Усилитель для наушников – суть, смысл и вся правда
Усилитель для наушников – суть, смысл и вся правда
Стереосистема или домашний кинотеатр – все еще не самый распространенный «зверь» в нашей стране, особенно в эпоху небольших и недорогих беспроводных колонок. А вот свои наушники есть практически у каждого. Рано или поздно многие меломаны начинают глубже вслушиваться в музыку или звуковой ряд фильма, обращая внимание на мельчайшие детали. И портативное устройство (смартфон или ноутбук), конечно же, обладают большими ограничениями, узнав о которых, каждый столкнется с такой категорией электроники, как усилитель для наушников.
Более того, существует даже целая каста меломанов, которые принципиально предпочитают высококлассные наушники любым акустическим системам. И в этом есть определенная логика – практически полная минимизация постороннего звука, будь то топот соседей или шум дороги мегаполиса за окном. И ваша музыка никому не будет мешать – спит ребенок или просто кто-то в семье занят чем-то другим. Но и это не главное – звук с хорошим усилителем для наушников будет не так сильно отличаться от звучания стереосистемы, но со своей уникальной спецификой. Так чем же укомплектовать свой уголок эгоиста? Все детали с предысторией вы найдете в этой статье.
На фото классический пример использования усилителя для наушников с ЦАП (Klipsch Heritage Headphone Amp) в связке с ноутбуком и высококлассными наушниками (Klipsch Heritage HP-3)
Сразу в уши. Время первых усилителей
Прослушивание музыки через наушники возникло и развивалось практически одновременно и параллельно с прослушиванием через колонки. Также очень долгое время в Hi-Fi индустрии практически никто не задумывался о том, как сделать звучание через наушники максимально качественным. Усилители, стереоресиверы или другая воспроизводящая звук*+ техника имела на передних панелях гнездо, в которое включались наушники. Откуда, собственно, появлялся звуковой сигнал в этом гнезде для наушников, никто (или почти никто) из меломанов не задумывался.
Сигнал на этот разъем шел с выхода тех же усилителей мощности, которые работали на колонки — при установке штекера кабеля наушников в это гнездо колонки от выхода усилителя отсоединялись с помощью несложного механического размыкателя. Разумеется, уровень мощности, отдаваемый усилителем, был бы в данном случае слишком высоким – одно неловкое движение регулятором громкости и меломан рисковал остаться не только без наушников, но и без ушей. Поэтому уровень сигнала с выхода усилителя перед подачей на гнездо для подключения наушников понижали с помощью так называемого резистивного делителя. Это было простое решение, но на качество звука (если говорить о серьезном прослушивании музыки) оно влияло не лучшим образом. Тем не менее, пока наушники воспринимались как вспомогательный способ прослушивания музыки, а качество их звука было не слишком высоким, оно было вполне приемлемым.
На фото классический ламповый усилитель для акустики. Современный аналог, модель TAGA Harmony TTA-1000
Специальное усиление для наушников
С ростом качества звучания наушников и их популярности среди меломанов возникла задача создания для них специальных усилителей. Кроме небольшой мощности, безопасной для слуха, такие усилители должны были быть рассчитаны на работу со сравнительно высокоомной нагрузкой, которой обычно являются наушники. И, наконец, характер звучания этих усилителей должен был учитывать прямое (а не с расстояния в пару метров) попадания звука в уши меломана – шумы и искажения здесь были неприемлемы.
На фотографии пример самого простого усилителя для наушников в качестве отдельного самостоятельного устройства. Современная модель Pro-Ject Head Box S2
Усилители для наушников прошли все те же стадии развития, что и классические Hi-Fi усилители. Сегодня на рынке представлены ламповые, транзисторные и гибридные конструкции, работающие в различных классах усиления по двухтактным или однотактным схемам. Подробнее о типах усилителей вы можете прочитать в этой статье: https://www.overton.ru/publications/articles/usiliteli-i-hi-fi-komponenty/hi-fi-usilitel-kak-eto-rab.
Согласование наушников и усилителя
Пожалуй, единственным специфическим усилителем для наушников в настоящее время, практически не имеющим аналогов в классе усилителей для акустики, являются ламповые конструкции без использования выходных трансформаторов. Как мы уже знаем, в традиционных усилителях трансформатор нужен для согласования сравнительно высокого сопротивления выходной лампы (сотни Ом) с низким сопротивлением колонок (4 — 8 Ом). Для наушников, чье сопротивление может составлять 100 Ом и больше, необходимость в таком трансформаторе отпадает, особенно при использовании определенных схемных решений. Это существенно упростило создание ламповых усилителей для наушников, что привело к множеству подобных самодельных бестрансформаторных конструкций.
В целом же задача согласования усилителя с наушниками, импеданс которых в зависимости от конкретной модели может находится в очень широких пределах — от десятков до сотен Ом — является не такой уж простой инженерной задачей. Если низкоомным наушникам от усилителя нужно больше тока и меньше напряжения, то высокоомные нуждаются в высоком подаваемом напряжении при сравнительно скромном потребляемом токе. С этим, кстати, связано то обстоятельство, что наушники для портативной техники обычно имеют небольшой импеданс. Встроенный аккумулятор смартфона или портативного проигрывателя просто не способен обеспечить усилитель большим по величине напряжением питания, а значит и значительному напряжению на выходе там взяться неоткуда.
По этой причине высококлассные усилители для наушников обычно имеют специальные переключатели, с помощью которых можно оптимизировать их работу с наушниками с различным импедансом. Аппараты же без такого переключателя обычно имеют рекомендованный диапазон сопротивлений подключаемых наушников, который стоит учитывать. А зачастую разное качество (или характер) звука одного и того же усилителя при работе с двумя парами наушников зависит именно от различий их сопротивления. И, разумеется, как и в случае с акустикой, чем выше чувствительность наушников, тем меньшая подводимая мощность им требуется для получения по-настоящему сбалансированного и насыщенного звука.
На фото высококлассный усилитель для наушников с ЦАП от компании Klipsch, модель Heritage Headphone Amp, где мы можем увидеть возможность гибкой настройки под наушники
Уникальность наушников и секреты усилителей
То, как мы слышим музыку через наушники, значительно отличается от прослушивания через колонки. Звук от пары АС, разнесенных в пространстве друг относительно друга и слушателя по правилам классического треугольника, формирует в комнате стереокартину, которая располагается перед нами. Равномерность этой картины (отсутствие провала в середине) возникает из-за того, что звук пары колонок частично смешивается между собой (разумеется, на качество звуковой сцены влияют и сама система, и мастерство звукорежиссера). При этом звук от правой колонки попадает в левое ухо с небольшой задержкой, и наоборот. Затем в работу включается психоакустика и наш мозг достраивает ту самую звуковую сцену.
В случае же использования наушников каждое ухо получается сигнал только одного стереоканала, изолированный от другого. Так возникает эффект «звук внутри головы», из-за которого многие меломаны недолюбливают прослушивание музыки в наушниках (и наоборот). Для борьбы с таким эффектом в схеме усилителей иногда используют частичное подмешивание сигналов между стереоканалами или их различную процессорную обработку. Однако в большинстве случаев, при использовании по-настоящему качественных наушников и усилителя, этот эффект очень быстро просто перестаешь замечать.
На фото показан богатый внутренний мир высококлассных усилителей для наушников (модель Klipsch Heritage Headphone Amp)
Осторожно – высокое напряжение! Про «электростаты»
Существуют на рынке и совершенно особый тип наушников, нуждающийся в специфическом усилении. Это электростатические модели, звук в которых создает тонкая металлизированная мембрана, колеблющаяся в электрическом поле. Для работы такому излучателю, кроме входного сигнала, нужно высокое поляризующее напряжение величиной в несколько сотен вольт. Именно это напряжение и должен создавать усилитель для электростатов, кроме подачи на них собственно музыкального сигнала. Ввиду того, что характеристики электростатических наушников различны, они часто уже комплектуются соответствующим усилителем.
Аудио для эгоиста
Повышение качества звучания наушников и усилителей для них привело к существенному росту популярности слушать музыку именно таким образом. Зачастую меломаны вообще не ставят дома классические стереосистемы, ограничиваясь парой высококлассных наушников. Индустрия, разумеется, учла это обстоятельство, свои встроенные усилители для наушников получили самые различные устройства – от ЦАП до проигрывателей винила. Уровень качества подобных встроенных схем постоянно растет и зачастую они могут конкурировать с отдельными устройствами довольно высокого класса. Тем не менее, отдельный усилитель для наушников является наиболее гибким решением, который позволит слушать музыку с высоким качеством с различных источников, без необходимости размещения в комнате пары колонок.
На фото пример современного проигрывателя винила с встроенным усилителем для наушников, рассчитанный на их прямое подключение к источнику (модель Pro-Ject Essential III Headphone)
Остались вопросы? Пишите комментарии, наши специалисты с радостью вам помогут.
Усилитель звука в авто своими руками
Автомобильные конструкции используются для работы с различными источниками звука. Это может быть магнитола, мобильный телефон или FM тюнер. Обычно уровня сигнала с выхода этих устройств достаточно для того чтобы раскачать выходной каскад, поэтому предварительный каскад в такой конструкции не требуется, тем не менее, регуляторы тембра в схеме должны присутствовать. Они могут быть пассивными или активными. Большой популярностью пользуются узлы регулировки тембра, собранные на операционных усилителях. Их недостатком является необходимость использования двухполярного питания. Пассивные регуляторы на дискретных элементах просты в изготовлении и не требуют настройки.
Мощный автомобильный усилитель звука, сделанный своими руками, должен обеспечивать такой уровень выходного сигнала, чтобы шум мотора не мешал нормальному прослушиванию. Все автомобильные электронные устройства получают питание от бортовой сети, поэтому схемы рассчитаны именно на это напряжение. Выходная мощность автомобильных систем обычно ограничивается 15-25 ваттами. Это связано с определённым напряжением, которое обеспечивается бортовой сетью автомобиля. Следует учитывать, что система зажигания создаёт импульсные помехи, поэтому входные цепи нужно хорошо экранировать, а по цепям питания ставить LC фильтры.
Существуют автомобильные системы, обеспечивающие выходную мощность 100-300 W и более. Для них требуется двухполярное питание 40-60 В, поэтому в схеме имеется импульсный преобразователь напряжения. Такие устройства содержат большое количество деталей, и они сложны в изготовлении и настройке. Мощный усилитель звука для авто своими рукам можно сделать на комплементарных парах кремниевых транзисторов. Сложные транзисторные схемы, питающиеся от импульсного преобразователя напряжения, обеспечивают выходную мощность 40-50 ватт на канал, линейную частотную характеристику в диапазоне 20 Гц-20 кГц и коэффициент нелинейных искажений порядка 0,05%.
Как собрать усилитель звука
Начинающим радиолюбителям нет смысла браться за повторение сложных транзисторных схем с высокими параметрами. Для регулировки таких конструкций потребуется сложная измерительная аппаратура. Самым простым вариантом для начинающих будет повторение схем, выполненных на интегральных компонентах. Для начала можно своими руками собрать простой усилитель звука небольшой мощности.
Микросхема LM386 работает в широком диапазоне питающего напряжения и обеспечивает мощность до 1,2 ватта на нагрузку 8 Ом. Коэффициент искажений сигнала не превышает 0,2%. Переменный резистор 4,7 кОм позволяет изменять коэффициент усиления от 20 до 200. Самодельное устройство можно собрать на макетной плате или навесным монтажом.
Число усилительных каналов
Количество каналов выбирается в зависимости от конфигурации акустической системы по принципу «каждая колонка акустики должна работать только от своего канала, и ни один канал не должен работать более чем на одну колонку». Только такой принцип обеспечит максимально качественное звучание. Следует отдельно сказать о выборе усилителей для воспроизведения музыки и AV-ресиверов для домашнего кинотеатра. Первые из них должны иметь два канала для воспроизведения стереоформатов, в которых записана большая часть музыки. Домашний кинотеатр может быть оснащен акустикой с конфигурацией от самой доступной 5.1 до топовой 9.2. Это и есть критерий для выбора количества каналов в AV-ресивере.
Как сделать усилитель звука для колонок
Данный конденсатор препятствует попаданию постоянного напряжения на динамические головки (акустические колонки), а пропускает только звуковой сигнал. Чем ниже частота звукового сигнала НЧ диапазона и больше мощность усилителя мощности низкой частоты, тем больше емкость и габариты этого конденсатора, так как сопротивление конденсатора с уменьшением частоты увеличивается.
По закону Ома с увеличением сопротивления конденсатора растет падение напряжения звукового сигнала на нем, а на акустических колонках оно уменьшается, и, чем ниже частота, тем меньше напряжение на акустических системах, т.е., происходит завал АЧХ при недостаточной емкости разделительного конденсатора.
Мощность усилителя звука НЧ, кроме всего прочего, напрямую зависит от величины питающего напряжения. Электрическая мощность на нагрузке определяется классической формулой:
P=U²/R,
где U – эффективное напряжение на нагрузке, R – сопротивление нагрузки. Эффективное напряжение равно 0,71 амплитудного значения напряжения (Uа) на нагрузке. На рис.2 упрощенно показана схема выходного каскада УМЗЧ на двух транзисторах. В режиме покоя в точке «а» будет половина напряжения питания (Un/2).
В рабочем режиме амплитудное значение напряжения при открытом транзисторе VT1 и закрытом VT2 даже в идеальном случае не может превысить значение Un/2. По этой причине такой усилитель мощности в автомобиле с напряжением бортовой сети U =12В не может выдать мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом более чем (6×0,71) ²/4 = 4,52Вт, чего явно недостаточно для нормального озвучивания салона.
Кроме того, такие усилители мощности имеют большое количество внешних деталей.
В связи с этими проблемами была разработана и продолжает совершенствоваться серия интегральных микросхем, способных работать в мостовом режиме, главным достоинством которого является удвоение амплитудного значения напряжения на нагрузке. На рис.3 упрощенно показана схема выходного каскада мостового усилителя мощности звуковой частоты.
В режиме покоя в точках «а» и «б» напряжения одинаковы и равны половине величины питающего напряжения. На нагрузке между этими точками нет разности потенциалов, т.е. постоянного напряжения, поэтому разделительный конденсатор между выходом усилителя и акустической системы не требуется, что полностью исключает потери сигнала на нем, особенно в НЧ диапазоне, и существенно уменьшает габариты усилителя мощности низкой частоты. На рис.4, а показано, что положительная полуволна сигнала поступает на вход левого плеча и в момент t1 полностью открывает VT1 и закрывает VT2.
При этом напряжение в точке «а» повышается на 6 В. Инвертированная полуволна этого сигнала поступает на вход правого плеча и в этот же момент полностью открывает VT4 и закрывает VT3. При этом напряжение в точке «б» понижается на 6 В. В результате амплитудное значение напряжения на нагрузке Ua (в точке «а» относительно точки «б») станет равным 12 В (рис.4, б), что в два раза больше, чем в усилителе мощности на двух транзисторах. После момента t2 на входы начнут поступать сигналы отрицательной полуволны, и все повторится, но в обратной полярности.
При этом максимальная мощность на нагрузке Р=(12×0,71) ²/4= 18,15 Вт. Мощность 22 Вт в канале достигается при увеличении напряжении питания и обеспечении амплитуды выходного напряжения 14,4 В. Большой интерес представляют интегральные микросхемы фирмы PHILIPS следующих типов:
TDA1551Q, TDA1552Q, TDA1553Q, TDA1554Q, TDA1555Q, TDA1557Q, TDA1558Q, TDA8560Q, TDA8561Q, TDA8564Q, которые можно использовать в аналогичных усилителях мощности. Эти микросхемы разработаны для применения в автомобильных аудиосистемах и по схемным решениям в основном идентичны.
Все они имеют мощный пластиковый корпус SIL с выводами, согнутыми под формат DIL, содержат по четыре усилителя мощности с двухтранзисторным выходом и схемы стабилизации параметров и защит. Отличаются они чувствительностью от 50 мВ до 500 мВ, дополнительными возможностями, такими как детектор искажений, защита от коротких замыканий выводов АС на корпус, защита выводов от статического электричества, переключатель режимов и другие, а также количеством выводов.
Часть микросхем имеет четыре входа для каждого внутреннего усилителя мощности, что позволяет подключать четыре АС через разделительные конденсаторы для квадрофонического воспроизведения звука или две АС в мостовом включении для стереофонического воспроизведения звука. У таких микросхем имеется 17 выводов. Микросхемы с двумя входами имеют 13 выводов и могут работать только в мостовом включении. Таковой является микросхема TDA1557Q, использованная в предлагаемом читателям усилителе мощности. Схема включения и назначение выводов указанных выше микросхем показаны на рис.5, а основные характеристики приведены в [1].
Конструкция и детали. Конструкция авторского варианта усилителя мощности в сборе показана на фото в начале статьи. В качестве корпуса использована прозрачная коробочка для дискет. Переменные резисторы закреплены на алюминиевой пластинке размерами 40×92 мм и толщиной 2 мм. Радиатор с микросхемой и печатной платой закреплен на пластмассовом уголке, который крепится к корпусу теми же винтами, что и радиатор. На этом уголке также установлены входные и выходные гнезда разъемов. В авторском варианте применено два входных гнезда, включенных параллельно, что необязательно.
Выходные гнезда мостовых усилителей должны быть изолированы от корпуса и не иметь общих проводов. Конденсаторы темброблока припаяны к выводам резисторов. Оконечный каскад усилителя мощности собран на печатной плате (40×22 мм), показанной на рис.6, которая не имеет собственного крепления к корпусу усилителя мощности, а удерживается за счет выводов микросхемы. Микросхема закреплена на радиаторе без изоляционной прокладки с применением теплопроводной пасты. На рис.6 показаны номера выводов микросхемы.
Печатную плату можно изготовить путем рисования. Для этого необходимо вначале на плотной бумаге нанести точки отверстий для выводов микросхемы, а затем для имеющихся деталей с учетом их размеров, ориентируясь на рис.6. Далее необходимо бумагу обрезать по размеру будущей платы, наложить на стеклотекстолит, шилом перенести на него эти точки и просверлить отверстия диаметром 0,8 мм. Плату зачистить мелкой наждачной шкуркой, обезжирить, нанести токопроводящие дорожки нитрокраской с помощью тонкой кисти, высушить, протравить плату в растворе хлорного железа, промыть водой и высушить.
Более качественные печатные платы получаются при использовании компьютерной программы для печатных плат LAYJUT40.INI. Для этого необходимо нарисованный рисунок печатной платы преобразовать в зеркальное изображение, распечатать его лазерным принтером на меловой бумаге и обрезать по размеру печатной платы. Рисунок должен иметь тонкую линию по периметру платы. Рисунок накладывается на зачищенный и обезжиренный фольгированный текстолит. Под текстолит и поверх рисунка накладывается 3-5 слоев обычной бумаги.
После этого нагретый утюг в среднем положении регулятора температуры накладывается на плату на 1…2 мин. Температура запекания краски принтера около 125°С. Далее плата погружается в воду на 5…7 мин, после размокания бумага полностью скатывается пальцами руки. Затем плата травится и сверлится обычным способом. Перед монтажом и пайкой деталей контактные площадки платы желательно покрыть раствором канифоли в спирте, либо залудить все дорожки на плате. Монтаж деталей усилителя мощности показан на рис.7.
В усилителе мощности применены следующие радиодетали: сдвоенные переменные резисторы регуляторов громкости и тембра типа СПЗ-4аМ, одиночный переменный резистор регулятора стереобаланса с выключателем питания типа СПЗ-4вМ, конденсаторы керамические низковольтные типа 6Н-90, 1BVD или аналогичные малогабаритные, конденсатор электролитический импортный или отечественный тина К50-35, выходные гнезда типа «Тюльпан», входные гнезда могут быть любыми, в зависимости от имеющегося источника звуковых сигналов.
Например, для подключения DVD- плеера могут быть применены также гнезда типа «Тюльпан». Радиатор ребристый с общей площадью не менее 100 см². Практически данный усилитель звука не требует наладки. В зависимости от выходных параметров источника звука и вкуса в прослушивании музыкальных программ можно величиной сопротивления резисторов R7 и R8 устанавливать чувствительность усилителя мощности низкой частоты в пределах 50…500 мВ, а величиной емкости конденсаторов С1-С4 можно сужать или расширять пределы регулировки тембра.
Электропитание усилителя звука осуществляется от бортовой сети автомобиля, отдельной аккумуляторной батареи 12В или сетевого источника питания с выходным постоянным напряжением 9… 16В и мощностью не менее 50Вт. При этом следует напомнить, что уменьшение напряжения питания уменьшает выходную мощность любого усилителя.
