ASW低音炮专用频率均衡放大器的设计制作

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ASW低音炮专用频率均衡放大器的设计制作

    本放大器是为笔者的ASW低音炮度身定制的,具有简单可靠、性能优良、使用灵活等特点。若将其均衡电路参数稍作修改,也适用于其他类型的超低频音箱。现将其电路原理、制作及安装方法等介绍如下。

一、电路工作原理
    本放大器包括频率均衡、功率放大、电源等几个部分。
1、频率均衡电路
    10英寸单元ASW低音炮的低频下限选36Hz,这一指标已很不错,但重放36Hz以下的超低频时份量仍感不足,若使用的是8英寸或6.5英寸单元制作的超低频音箱,低频下限一般只能达到42Hz以上,重放超低频时更是捉襟见肘,力不从心。这时听到的多半只是超低频的谐音。故均有必要通过均衡电路预先对40Hz以下的超低频份量予以适当提升,以充分发挥音箱的潜能,改善重放效果。此外,不同类型超低频音箱的低频上限也各不相同,与主音箱低频下限的配合也就不一定适当,可能造成系统中低频段的响应失真。故也有必要通过均衡电路对超低频音箱的频率上限进行调整,使之能与主音箱的低频下限完美配合。而20Hz以下的次低频人耳虽不可闻,但音乐信号中则可能存在(包括噪音),一旦进入音箱,单元锥盆的振幅极大,会产生大量可闻的失真信号(如调制失真、二次、三次谐波失真等),故也需要通过均衡电路予以衰减。
频率均衡电路 
    具有上述多种功能的均衡电路通常比较复杂。为简化起见,本均衡电路选用了最为简单有效的高Q值高通有源滤波器加可调式无源低通滤波器的电路形式(见图1)。图中,L、R声道信号经R1、R2相加(接解码器超低音输出端子时只需从一个输入端接入),再经音量电位器VR1调节后,送往IC1a与外围阻容元件组成的高Q值高通滤波器。该滤波器在不同Q值时具有如图2所示的通带特性。
 
    当Q>0.7时,其转折频率fp处会形成一个峰,Q越大,峰越高(提升量越大)。利用这一特性,且Q值取得适当,便可按要求在提升超低频的同时衰减次低频,且电路十分简单,该滤波器的电路特点是具有等值的滤波元件C、R和一定的增益,且Q值通过电路增益A来控制,其中
    A=1+R4/R3
    Q=1/(3-A)
    Q值决定后,fp处的提升量也就决定了。Q值和fp的大小应根据音箱的结构和低频下限来选取,合成后的响应曲线才会平坦。由于ASW式音箱的低端下降斜率为15dB/oct,可取Q=5左右,这时滤波器的提升斜率约为14dB/oct,故本电路取R4=39kΩ,R3=22kΩ,这时
    A=1+39/22=2.77
    Q=1/(3-2.77)≈4.4
    若所配音箱为密闭式的,可取Q=4,提升斜率为12dB/oct,若所配音箱为倒相式的,Q值可取8~10,但不宜超过10,否则电路可能不够稳定,这时超过20dB的提升量也是100W以下的功放和音箱难以承受的。
 
    fp值要取在音箱频响曲线的低端转折频率fL的半倍频处。本电路所配音箱的fL在44Hz左右(见图3曲线1)。故取fp=22Hz,这样滤波器的响应曲线(见图3曲线3),才可与响应曲线1对称互补,合成的响应曲线(见图3曲线2)就比较平坦,理论上可使音箱的fp由原来的36Hz扩展到22Hz,但由于扬声器低频端的效率较低,实际上只能扩展到28Hz左右,尽管如此,其实际效果已相当理想(一只采用15英寸单元的巨无霸音箱,其fp也在28Hz左右)。fp确定后,滤波元件C1、C2、R5、R6便可由下面的公式确定,即
    C1=C2,R5=R6,
    fp=1/2πCR=159/CR
    式中,C的单位为"uF",R的单位为"kΩ",因受阻容件标称值的限制,本电路取
    C1=C2=0.330uF
    R5=R6=220kΩ
    fp=159/CR=159/0.033×220=21.5(Hz)
    从图2中还可以看出,这种高Q值滤波器响应曲线的低端下降斜率达24dB/oct,可大幅度衰减fp以下的频率成分,故可在大幅提升超低频的同时大幅衰减次低频。
    信号经高通滤波器提升超低频后,从IC1a①脚输出,送到由R7、R8、VR2和C3、C4组成的可调式二阶无源低通滤波器作进一步处理,该滤波器中的C值及R值也相同,其响应曲线高端转折频率
    fH=159/C3(R7+VR2)
    按图1所示元件值,该滤波器的fH值可通过调节VR2在52Hz与185Hz之间随意改变,图3中的曲线4是fH调至55Hz时该滤波器的响应曲线,由于超低频音箱原有的上限频率约为110Hz,故本滤波器与其配合后,合成响应曲线的高端转折频率实际上只能在52Hz至110Hz之间调节。而滤波器fH值的高点取至185Hz,主要是为了使音箱原有的频率上限不会被滤波器该点附近的过渡特性所压缩,相应地可与低端频响为50Hz至110Hz的AV主音箱配合使用,获得较平坦的整体响应曲线。当然,也可通过调节VR2获得不同的低频效果,以满足不同人的听音喜好。
    信号经低通滤波处理后,已形成所希望的均衡特性,再经IC1b构成的跟随器缓冲“隔离”后通过R9、C5送往功率放大器输入端(A点)进行功率放大。

2、功率放大电路
    用于驱动超低频音箱的功率放大器,主要要求其具有足够的驱动电流、较低的内阻、较高的稳定性和可靠性,其他性能则没有特殊要求。这里我们选用了如图4所示的全直流全对称互补功放电路。该功放可对5Ω负载提供100W的不失真功率,输入灵敏度为300mV,输出噪声电压为1.2mV,能满足上述要求,且具有电路简单、失真与噪声低、转换速率高等特点。即使用作全频带功放也是较佳的选择。
 
    笔者在选用这一经典电路时,还在电路中揉进前级二极管隔离供电技术,进一步提高了大动态突发信号到来时前级电路的驱动能力。图中二极管D1、D2即当此重任。当大动态突发信号到来时,末级输出管的电流剧增,迫使电源电压瞬间下降,这时由于D1、D2的反向隔离作用,滤波电容C5、C7上的电压不能突变,仍可基本保持在信号到来前有较高的电压,故推动级仍能继续提供较高的信号电压和较大的驱动电流,使声音的听感更加强劲有力,后劲十足,由于大动态的突发信号常出现于低频段,因而该技术的采用对于超低频功放来说尤其具有重要意义,实际听感也证实了这一点。
    本电路的直流工作点已由设计确定,其中输入级差分对每管的工作电流为0.9mA,输出管的静态电流为80mA,工作于AB类状态。为提高输出级静态工作点的热稳定性,在其偏置电路中采用二极管D3~D5和负温度系数热敏电阻R10进行温度补偿,其中R10要贴装于功放管散热器上,此举对提高功放的热稳定性很有效,末极管的冷、热态静态电流可控制在30~80mA范围内,功放无须热身,一开机便可进入较佳的工作状态,如不采用R10,冷、热态静态电流变化范围竟达0~100mA.若能购得200Ω的R10,热稳定性还能进一步提高。

3、保护电路
喇叭保护电路 
    超低频功放安装于音箱内,一般是不能随便打开箱体进行维护的,因而电路的可靠性应视为重中之重。为此,本电路除了在电路设计及调整方面下功夫之外,还为电路设置了多重简单有效的保护电路。图5所示为中点电位偏移保护和抗开/关机电流冲击保护电路。当输出点电位偏移>±2v时,说明电路已有故障,这时BG1、BG2通过接于功放输出中点(B点)的电阻R2检测到偏移信号,关闭BG3构成的继电器驱动电路,断开扬声器,使故障不致恶化,同时也保护了扬声器,电路的抗开/关机冲击噪声功能则通过定时元件R1、C3实现。本功放电路对称性好,开/关机时产生的冲击噪声虽不大,但作为一种附带功能仍有一定意义。图中D2为双色发光二极管,它兼有电源指示和故障指示功能,当电源开启时,R4得电,发光管发绿光,电路有故障或开机后3秒之内继电器断开,R3得电,发光管发橙光。
 
    在图6所示电源变压器初级引线处,还设有温控保护开关K2和过流保险管F。其中K2装在功放散热器上,当电路有故障或长时间大电流工作,使散热器温度上升到85℃时,K2自动断开,电路停止工作而使输出管得到保护,采用了上述保护措施后可使功放电路的可靠性大为提高。

4、电源电路
    电路采用了200W的EI型电源变压器,从而使功放拥有充足的能源,其整流滤波电路有三组输出电压,其中±39V电压供功放电路使用。其上接有10000uF的大滤波电解电容。±39V电压经R1、R2降压,D1、D2稳压获得±12V电压供前级频率均衡电路使用,另一组+12V电压供继电器保护电路使用,由于所用变压器只有一个10V小电流绕组,全波整流后所得12V电压有时会偏低,带不动继电器,为此滤波电容C1用得较大。故关机时继电器的反应会稍慢一些,读者制作时,如采用12V的交流电压,增加一只16Ω左右的限流电阻R3并减小c1的值,这一现象便可得到改善。

三、元器件选择
    双运放IC1采用NE5532或TL082均可,功放电路用的三极管要经过筛选配对,其中BG1-BG4的β值配对误差要<3%.BG5与BG6,BG7与BG3,BG9与BG10的β值配对误差要<5%,电位器VR1、VR2均选用日本ALPS牌的,其中VR1为“A”型,VR2为“B”型,继电器驱动管FN020为小功率达林顿管,也可用9013等普通小功率管代替,功放电路的小功率电阻要选用金属膜电阻,以提高电路工作点的稳定性与可靠性,继电器J选用12V5A双触点的,使用时双触点并联,散热器的结构可自由选择,但重量不宜小于半公斤。温控开关K2选用启动门限值为85℃,其形状如大功率三极管。其他元器件的选择无特殊要求,按图中标注的规格选用即可。

四、电路安装
    图1和图5电路可分别安装在一块万能电路板上,主功放电路可用结构类似的成品电路板改装,笔者使用的是一块闲置的“八达超级功放”印制板,只要根据电路走向切断或连接几根铜箔,补钻一些孔,连同±39V整流滤波电路均可安装在该板上。
    电路的输入莲花座、带宽和音量控制电位器、电源开关、发光管指示灯、电源保险管座可按图7所示安装在一块双线分音4端子音箱接线盒上,安装时用环氧树脂把原接线端子的4个孔封上,然后倒过来在另两个阶梯面上打孔安装上述元件。由于交流电源的两个元件也装在同一块板上,板的面积又较小,要将左边音频部分的元件用薄铁皮屏蔽起来,否则会引入少量交流声,控制板与电路板的信号连线全部要用屏蔽线,并单端接地,右下边的电源线孔和莲花插座背后的孔隙要用胶封上,并保证板上每个元件装好后均不漏气,这一点很重要!电源变压器和功放板可按图8所示位置安装在音箱底板上。
 

五、电路调整方法
    频率均衡电路和保护电路只要按电路图安装无误,一般无须调整便可正常工作。功放电路安装好,且检查无误后,要进行末级静态电流和输出中点零电位调整,方法是:先短路R11.在±39V电源输入端各串接一个1A的保险管,然后接通电源,若无异常现象出现,可用万用表测一下输出中点电压,若在±300mV以下,说明电路安装基本无问题,然后关掉电源,在R13或R14两端接一万用表,将其拨至0.5V档,再焊开R11的短路点,用300Ω左右的电位器代替R11接入电路,并将电位器调至阻值最小点,重新打开电源,慢慢调大电位器的阻值,使万用表的指示电压达到11mV,这时末极管的静态电流约为50mA,通电半小时后,电压表的指示会升高,散热器有温热感,这时再微调一下电位器使电压表指示为17mv,这时的静态电流约为80mA,BG7、BG8、BG9、BG10基极之间的电压分别为1.95v和1.1V,末极管的静态电流就调好了。这时再测一下输出中点电压,若在100mV左右,表明中点电位已在允许范围内,可不必调整,若中点电位达200mV以上,说明输入级差分对管的β值对称性差,可酌情更换其中的一两只试之,若中点电位仍不能回到允许值内,多换几次便可。调好后关掉电源,焊下代替R11的电位器,测其阻值,用一只阻值最接近的固定电阻焊在R11的位置上,调整即告完毕。将各部分的电路连接组合好,就可以放音乐试听了,如一切正常,按要求将各部分电路板装入音箱,一台调控自如,性能优良的有源超低频音箱,便可加盟您的AV系统,忠心耿耿地为您服务了。

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