Доработка двухкомпонентного усилителя «Эстония-010».

Давно у меня прижился этот усилитель. Прошёл несколько этапов модернизации, ремонта, доработки. Спалил около десятка выходных транзисторов. Желаемое звучание получить никак не удавалось. Постепенно раскрывались все его потенциальные возможности. Вначале в усилителе мощности (УМ), а затем и в предварительном усилителе (УП). Только сейчас я приблизился к пределу его возможностей. Сейчас усилитель радует слух и удивляет непосвящённых. Предлагаю свой вариант оптимизации этого усилителя.

1. Предварительный усилитель.

Ревизии подвергались следующие факторы конструкции:

1 – стабильность работы источника питания;

2 – топология общего провода и помехозащищённость всей конструкции;

3 – оптимальность частотнозависимых цепей регуляторов тембра;

4 – оптимальность цепей тонкомпенсации;

5 – режимы работы каскадов усиления напряжения.

1. 1 Источник питания.

Если все электролитические конденсаторы после выпрямителей и в самом стабилизаторе исправны, то претензий к источнику питания нет. Он выдаёт требуемые +/-30В, а также +/-15В стабильно и без помех. Внутри стабилизатора общий провод разведён классически симметрично.

1. 2 Топология общего провода по печатной плате.

Все усилительные каскады усилителя, фильтры, переключатели, разъёмы и т.д. расположены на одной печатной плате огромного размера. Между всеми этими компонентами усилителя, извиваясь и петляя, растекается общий провод от источника питания до входа магнитного звукоснимателя, где и соединяется с корпусом. Причём «петляет» он и в буквальном смысле, создавая множество разнообразных петель. Мне пришлось выпаять 13 перемычек по общему проводу в области входных разъёмов, чтобы превратить эти петли в щупальца, работающие как экран. Возможно это мелочь несущественная, но так правильней.

1.3 Оптимальность частотнозависимых цепей регуляторов тембра.

Структурно блок регулировки тембра обоих каналов представляет собой пассивный мост в цепи обратной связи операционных усилителей, собранных на транзисторах VT43 – VT52. Изменения номиналов резисторов и конденсаторов показаны на прилагаемом рисунке 31. В скобках – позиционные обозначения элементов в другом канале. Как видно из рисунка, соотношение плеч тембромоста (R117/R118; C67/C66; C71/C70) стремится к 5, что соответствует глубине регулировки тембра по низким и высоким около +/-12 дБ относительно середины в 1,5 - 2 кГц. При этом в нейтральном положении регуляторов тембра выдерживается линейная АЧХ, если конечно эти регуляторы имеют логарифмическую характеристику типа Б.

1.4 Оптимальность цепей тонкомпенсации.

Использование двух цепей тонкомпенсации на современном уровне развития источников сигнала и акустических систем мне представляется избыточным, даже при работе с полочниками. Следуя этому тезису, я удалил R104, R105, C59,C60. Сопротивление от верхнего отвода тонкомпенсации до общего провода реально составляет около 25 к. Исходя из RC2 ~ 3150 мкс, получаем C57,C58 – 0,12мкФ. Исходя из RC1 ~ 900 мкс, получаем R103, R104 – 8,2 кОм.

1.5 Режимы работы каскадов согласующих усилителей (УС).

Ну вот добрались до самого интересного. Смотрим на общую схему. Сигналы с линейных входов (CD, Tuner, AUX) сразу попадают на входы согласующих усилителей (УС) со 100% ООС. Вроде бы ничего примечательного, но как обычно дьявол скрывается в деталях. Для примера рассмотрим такой УС на транзисторах VT13,VT14,VT21. Исходная схема приведена на рис.32. Остальные 5 согласующих усилителей имеют такую же схемотехнику, но со своей маркировкой. Во-первых, сигнал дважды переворачивается по фазе на 180 градусов. Во-вторых, линейность этих переворотов зависит от оптимальности режима работы транзисторов. И вот тут сразу возникает вопрос о режиме работы транзистора VT13. Как он может вообще работать, нагруженный на нелинейный б-э переход транзистора VT21, да ещё с не малым коэффициентом усиления? Естественно криво, но кривизну каскада маскирует 100% ООС, и на выходе видим вроде бы чистый синус. Но он «чистый» на одной частоте, а если их сразу много, как в музыкальном сигнале, то имеем интермодуляционные искажения, которые ухо человеческое хорошо слышит. По-моему эффект «транзисторного звучания» здесь и возникает, а не в выходных транзисторах, как многие считают. Исходя из этих соображений, напрашивается первое простейшее решение – ввести в коллектор VT13 резистор R39.1, обеспечивающий ему линейную нагрузку и выводящий режим работы каскада на середину S-образной характеристики (смотрите расчёт усилительного каскада на триоде в учебнике электроники). Этот вариант показан на рис.33. После его введения звук значительно очистился. Но мысль пошла дальше. УС имеет единичный коэффициент передачи, т.е. фактически он выполняет функцию обычного повторителя, согласующего линейный выход источника сигнала с частотно-зависимыми цепями блока тембров и всевозможных фильтров. Тогда зачем эта карусель с двойным переворотом фазы на 180 градусов? Достаточно просто преобразовать эту конструкцию в повторитель и получить то же самое, но без карусели. Такой вариант преобразования представлен на рис.34. Некоторые особенности этого решения: 1 – для поддержания 0В на выходе пришлось увеличить напряжение начального смещения на диоде VD9 в 3 раза, для чего пришлось заменить его на стабилитрон КС127А с напряжением стабилизации 2,7В, одновременно уменьшив R79 до 10k (Этот источник смещения один на все 6 УС); 2 – резистор R40 пришлось подбирать индивидуально (у 2-х повторителей он оказался больше 270 Ом, у 2-х меньше, у двух совпал). Для серийного производства это неудобно, но в данном случае допустимо. Звук стал ещё чище.

1.6 Режимы работы усилителя темброблока

Едем дальше. Усилитель темброблока. Исходное решение меня сильно изумило: при питании +/- 30В максимальное выходное напряжение составляло всего 4В, а дальше одностороннее ограничение. А должно быть около 18В с симметричным ограничением. Ну и те же грабли с режимом первого каскада. Исходное схемное решение показано на Рис.35. Похоже, что основная идея разработчиков усилителя – получить малошумящий операционный усилитель класса А, невзирая на всякие там коэффициенты использования питающего напряжения. Задумка может и красивая, но исполнение по-моему неразумное. Ошибки обычные: 1 – нелинейный режим работы первого транзистора VT43; 2 – несимметричный однотактный выходной каскад на транзисторах VT49 и VT51.

В рамках существующей печатной платы можно только подкорректировать режим работы первых транзисторов VT43 и VT45, для чего в их стоки вводятся резисторы R94.1 и R98.1, отделяющие стоки этих транзисторов от б-э перехода VT47. Такое промежуточное решение приведено на рис.36. Получается хорошее решение для малых уровней громкости. Такое решение довольно долго работало и у меня. Но максимализм взял своё, и я полез за симметричным ограничением. Исправить ошибки несимметрии в рамках данной печатной платы не представляется возможным. Пришлось делать дополнительную печатную плату на универсальной монтажной плате, на которой размещаются все дополнительные элементы вместо удаляемых R100, R108, VT51. С некоторым трудом плата 30х50мм помещается между основной платой и блоком индикации. Схема исправленного усилителя темброблока представлена на рис.37. На ней пунктиром выделен участок, который должен располагаться на дополнительной плате. Здесь также линейность режима VT43 и VT45 достигается введением в их стоки резисторов R94.1 и R98.1, отделяющих стоки от б-э перехода VT47. Полное использование напряжения питания достигается с помощью конденсатора вольтдобавки С50.2, увеличивающего напряжение питания синхронно сигналу. Двухтактный выходной каскад на VT49 и VT51 обеспечивает симметричное ограничение выходного сигнала. Конечно можно вместо двух резисторов и конденсатора вольтдобавки в коллекторе VT47 поставить источник тока. Это на любителя. Удивительно, но ожидаемых 18В я с ходу не получил, как ни старался. Максимум 9В. Пришлось попотеть, разбираясь в проблеме. Свои 18В я всё же получил, только удалив искусственный ограничитель уровня, партизански введённый разработчиками, и не отражённый ни на одной из известных схем.

Ну а раз уж приходится использовать дополнительную печатную плату, то можно на ней вообще собрать усилитель на паре микросхем КР544УД1А с полевыми транзисторами на входе (или аналогичных) и заменить им всю конструкцию от входа до выхода. Правда придётся снизить напряжение питания до +/-16В и смириться с сигналом на выходе не более 10В, что тоже очень неплохо. В любом случае получится решение, превосходящее исходное. Вариант схемы подобного альтернативного усилителя темброблока представлена на рис.38. Во всех случаях я рассматривал решения для одного канала. Думаю, что «заинтересованные» товарищи смогут без труда распространить эти решения и на второй канал.

1.7 Вопросы комфорта

Собственно про усилительную часть всё. Всевозможные фильтры, понатыканные на плате, в выключенном виде на звук не влияют, и их можно игнорировать. Остались мелкие монтажные брызги. После предлагаемых доработок класс аппарата заметно повышается, и начинают вылезать мелкие неудобства конструкции. Так выход усилителя организован через два одинаковых по распайке разъёма, что требует специального кабеля для соединения с усилителем мощности. Такой кабель входит в комплект усилителя. На современном уровне его страшно взять в руки. Перехода на стандартный разъём со стереовыходом нет, а хотелось бы. С помощью «художественной» резьбы по печати можно на разъёмах для правого канала в любой из систем (А или Б) организовать стерео линейный выход для подключения к усилителю мощности. Для этого надо очистить выводы от припоя и разрезать печать между 3 и 5 выводами выходного разъёма, затем подсоединить 3 вывод к выводам 1-4 левого канала, находящихся рядом. Можно конечно вместо DIN-овских установить RCA-разъёмы на одной из систем. Это на любителя.

Второе неудобство вылезает из несинхронности регулировки громкости по обоим каналам. Это стало следствием использования обычного серийного переменного резистора СП3-30г с двумя отводами и антилогарифмической характеристикой «В». Отклонения в напылении обоих подков этого регулятора могут быть довольно значительны, что приводит к «гулянию» баланса при регулировке громкости. К сожалению здесь может помочь только замена на специальный прецизионный регулятор громкости. Во многих усилителях Советского времени ради синхронности регулировки громкости использовали многопозиционные переключатели, обвешанные точными резисторами. Зарубежные производители научились делать более компактные регуляторы громкости с высокими требованиями по синхронности. Чаще всего на просторах Интернета попадаются изделия фирмы ALPS. Если такая замена не представляется возможной, то надо быть готовым под каждый уровень громкости подгонять и баланс.

Ну вот, можно переходить к усилителю мощности.

2. Усилитель мощности.

Исследованию подвергаются следующие направления:

1 - Топология общего провода и помехозащищённость конструкции;

2 – Режимы работы каскадов усиления напряжения.

2.1. Конструкция.

Конструктивно усилитель мощности спроектирован гениально просто и правильно. Очень мощный тороидальный трансформатор в экране питает мощный выпрямитель с симметричным подключением зарядных конденсаторов большой ёмкости. Образующийся общий провод симметрично растекается по обоим каналам и на выходные клеммы. Придраться не к чему. Вылезает только вопрос: почему всего 2х50Вт, когда явно конструктивный замах был на более солидную величину? И мощности трансформатора достаточно, и теплоотдачи радиаторов хватает. Явно на каком-то этапе разработки сработала перестраховка в угоду стабильности серийного производства. И ведь надо то только увеличить напряжение питания. Но этот путь оказался не таким простым, как предполагалось.

2.2. Структурная схема.

Усилитель напряжения в УМ спроектирован по предельно симметричной схеме. Для простоты будем любоваться левым каналом. На входе два параллельно включённых дифкаскада на VT7,VT13 и VT14,VT41, коллекторы которых нагружены на эмиттеры транзисторов VT6,VT12 и VT8,VT15, включенные по схеме с общей базой, которые в свою очередь противофазно раскачивают базы раскачивающих транзисторов VT20,VT21. Далее идёт трёхкаскадный усилитель тока по полностью комплементарной схеме. Красивая, элегантная схема. Вызывает уважение. Но что-то в ней настораживает.

2.3. Первый этап доработки.

А настораживает использование транзисторов VT1,VT2 в качестве микротоковых стабилитронов. Поскольку в этом случае используется обратный переход к-б, то имеем напряжение стабилизации на уровне около 8,4В. Вылезают два нюанса такого решения. Во-первых, слабая нагрузочная способность и медленный выход на рабочий режим в момент пуска. Во-вторых, полное напряжение питания каскада составляет почти 33В, а напряжение на коллекторах VT6 и VT14 всего 8,4В, а должно бы быть около половины питающего напряжения. Решение напросилось не сразу, но удивило своей простотой. Достаточно удалить транзисторы VT1 и VT2, а также обслуживающие их резисторы, и вместо резисторов R18, R19, R20, R21 поставить стабилитроны Д814А1 под видом VD49, VD50, VD51, VD52 в малогабаритном стеклянном корпусе в «нужном» направлении. А поскольку напряжение стабилизации меняется с 8,4В до 16В, то необходимо соответственно подкорректировать сопротивления обслуживающих резисторов, чтобы сохранить исходные режимы по току. Так сопротивление резисторов R26, R27 следует уменьшить до 2,2k, а резисторов R41, R43 увеличить до 8,2k. Но эти изменения оптимизируют только режимы транзисторов дифкаскадов. Для оптимизации режимов транзисторов VT6 и VT8, включенных по схеме с общей базой, необходимо в их коллекторы врезать резисторы R42.1 и R43.1, сопротивлением 8,2k. Получившаяся схема представлена в файле est_um010corr-32.djvu, где все предлагаемые изменения выделены красным цветом. В таком варианте усилитель довольно долго радовал слух, но опять захотелось выжать из него максимум.

2.4. Второй этап доработки. Только для продвинутых.

Идея доработки очень проста: не трогая структурную схему увеличить напряжение питания с +/-32В до +/-45В, что должно увеличить максимальную выходную мощность почти до 80Вт на 8-омной нагрузке. Одновременно необходимо подкорректировать некоторые элементы схемы для оптимизации режимов работы транзисторов на повышенном напряжении. Как это всё сделать?

Во-первых, по трансформатору. Надо увеличить выходное напряжение трансформатора с 2х23В до 2х30В. Для этого надо отпаять выводы трансформатора от платы выпрямителя в точках 4 и 5, а также в точках 35 и 37 основной платы УМ, снять его с крепёжного болта и постараться добраться до вторичной обмотки. Это легко написать на бумаге, а реализовать на практике оказалось весьма сложно. Трансформатор «намертво» приклеен к экрану эпоксидной смолой, и извлечь его оттуда почти невозможно без повреждения обмоток. Нужно очень много «хотения». Один раз мне этот подвиг удался. Больше не тянет. Затем намотать на «шпульку», представляющую собой двустороннюю рогатку длиной 250 – 300мм, примерно 7 – 8 метров провода соответствующего сечения и припаять «хвостик» к одному из крайних выводов трансформатора, шедших к выводу 4 или 5 платы выпрямителя и заизолировать место стыковки. С помощью этой «шпульки» намотать равномерно по каркасу трансформатора дополнительные 26 витков вторичной обмотки в направлении исходной намотки. С помощью изоленты (лучше с тканевым кордом) закрепить эту дополнительную обмотку. Затем повторить эту операцию с другим крайним выводом вторичной обмотки и также закрепить её в этом положении. Всё. Остаётся собрать конструкцию в обратном порядке и припаять хвосты к тем же точкам, от которых они были отпаяны. Кстати, «пятаки» для пайки там довольно большие, и понадобится более мощный паяльник.

Во-вторых, по коррекции режимов. Так как напряжение питания возрастает до +/- 45В, то и напряжение стабилизаторов VD49+VD50 и VD51+VD52 на входе следует изменить с +/-16В на +/-22В. Для этого все эти ранее установленные стабилитроны следует заменить на Д814В1 в таком же малогабаритном корпусе, или на аналогичные. При этом резисторы R26, R27 следует увеличить до 3,3кОм, резисторы R41, R43, а также R42.1 и R43.1 увеличить до 12кОм. Это позволит сохранить режимы работы обоих дифкаскадов, а также раскачивающих транзисторов, при повышении питающих напряжений.

Ну и мелкие брызги по линии защиты. Там в цепях сравнения используется опорное напряжение -30В, формируемое специальным выпрямителем на VD41 и С36. Чтобы сохранить опорное напряжение на том же уровне, следует увеличить сопротивление гасящего резистора R141 до 620Ом. Также следует увеличить сопротивление резисторов R135 и R139 c 330 до 470Ом для облегчения теплового режима транзисторов VT35 и VT36 стабилизатора питания.

Получившаяся схема представлена в файле est_um010corr-45.djvu, где все предлагаемые изменения выделены красным цветом.

Заключение.

Вот собственно всё, что я имел сказать по поводу этого усилителя. После всех этих доработок он отменно звучит, ни в чём не уступая именитым «забугровым» собратьям тех же годов выпуска, причём на родной Советской элементной базе. Все предлагаемые изменения принципиальной схемы собраны в нескольких файлах, отражающих этапы оптимизации этого усилителя. Первый простейший вариант доработки показан в файлах est_up010corr1.djvu и est_um010corr-32.djvu. Второй, более глубокий вариант доработки для продвинутых любителей показан в файлах est_up010corr2.djvu и est_um010corr-45.djvu

Все эти изменения можно увидеть только при помощи достаточно продвинутого редактора файлов типа djvueditor_pro_rus.zip или аналогичного.