А. Кашкаров - Электронные самоделки
Приложение 2
Выбор пассивных элементов для электронного устройства
Практикующий радиолюбитель и специалист по ремонту радиотехники постоянно пользуются справочниками, в которых отражены электрические параметры (характеристики) различных радиоэлементов. Для того чтобы найти вариант для замены вышедшей из строя радиодетали (если недостаточно опыта), порой требуется изучить не один том справочных изданий. Учитывая тот факт, что ни один справочник по радиоэлементам до сих пор (по разным вполне объективным причинам) не может претендовать на полноту и актуальность (свежесть) информации, радиолюбитель должен иметь вблизи своей лаборатории, по меньшей мере, несколько справочных изданий. Отрицательные стороны современных справочников знают, наверное, все — это дороговизна, насыщенность информацией «от А до Я» или, наоборот, однобокая ее подача, в то время, как радиолюбителю часто требуются данные только по узкому спектру радиоэлектронных приборов, наиболее популярных или недорогих. Для этого многие радиолюбители еще с давних времен собирают радиотехнические журналы и аккуратно хранят подшивки справочной информации, опубликованной в них, создавая тем самым собственные «залежи» и «клады» полезной информации.
Обзор призван помочь увлеченным радиолюбителям собрать свои справочники, проверенные опытом как последнего, так и нескольких ранних поколений «стариков-радиолюбителей».
Если проанализировать длительную работу любых аудио- и видеоусилителей, собранных на дискретных компонентах или с применением таковых, окажется, что шумовые помехообразующие свойства данных усилителей (без исключения, самодельного и промышленного производства) в разной степени неудовлетворительны для требовательного слуха меломана или просто внимательного слушателя, привыкшего к комфорту.
Одним из основных требований, предъявляемым к усилителям, является минимальный шум на выходе. В паспортных данных промышленно изготовленного усилителя, как правило, поставленного на конвейерную сборку, присутствует такой параметр, как отношение сигнал/шум. Чем ниже этот показатель, тем качественнее усилитель. Наверное, радиолюбители замечали, что сразу после приобретения нового усилителя среднего класса А или В, его шумовые характеристики практически удовлетворительны, т. е. в динамических головках трудно зафиксировать на слух шум самого усилителя.
В процессе эксплуатации этот параметр постепенно ухудшается и вот уже на полной громкости усилителя слышен то ли «шум камыша», то ли иной постоянный шорох.
Как правило, бывший в ремонте усилитель имеет худшие качественные параметры, относительно нового. Объяснений тому может быть несколько — от установки в виде замены тех элементов, что есть в наличии, а не тех, которые необходимы по заданным параметрам (это касается всех радиоэлементов) и целым комплексом других причин. После повторной пайки усилители (как показывает практика) начинают больше шуметь даже с установленными высококачественными элементами. Основное усиление в усилителях прямого преобразования осуществляется на низких частотах. Поэтому особо важно при сборке усилителя применять те компоненты, которые впоследствии дадут меньше шумовых эффектов.
2.1. Радиоэлементы как источники шумов
По источнику возникновения шумы усилителей можно разделить на внешние и внутренние. С помехами и наводками, вызванными внешними причинами, можно успешно бороться известными способами — с помощью оптимального расположения элементов, экранирования корпуса устройства, фильтрами и фильтрующими оксидными конденсаторами по питанию. От внутренних шумов, возникающих в процессе усиления сигнала, избавиться не просто. Внутренние шумы усилителя зависят от схемотехники усилителя (совместимости транзисторов и целых каскадов), и возникают при прохождении тока через пассивные (резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы) и активные (транзисторы) элементы схемы.
При разработке или повторении высококачественного усилителя звуковой частоты, кроме оптимального выбора вида схемы, важно правильно подобрать элементную базу и оптимизировать режим работы каскадов усилителя.
В каждом усилителе источником внутренних шумов являются тепловые и токовые шумы постоянных и переменных резисторов, фликкер-шумы конденсаторов, диодов и стабилитронов, флуктуационные шумы активных элементов, вибрационные и контактные шумы.
Контактные шумы возникают при некачественной пайке (произведенной с нарушением температурного режима) в местах соединения разъемов и отслоений контактных площадок печатного монтажа. Количество всевозможных разъемов в усилительной аппаратуре должно быть сведено к минимуму. Вибрационные шумы — это разновидность контактных шумов. Они могут проявляться при эксплуатации усилителя на подвижных объектах, с вибрацией почвы (основания), в автомобиле и при неоправданно близком расположении мощных динамических головок к конструкции усилителя. Такие шумы возникают из-за передачи механических колебаний на обкладки конденсаторов, на которые воздействует приложенное напряжение. Особенно подвержены данному недостатку керамические конденсаторы (К10, К15 и др.) с емкостью более 0,01 мкФ, установленные во входных цепях усилителя и выполняющие роль разделительных. Спектр помехи находится в диапазоне низких частот. Для борьбы с этим явлением желательно применять амортизацию всей конструкции. В оксидных конденсаторах такие помехи не возникают. Например, звуковой эффект эхо-сигнала — когда в динамических головках (учитывая стереоэффект) отчетливо слышно повторение сигнала. Для некоторых меломанов такой эффект даже приятен и необычен, но по сути это является недостатком усилителя, хотя бы потому, что его невозможно выключить (устранить).
При прямом прохождении тока собственные шумы диодов минимальны. Небольшой уровень шумов все же имеет место быть — при действии обратного напряжения образуется ток утечки, и чем он меньше, тем меньше шумовые свойства прибора. Стабилитроны и стабисторы дают больший шумовой эффект (с помощью таких полупроводников даже строят устройства со специальными эффектами — имитаторами шума прибоя, генераторы «белого» и «розового» шума). Чем большее сопротивление имеет ограничительный резистор в цепи стабилитрона (работа на малых токах), тем больше вероятность проявления внутренних шумов стабилитрона.
Рассмотрим шумы, возникающие от пассивных элементов: резисторов и конденсаторов.
2.1.1. Шумы резисторов
Собственные шумы резисторов складываются из тепловых и токовых шумов. Тепловые шумы вызваны движением электронов в токопроводящем слое, из которого частично состоит резистор. Такие шумы увеличиваются с увеличением температуры нагрева резистора, и даже температуры окружающей среды. Если на резистор не действует напряжение, то ЭДС его шумов (единицы микровольт) определяется соотношением:
Еш = 0,0125 × (f1 — f2) × R,
где f1 — f2 —полоса частот в килогерцах. R — сопротивление в килоомах.
При протекании через резистор тока возникают токовые шумы. Шумовое напряжение появляется из-за эффекта флуктуации контактных сопротивлений между проводниками, оно линейно зависит от приложенного напряжения. Шумовые свойства резисторов характеризуются отношением действующего значения переменной составляющей напряжения шумов (мкВ) к приложенному напряжению (В):
Eш/U.
Частотный спектр тепловых и токовых шумов непрерывный, но есть и различия. У теплового шума он равномерно распределен по всей полосе частот, а у токового шума спадает с примерно 10 МГц. Общая величина шума пропорциональна квадратному корню сопротивления, поэтому у резисторов с низким сопротивлением шумовые качества лучше (менее значимы).
Кроме того, определяющее значение имеет материал, из которого изготовлены резисторы.
Есть несколько способов борьбы с шумами резисторов. Применение тех типов резисторов, в которых за счет технологии изготовления шумовые свойства менее значимы. У непроволочных резисторов токовые шумы значительно больше тепловых. Общий уровень шума для разных типов резисторов находится в диапазоне 0,1…100 мкВ/В. Подстроечные и переменные резисторы шумят больше постоянных, поэтому их лучше применять с небольшими номиналами или стремиться вообще исключить. Тепловые шумы можно значительно сократить, если применять резистор большей мощности рассеяния, чем это технологически требуется. Тот же эффект достигается принудительным охлаждением резисторов, например, с помощью установленного непосредственно рядом с элементами вентилятора, или помещением всей монтажной платы в холодильник. Параллельное или последовательное включение резисторов для этой цели дает ощутимо меньший эффект, т. к. возрастает количество контактных соединений, что приводит к увеличению влияния контактных шумов.
