Усилительно-коммутационное устройство с сенсорным управлением
Наиболее слабым, с точки зрения надежности, звеном звукоусилительного тракта является узел коммутации, выполняемый, как правило, на переключателях П2К. Надежность и качество работы этого звена можно значительно повысить, применив сенсорное управление и электронную коммутацию.
Предлагаемое усилительно-коммутационное устройство (УКУ) с сенсорным управлением построено на интегральных микросхемах серий К140, К190, К134 и транзисторах и предназначено для высококачественного воспроизведения стереофонических и монофонических программ от магнитофона, электрофона, тюнера и телевизора.
Выходная мощность усилителя 2 X 30 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и коэффициенте нелинейных искажений не более 0,5% в диапазоне частот 10 Гц — 30 кГц. Чувствительность со входа «Тюнер» составляет 100, а остальных трех входов — 250 мВ (входное сопротивление во всех случаях равно 100 кОм). Сигнал на выходе «Запись на магнитофон» 100 мВ, выходное сопротивление 10 кОм. Стереобаланс в каждом канале регулируется в пределах ±14 дБ. Пятиполосный регулятор тембра на частотах 40 и 200 Гц; 3; 7,5 и 16 кГц обеспечивает пределы регулировки не менее ±20 дБ. Рассогласование каналов по усилению и частотным характеристикам не более 2 дБ.
В составе УКУ блок сенсорного управления выполняет следующие функции: обеспечивает включения УКУ в режимы воспроизведения программ с любого из четырех входов и в режим акустического контроля фонограммы, записываемой на магнитофон с раздельными каналами записи и воспроизведения; осуществляет переключение режимов «Моно-Стерео», включение шумоподавителя и ступенчатое снижение громкости на 20 дБ.
Рис. 1. Функциональная схема УКУ
Стереофоническое УКУ, функциональная схема которого приведена на рис. 1, содержит два идентичных канала (левый и правый), каждый из которых включает в себя функционально законченные предусилитель с регулировками и оконечный усилитель мощности. Кроме того, в составе УКУ имеются общие для обоих каналов блок сенсорного управления, коммутатор и блок питания.
Сигналы с входных разъемов XI — Х4 поступают на электронный коммутатор, управление которым осуществляется сигналами с сенсорного блока. С выхода коммутатора нормированный по амплитуде сигнал поступает на входы предварительных усилителей левого и правого каналов. Каждый предусилитель содержит цепи регулировок громкости, стереобаланса и тембра, а также пороговый шумоподавитель и ступенчатый делитель сигнала на 20 дБ, включаемые сигналами с блока сенсорного управления.
С выходов предусилителей сигнал поступает на входы усилителей мощности, а затем — на выходные разъемы УКУ, предназначенные для подключения громкоговорителей и головных телефонов. С выходов усилителей мощности сигнал поступает также на индикаторы уровня мощности.
Блок сенсорного управления предназначен для управления режимом и индикации работы УКУ. Блок состоит из двух независимых узлов: переключателя входов на 4 положения с зависимым выключением и четырех переключателей режимов работы с независимым выключением. Сенсорные площадки представляют собой металлические стержни, концентрически расположенные в отверстиях передней панели, поверхность которой служит корпусным проводником. Прикосновение пальца одновременно к стержню и корпусу включает между ними сопротивление тела человека (<2 МОм); тем самым обеспечивается срабатывание соответствующей ячейки блока сенсорного управления.
Переключатель входов, принципиальная электрическая схема которого изображена на рис. 2, содержит четыре (по числу входов УКУ) ячейки, каждая из которых собрана по схеме несимметричного триггера на биполярном и полевом транзисторах.
В исходном состоянии и биполярные транзисторы V2 — V5, и полевые (транзисторы VI.1 — VIA интегрального коммутатора К190КТ2) заперты.
Однако при прикосновении, например к сенсорной площадке «Магнитофон», транзистор VI.2 открывается, и его ток стока открывает транзистор V3. Благодаря положительной обратной связи через резистор R8 коллектора транзистора V3 с затвором транзистора V1.2 этот процесс протекает лавинообразно, заканчиваясь насыщением транзистора V3.
Рис. 2. Принципиальная схема переключателя входов
Рис. 3. Принципиальная схема переключателя режимовВсе ячейки связаны между собой через резистор R2, являющийся истоковой нагрузкой управляемых полевых транзисторов. Поэтому прикосновение к любой другой площадке переключателя вызовет не только опрокидывание соответствующего этой площадке триггера, но и увеличение падения напряжения на резисторе R2, закрыванию транзистора V1.2 и возвращению триггера ячейки «Магнитофон» в исходное состояние. Резистор R2 выбирают такой величины, чтобы невозможно было включить одновременно более одного входа. Конденсаторы С1, СЗ, С5 и С7 защищают устройство (см. рис. 2) от случайных включений, а конденсатор С1, кроме того, обеспечивает автоматическую установку электронного переключателя входов в положение «Звукосниматель» при включении напряжения питания.
Коллекторные потенциалы транзисторов V2 — V5 служат управляющими для коммутатора. Состояния триггеров, т. е. подключения входов устройства индицируются на передней панели УКУ лампами HI — Н4, включенными в коллекторные цепи биполярных транзисторов.
Переключатель режимов, выполненный по принципиальной электрической схеме рис. 3 собран на полевых транзисторах VI.1 — VIA микросхемы К190КТ2, инверторах D1.1 и D1.2 (микросхема К134ЛБ1А), четырех JK-триггерах D2 и D3 микросхем К134ТВ14 и транзисторах V5 — V9. Полевые транзисторы в исходном состоянии заперты; открываются прикосновением к соответствующей сенсорной площадке. Так, например при прикосновении к сенсорной площадке «Моно-Стерео», открывается транзистор VI.1 и нарастающее падение напряжения на резисторе R2 его стоковой нагрузки, действуя через инвертор, опрокидывает триггер. С выходов триггера управляющие сигналы через ключевые каскады на транзисторах V6, V7 поступают на электронный коммутатор и индикаторную лампу Н2. Повторное прикосновение к сенсорной площадке «Моно-Стерео» возвращает транзистор VI.1 и остальные элементы этой ячейки в исходное состояние.
Триггер ячейки «Моно-Стерео» в отличие от остальных ячеек, нагружен на два транзистора — V6 и V7. При включении УКУ в режим работы «Стерео» транзистор V6 формирует сигнал управления, a V7 включает индикаторную лампу Н2. В остальных ячейках переключателя режимов (см. рис. 2, б) обе эти функции выполняет один и тот же ключевой транзистор. Цепи индикаторных ламп в этих ячейках шунтированы резисторами Rll, R24 и R25, что обеспечивает работоспособность транзисторных ключей даже в случаях перегорания индикаторных ламп HI, НЗ, Н4.
При включении напряжения питания резистор R19 и конденсатор С2 обусловливают некоторую задержку появления напряжения на входах R триггеров. Таким образом, УКУ автоматически включается в режим работы «Стерео» с шумоподавлением.
Рис. 4. Принципиальная схема электронного коммутатора
Сигнал с входных разъемов УКУ XI — Х4 поступает на электронный коммутатор, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 4. Здесь осуществляется нормирование сигнала по амплитуде, а также все необходимые переключения в соответствии с командами блока сенсорного управления, Электронный коммутатор собран на микросхемах К1нОКТ2.
Управление полевыми транзисторами осуществляется с помощью делителей напряжения питания минус 24 В, образованных резисторами R27, R29, R30, R32, R34 — R42 и переходами коллектор — эмиттер ключевых транзисторов V2 — V5 (см. рис. 2) и V6, V9 переключателя режимов (см, рис. 3). Таким образом, состояние каналов коммутатора (см. рис. 4) определяется состоянием ключевых транзисторов блока сенсорного управления. Так, например, когда транзистор V3 в схеме рис. 2 заперт, потенциал его коллектора близок к +24 В, а в коммутаторе (см. рис. 4) на затворах полевых транзисторов V5.3 и V5.4 микросхемы К.190КТ2 потенциал близок к нулевому, что обеспечивает запертое состояние каналов VS.3 и V5.4 и тем самым надежное (с сопротивлением, превышающим 100 МОм), отключение входа «Магнитофон» УКУ от предварительных усилителей. При прикосновении же к сенсорной площадке «Магнитофон» транзистор V3 (см. рис. 2) открывается до насыщения и потенциал его коллектора с +24 В уменьшается практически до нулевого. Поэтому и в устройстве на рис. 4 потенциал на затворах полевых транзисторов V5.3 и V5.4, обеспечиваемый делителем напряжения на резисторах R30, R37, уменьшается примерно до минус 12 В. Тогда полевые транзисторы V5.3 и V5.4 коммутатора (см. рис. 4) открываются, обеспечивая тем самым подключение входа «Магнитофон» УКУ к предварительным усилителям через сопротивление, не превышающее 100 Ом. Сигнал на выход УКУ «Запись на магнитофон» поступает после нормирования амплитуды с истоковых повторителей на полевых транзисторах VI и V2. В режиме «Акустический контроль» прослушивание фонограммы осуществляется со входа «Магнитофон», при этом с остальных трех входов УКУ можно производить только запись на магнитофон, выбирая источник сигнала обычным образом. Это достигается отключением от входов предусилителей остальных трех входов УКУ путем запирания транзисторов V4.2 и V4.4 напряжением, снимаемым со стока транзистора V8 при его открывании по команде «Акустический контроль» с блока сенсорного управления. По команде «Моно» выходы электронного коммутатора замыкаются между собой через открывающиеся транзисторы V5.1 и V5.2.
Предварительный усилитель в каждом канале устройства выполнен по принципиальной электрической схеме рис. 5 на интегральных операционных усилителях А1 — А4 (К140УД7) и полевых транзисторах VI и V2 КП304А.
Сигнал с выхода электронного коммутатора подается на первый каскад, выполненный на микросхеме А1 не-инвертирующим усилителем с большим входным сопротивлением и коэффициентом усиления 20 дБ. Включением конденсатора С2 полоса пропускания этого каскада ограничена до 30 кГц для уменьшения проникновения на выход устройства помехи частоты подмагничивания в режиме записи на магнитофон.
При включении о блока сенсорного управления команды « — 20 дБ» транзистор VI открывается и шунтирует резистор R6, снижая тем самым коэффициент усиления первого каскада до 0 дБ.
Рис. 5. Принципиальная схема одного из каналов
С выхода микросхемы А1 сигнал подан на регулятор стереобаланса и на вход шумоподавителя, собранного на базе микросхемы А2.
Шумоподавитель работает следующим образом. Интегральный операционный усилитель А2 нагружен на детектор, содержащий диод V4 и конденсатор С7. В случае превышения входным сигналом порога, задаваемого при помощи потенциометра R14, выпрямленный выходной сигнал микросхемы А2 заряжает конденсатор С7 через резистор R11. При этом напряжение на конденсаторе С7 из отрицательного, поступающего с делителя на резисторах R16 и R3, становится положительным и закрывает транзистор V2, шунтировавший выход регулятора громкости. Таким образом, примерно через 0,1 с после превышения сигналом порога он воспроизводится на выходе. После прекращения сигнала в паузе резкое уменьшение коэффициента усиления происходит примерно через 1 с. Таким образом, выключение шумоподави-телем звуковоспроизводящего тракта УКУ происходит тогда, когда слушатель еще не успел привыкнуть к снижению громкости и ощутить шумы и фон в паузе фонограммы. В случаях воспроизведения фонограммы, динамический диапазон которой превышает 40 дБ, шумо-подавитель может исказить звучание, выключая звуки малой громкости. В подобных случаях шумоподавитель такого типа, вообще говоря, не нужен, и его поэтому следует выключать.
С выхода тонкомпенсированного регулятора громкости (элементы схемы тонкомпенсации: R4, R5, R7, СЗ, С5) сигнал поступает на вход микросхемы A3, включенной по схеме повторителя с большим входным сопротивлением, а затем на темброблок, потенциометры регулировки тембра которого включены между входами операционного усилителя А4. Поэтому в зависимости от положения движков потенциометров регулировки тембров (резисторы Rl — R5 на схеме рис. 7) сигнал ослабляется либо усиливается в полосе частот, г определяемой контуром каждого потенциометра. С выхода микросхемы А4 сигнал поступает на усилитель мощности.
Усилитель мощности, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис. 6, содержит входной каскад на операционном усилителе А1 (К140УД5Б), усилительный каскад на транзисторе V5 и выходной двухтактный каскад на транзисторах V9 — V14. Усилитель мощности охвачен двумя цепями обратной связи: параллельной отрицательной по напряжению, через ре-зистивный делитель R6 и R8, задающий также коэффициент усиления всего усилителя, и последовательной положительной по току на элементах R2, R3j R4, R5, С1, СЗ, осуществляющей активное демпфирование громкоговорителя.
Транзистор V5, включенный по схеме с общим эмиттером, осуществляет дополнительное усиление напряжения, поскольку амплитуда сигнала на выходе микросхемы А1 (К140УД5Б) недостаточна для работы мощного оконечного каскада.
Рис. 6. Принципиальная схема усилителя мощности
Выход микросхемы А1 гальванически связан с базой транзистора V5 с помощью стабилитронов V3 и V4. Такая связь позволила обеспечить согласование исходных уровней этих каскадов без потери коэффициента усиления по напряжению.
Выходной каскад усилителя мощности выполнен по двухтактной схеме и работает на однотактную нагрузку. Стабилизация начального тока выходного каскада осуществляется местной тепловой обратной связью с помощью транзистора V6, корпус которого имеет хороший тепловой контакт с радиатором оконечных транзисторов V13, V14. Потенциометр R17 предназначен для установки тока покоя выходного каскада.
Усилитель защищен от короткого замыкания и перегрузки по выходу применением нелинейной отрицательной обратной связи по току, выполненной на элементах R30, R31 и V7, V8. В случае когда сила тока через выходные транзисторы V13 или V14 превышает 3 А, транзистор V7 (или V8 соответственно) откроется и ограничит уровень входного сигнала, что в свою очередь ограничит и уровень тока через транзисторы V13 и V14.
Глубокая отрицательная обратная связь в усилителе мощности позволила значительно снизить нелинейные искажения, обусловливаемые неидентичностью параметров выходных транзисторов, и, кроме того, использовать для питания оконечного каскада нестабилизированный выпрямитель без ухудшения практически отношения сигнал/фон на выходе усилителя. В частности, применение нестабилизированного источника питания значительно повысило КПД устройства в целом.
За счет 100%-ной отрицательной обратной связи по постоянному напряжению (резисторы R6 и R8 и конденсатор С2) исключается постоянный ток через нагрузку, гальванически связанную с усилителем мощности. Действительно, на выходе усилителя мощности дрейф постоянного напряжения не превышает ±20 мВ при изменениях температуры окружающей среды от — 20 до + 60° С.
Операционный усилитель А1 питается от стабилитронов VI и V2.
Конденсаторы С4 — С7 обеспечивают устойчивость усилителя при замкнутой петле отрицательной обратной связи по напряжению.
Высокочастотный дроссель Ы, включенный в цепь эмиттера выходного транзистора V14, обеспечивает устойчивость выходного каскада на частотах 5 — 20 МГц.
Конденсатор С8 является форсирующим: он уменьшает динамические искажения, вносимые квазиэмиттерным повторителем на транзисторах V10, V12, V14.
Верхняя граница полосы пропускания усилителя мощности по уровню — 3 дБ составляет 140 кГц. Таким образом, обеспечена высокая линейность фазовой характеристики усилителя до частот 20 кГц. Быстродействие усилителя мощности составляет 5 В/мкс, что обеспечивает высокую точность воспроизведения и отсутствие динамических искажений импульсных сигналов.
Принципиальная электрическая схема соединения функциональных устройств УКУ представлена на рис. 7. Там же приведены принципиальные электрические схемы регуляторов громкости, тембра, стереобаланса, а также блока питания и индикаторов уровня мощности, отдаваемой в нагрузку.
Описанные функциональные узлы и блоки УКУ смонтированы на отдельных печатных платах, сочленяемых с помощью разъемов типа МРН на коммутационной плате, изготовленной из текстолита. На этой же коммутационной плате размещены выходные транзисторы с теплоотводящими радиаторами, силовой трансформатор, выпрямитель, а также электролитические конденсаторы фильтра питания. Соединения между этими элементами выполнены в подвале коммутационной платы объемными проводниками.
Коммутационная плата установлена на дюралюминиевой раме — двух уголковых профилях, привинченных к коробчатой передней и задней панелям. На задней панели закреплены входные и выходные разъемы устройства, сетевые и выходные предохранители и сетевой шнур.
На передней панели установлены: выключатель сети, выключатель громкоговорителей, стрелочные индикаторы уровня мощности, отдаваемой в нагрузку, сенсорные площадки и движковые потенциометры регуляторов громкости, стереобаланса и тембра. С внутренней стороны на передней панели с помощью стоек установлены печатные платы блока сенсорного управления и контуров регуляторов тембра.
Катушки индуктивности колебательных контуров намотаны на ферритовых кольцах. С целью снижения уровня наводок плата с контурами заключена в экран, выполненный из отожженного пермаллоя. С этой же целью силовой трансформатор намотан на витом тороидальном сердечнике.
Рис. 7 (а и б). Принципиальная схема соединения функциональных узлов УКУ
Рис. 8. Эскиз конструкции сенсорной площадки
1 — несущая панель; 2 — текстолитовая шайба; 3 — сенсорный контакт; 4 — фалынпанель
Несущая передняя панель закрыта спереди фалын-панелью из дюралюминия толщиной 3 мм. В фальш-панели выполнены отверстия для кнопок, индикаторов, движковых потенциометров и сенсорных площадок. Эскиз конструктивного исполнения одной из сенсорных площадок представлен на рис. 8. Сенсорные контакты выполнены из сплава В95 в виде стоек, концентрично расположенных в зенкованных отверстиях фальшпанели, соединенной электрически с корпусом устройства. Такая конструкция обеспечивает при использовании сенсорной площадки одновременное касание и к сенсорному контакту, и к корпусу устройства.
Налаживание УКУ следует начинать только после проверок правильности монтажа и работоспособности блока питания. Вначале регулируют токи покоя в оконечных каскадах усилителей мощности: регулировками резистора R17 (см. рис. 6) их устанавливают равными 50-70 мА. Контроль токов покоя при этой операции осуществляют с помощью миллиамперметра, включенного в цепь коллектора одного из выходных транзисторов V13, V14,
Затем производят налаживание блока сенсорного управления. Для этого пальцами прикасаются одновременно к двум любым сенсорным площадкам переключателя входов. Увеличивая сопротивление резистора R2 (см. рис. 2), добиваются выключения одного из включившихся входов при отпускании пальцев с сенсорных площадок.
Для установки порогов включения шумоподавителей на один из входов УКУ подают сигнал с частотой 1000 Гц и уровнем минус 40 дБ от номинального. Резистор R14 (см. рис. 5) устанавливают в такое положение, при котором входной сигнал с уровнем минус 40 дБ на выходе устройства не воспроизводится, но, однако, при увеличении уровня входного сигнала на 3 дБ воспроизведение его уже осуществляется.
Настройка цепи токовой ПОС широко описана в литературе и особенностей не имеет.
Потенциометры регуляторов тембра для равномерности регулирования должны иметь так называемую S-образную характеристику. Такую характеристику можно получить доработкой движковых потенциометров типа СПЗ-236 с номинальным сопротивлением 10 кОм и функциональной зависимостью типа «А»: углеродный слой частично снимают с дорожки потенциометра при помощи очень мелкой шлифовальной наждачной бумаги, причем более всего толщину углеродного слоя уменьшают в середине дорожки. Затем проводящий слой выскабливают поперек дорожки в центре потенциометра так, чтобы получились 2 отдельные дорожки. В результате доработки сопротивление каждой дорожки должно составлять 25 кОм.
Выскабливание поперек дорожки осуществляют во всех потенциометрах регуляторов тембра, кроме одного, любого, у которого средний отвод заземляют. Это необходимо для осуществления гальванической утечки с входов микросхемы на корпус. При выскабливании необходимо следить, чтобы поверхность дорожки оставалась ровной, без царапин, которые могут затруднить перемещение движка и повредить контактные щетки потенциометра.
Высокочастотный дроссель усилителя мощности намотан проводом ПЭВ-2 0,25 внавал на текстолитовом каркасе диаметром 20 мм. Число витков — 20.