от магнитофона «Днепр-11».

Конструкция и монтаж усилителя

Усилитель смонтирован на короб­чатом шасси из дюралюминия тол­щиной 1,5 мм пли стали толщиной 0,8—1 мм. Размеры шасси 270X220X25 мм. Сверху на шасси установлены лампы, электролити­ческие конденсаторы, дроссель филь­тра, силовой и выходной трансфор­маторы, остальные детали располо­жены в подвале шасси. Монтажная схема усилителя показана на вклад­ке.

В качестве несущих монтажных элементов используются лепестки ламповых панелей, выводы электро­литических конденсаторов, а также монтажные планки с контактами. Планки изготавливают из текстоли­та, гетинакса или оргстекла, контакты можно выполнить в виде штырьков из медной луженой про­волоки диаметром 1 мм или лепест­ков из белой жести. На лицевой вер­тикальной панели укреплены потен­циометры R₁₀, R₄₆, R₁₄ и R₁₇, а также переключатель П₁. Размеры панели 325X100X1,5 мм. В правой части панели прорезано около 18X14 мм для экрана лампы 6Е1П, установлен­ной на кронштейне. Лицевая панель (рис. 6) крепится к шасси посредством П-образной скобы, выгнутой из листо­вого дюралюминия, на расстоянии 35 мм от переднего края шасси. Скоба одновременно служит экраном потен­циометров.

Смонтированный усилитель поме­щается в деревянный корпус, изго­товленный из толстой фанеры. Раз­меры корпуса определяются габари­тами шасси. Для вентиляции в верх­ней части корпуса рекомендуется просверлить 10—15 отверстий диа­метром 12—15 мм.

Налаживание усилителя

Налаживание усилителя сводится к проверке режимов ламп и подбору сопротивления резистора R₄₄, оп­ределяющего величину отрицатель­ной обратной связи оконечного ка­скада, а также к установке режима индикатора Л₇.

Контрольные измерения основных параметров усилителя и подбор об­ратной связи производятся с помо­щью простейшей аппаратуры. Ме­тоды измерений описывались в ли­тературе