Аудиосистемы – самый интересный, самый дорогой и самый верный способ познакомиться с электроникой, и заболеть ею. Воспроизводя, записывая и усиляя звук своими руками вы познакомитесь практически лично с электронами, бегущими по проводке вашей аудиосистемы.


Что и приводит нас к практически идеальной отправной точке (по моему мнению) для изучения самых азов аудиоэлектроники – усилению звука. Если у вас есть старый динамик и источник аудиозаписей (MP3 плеер или телефон), вы легко соберете дешевый усилитель звука. Итак, привожу инструкцию как сделать усилитель звука, с которой справится даже начинающий электронщик.

Чипы-усилители

Все привыкли к тому, что усилители звука зависят от множества отдельных компонентов или от энергоёмких электронных ламп, чтобы звучание было качественным. Как и в других отраслях, появление интегральных микросхем вызвало прорыв в мире аудиосистем, позволив использовать любое количество операционных усилителей, созданных для звуковых систем.

Такие интегральные схемы называют усилитель аудиосигнала на ИС, чипы усиления звука или чиповые усилители. Обычно они требуют несколько дополнительных компонентов, схемы с ними просты по своей конструкции, и потребляют чипы-усилители меньше тока, чем их дискретные и ламповые аналоги.

Все это подводит нас к усилителю ЛМ386, созданным «Texas Instruments» в 1983 году. Его можно найти в низковольтных аккумуляторных устройствах по всему миру.

Его характеристики:

  • легко питать (использует одностороннее электропитание)
  • низкая теплоотдача (не требует теплоотвода)
  • производительный/эффективный
  • существует вариант с двухрядным расположением выводов/существует двухрядный вариант

А это значит, что этот чип в фаворе у любителей мастерить по всему миру и является отличным полигоном для экспериментов с чиповыми усилителями. И не забывайте о его низкой стоимости. Сегодня мы с вами попробуем собрать простой мини усилитель звука для колонок на основе этого чипа.

Шаг 1: LM386 101



Будет очень здорово, если вы ознакомитесь с официальным техническим описанием (PDF), где есть вся техническая информация. Но я все же приведу здесь основные пункты.

LM386 – операционный усилитель, который был создан специально для аудиосистем. А значит, его эксплуатационные характеристики разрабатывались с учетом того, что он будет управлять динамиком, в определенном смысле. Как и большинство других чиповых усилителей звука, он может быть использован как обычный операционный усилитель. Он имеет двадцатикратное дефолтное усиление – что означает, что входящее напряжение он увеличит в двадцать раз. Коэффициент усиления можно задать вручную.

Распиновка

  • 1,8 – усиление. Выводы 1 и 8 используются для регулировки уровня усиления с двадцати крат, используя удельные величины сопряженных конденсаторов.
  • 2 – отрицательный вывод
  • 3 – положительный вывод
  • Это стандартные выводы операционных усилителей. В схемах с простым LM386 отрицательный вывод будет привязан к земле, а на положительный вывод будет приходить аудио сигнал из истока.
  • 4 – земля, GND
  • 5 – выход напряжения
  • С пятого вывода усиленный сигнал поступает на динамик.
  • 6 – источник напряжения
  • На этот вывод должно поступать питание усилителя.
  • 7 – обходная перемычка, байпас

Этот вывод предоставляет прямой доступ к входному сигналу, в основном используется, чтобы убрать помехи от питания.

Описание

LM386N (N означает двухрядное расположение выводов) выпускается в четырех модификациях: LM386N-1, -2, -3 и -4. Версии 3 и 4 дают на выходе чуть более высокое напряжение, версия 4 держит более высокое входное напряжение (за счет более высокого значения входного напряжения/ за счет повышенного требуемого минимального напряжения). Далее в статье речь будет идти о LM386N-1, так как именно его я использовал, и он является основой для остальных версий.

Напряжение питания

Напряжение питания должно быть в диапазоне 4 — 12В.

Номинальное сопротивление звуковой катушки

LM386 были изначально разработаны для резистивной нагрузки 4 Ом, но показатели колеблются от 8 до 32 Ом.

Искажения

В идеальных условиях полный коэффициент гармонических искажений 0,2%, при 6В напряжения, подаваемых на 8Ом динамик, при низком напряжении, и до 10% гармонических искажений при максимальных значениях напряжения.

Выводная мощность

В идеальных условиях вполне можно ждать ~700мВт, или 0,7Вт.

Шаг 2: Неужели и правда меньше Ватта?

Вы удивитесь, каким «громким» может быть всего 1 Вт. Если не брать глубокие басы, 1 Вт вполне хватит для динамиков ноутбука или аудиоустройств для мобильного телефона. Ну а если говорить о наушниках, которые находятся в непосредственной близости к барабанным перепонкам, то там нескольких милливатт достаточно, чтобы звук оглушал.

Запомните важное правило:

  • Удвоение мощности добавляет 3 дБ акустической мощности.
  • Что означает, что разница между 50 Вт и 100 Вт – 3 дБ.
  • Разница между 100 Вт и 200 Вт — те же 3 дБ.
  • А между 500 Вт и 1000 ВТ? Тоже 3 дБ!

Как вы видите, с увеличением мощности отдача не увеличивается.

Relationship Between Watts and dBs
Double amplifier power does not double the volume

В вкратце отношения между дБ, мощностью и звуковым давлением дают такой эффект: чтобы удвоить давление звука нужно учетверить мощность усилителя, а это значит возможность регулировать уровень громкости по желанию слушателя. Чтобы эта тема стала понятнее, рекомендую почитать статьи о зависимости громкости (дБ) от мощности (Вт) и о зависимости силы звука от мощности усилителя.

Самые популярные и мощные усилители (как NAD 3020) могли давать «всего» 20 Вт на 8Ом-динамики, что по нынешним меркам не является чем-то, достойным внимания. Факт остается фактом – такие факторы, как диапазон воспроизводимых частот, суммарное гармоническое искажение и прозрачность звука являются гораздо более важными показателями идеального звучания, чем просто мощность.

Шаг 3: Простая схема


Создать базовую функциональную схему для усилителя LM386 проще простого. На рисунке дана схема для одного усилителя, поэтому если вы хотите усилить стереосигнал, вам нужно будет собрать две цепи (одна на каждый канал и каждый динамик).

  1. Нам нужно соединить аудио сигнал с третьим выводом чипа (с плюсом). Также аудиосигналу нужен свой выход на землю GND/аудиосигнал должен быть заземлен. Также, высокоомный резистор между входом сигнала и землей (на схеме 10 кОм) выступает как замыкающий к земле резистор. Без этого резистора вы услышите из динамиков жужжание, если ваш музыкальный плеер будет выключен.
  2. Выводы 1 и 8 оставляем свободными, так как будем использовать усиление по умолчанию 20 крат.
  3. 100 мкФ конденсатор расположен между байпасом (вывод 7) и GND (землей), для предотвращения электропомех.
  4. Вывод минуса и земля (2 и 4) соединены с землей.
  5. Питание идет на шестой вывод и параллельно на 100 мкФ развязывающий конденсатор, идущий на землю, чтобы отфильтровывать низкочастотный шум.
  6. Вывод 5 идет на динамик, с двумя параллельным заземленными конденсаторами: 0,1 мкФ (100 нФ) конденсатор для фильтрации высокочастотного шума, и 1000 нФ балластный конденсатор, для сглаживающей фильтрации.

Шаг 4: Собираем схему




Вам понадобится:

  • Двухрядная интегральная схема LM386N с восемью выводами — 1
  • Стандартная беспечная макетная плата на 400 точек – 1
  • 0,1 нФ керамический конденсатор – 1
  • 100 нФ электролитический конденсатор – 2
  • 1000 нФ электролитический конденсатор – 1
  • 10 кОм углеродистый или металлопленочный резистор – 1
  • Провода для прикуривания
  • Источник прямого тока 9-12 В (9В батарейка вполне подойдет)
  • Гнездо для подключения наушников 3,5мм и аудио кабель 3,5 мм
  • Дешевый 4Ом или 8Ом динамик и провода для его монтажа

Шаг 5: Испытываем схему





Подключите 4Ом или 8Ом динамик (какой не жалко) и аудио источник и начинайте медленно прибавлять звук. Экспериментируйте с разными стилями музыки, чтобы выловить возможные искажения или шумы, особенно на высокой громкости. Я выяснил, что с моего айфона искажения появляются при 80% от максимально возможной громкости, но это было уже за пределами комфортного для человеческого слуха уровня громкости.

  • попробуйте добавить в прибор фильтрующие конденсаторы, чтобы узнать, будет ли разница в звуке.
  • попробуйте отсоединить аудио кабель и убрать 10 кОм подтягивающий резистор, чтобы понять, какую роль он выполняет/для чего он нужен в вашем приборе.
  • убавьте звук и попробуйте добавить 10нФ керамический конденсатор между 1 и 8 выводами, чтобы кратность усиления возросла с 20 до 200.

Экспериментируйте и слушайте! Но если есть сомнения, убавьте звук, а затем снова прибавьте.

Стресс-тест

С помощью своей маленькой коллекции тестового звукового оборудования в результате испытаний со свое=им 8Ом динамиком, я получил следующие результаты:

  • с синусоидой волны 1кГц, максимальная входящая синусоидальная мощность составила 120 мВ прежде чем возникли искажения.
  • на выходе максимальная синусоидальная мощность составила около 2,38 В
  • …эти цифры означают, что усиление и впрямь двадцатикратное (2380 мВ/ 120 мВ = 19,83)
  • выходная мощность составила 707 мВ, что намного превзошло номинальное значение. Но если быть честным, я и нагрузил динамик больше разрешенного.

Суммарный коэффициент гармонических искажений (THD)

Во время прогона звука через спектральный анализатор в диапазоне 20 Гц – 20 КГЦ уровень искажений составил -35 дБн (коэффициент 1,7%). Я ни в коем случае не аудиофил, но усилитель мощности звука всего за 2 доллара США, на простой макетной плате, с легкими проводами и незащищенными выходами… не пыльно!

Шаг 6: Какие еще усилители достойны внимания


Если вам нравится экспериментировать с чиповыми усилителями повышенной мощности, лучшими критериями шумности и более сложными компонентами, следующими подопытными советую взять:

LM1875 – отличный 20 Вт аудио усилитель, который требует несколько дополнительных компонентов, к тому же ему нежен теплоотвод. Техническое описание.

TDA2050 – 32-35 Вт операционный чип, относящийся к более серьезной электронике, но пусть это вас не пугает. Для него потребуются еще несколько внешних конденсаторов, резисторов и немного терпения. Вот увидите, эта малышка вас удивит. Техническое описание.

Ну и, конечно, LM3886. Наиболее известный среди любителей самодельных аудиосистем класса HiFi. Стремящийся к нулю коэффициент искажений, высокая мощность (35-50 Вт) и серьёзная встроенная защита. Нужен большой теплоотвод! Техническое описание.

Скоро я выложу новые статьи об аудио приборах с оперативными чипами.