Изготовление электростатических громкоговорителей в любительских условиях

С. ЛАЧИНЯН, пос. Энергетик Алмаатинской обл., Казахстан

Важным условием обеспечения работоспособности громкоговорителя является проверка электрической прочности отдельных узлов и громкоговорителя в сборе. Для проведения такого контроля, кроме обычных измерительных приборов, потребуется регулируемый источник высокого напряжения, в качестве которого можно применить готовый высоковольтный узел транзисторного портативного телевизора. Напряжение, подаваемое на анод небольшого кинескопа, обычно находится в пределах Ю...14кВ и вполне достаточно для проверки и налаживания электростатического излучателя. Это же высокое напряжение возможно использовать как поляризующее для настройки оптимального режима электростатического громкоговорителя. Плавное регулирование напряжения осуществляют за счет изменения напряжения питания выходного каскада строчной развертки.



При подготовке к испытаниям анодный провод отсоединяют от кинескопа и во избежание нежелательного смещения и замыкания закрепляют на диэлектрической пластине. Высокое напряжение подают на испытуемое устройство через токоограничивающий резистор КЭВ-1 сопротивлением 15...33 МОм либо через несколько последовательно включенных резисторов МЛТ меньшего номинала мощностью 1 —2 Вт из расчета, чтобы суммарное расстояние между выводами резисторов было не менее 40 мм. Резисторы лучше всего поместить в изоляционную трубку.

Испытательное напряжение контролируют специальным электростатическим вольтметром. Для измерения можно также применить высоко-омный вольтметр, подключаемый через делитель, при этом взамен одного высоковольтного резистора допустимо использовать набор из нескольких последовательно соединенных резисторов суммарным сопротивлением 150...300 МОм. Резисторы следует поместить в длинную диэлектрическую трубку-щуп и калибровать вольтметр на самой высокой чувствительности посредством предварительного измерения известного значения напряжения (не более 1000 В), при необходимости подбирая ближний к вольтметру резистор делителя либо дополнительный резистор, шунтирующий вход вольтметра.

В дальнейшем измерение высокого испытательного напряжения производят непосредственно на выходе умножителя телевизора, а само испытательное напряжение во всех случаях подают через токоограничивающий резистор. Следует иметь в виду, что с помощью такого вольтметра нельзя измерять поляризующее напряжение непосредственно на собственном умножителе громкоговорителя и переменное напряжение с повышающего трансформатора, поскольку емкость проводов и недостаточно высокое входное сопротивление прибора могут внести значительную погрешность.

Для подведения высокого напряжения к электростатическому громкоговорителю целесообразно использовать коаксиальный кабель диаметром не менее 4 мм с полиэтиленовой изоляцией центрального проводника. Такой же кабель можно использовать и в качестве сигнального провода при проверке и налаживании громкоговорителя, учитывая, однако, негативное влияние собственной емкости кабеля на КПД и полосу рабочих частот. Электрическую прочность изоляции испытывают, подключив проводники проверяемого узла к плюсовому высоковольтному проводу и прикасаясь к ней соединенной с минусовым проводом полоской алюминиевой фольги, закрепленной на щупе с длинной (0,7...1 м) изоляционной ручкой.

В некоторых случаях проверку электрической прочности полезно осуществлять в затемняемом помещении для визуального контроля пробоя или коронных разрядов. Обнаруженные дефекты можно ликвидировать, изолируя их места силиконовым герметиком, термоклеем или липкой лентой из лавсана ("скотч"). Каждый узел в процессе его изготовления или перед установкой следует проверять на электрическую прочность изоляции и отсутствие пробоев, при этом следует внимательно следить за тем, чтобы напряжение не превышало предельно допустимого

Для левого и правого каналов стереофонической АС необходимо выбирать громкоговорители с близкими параметрами, в частности, межэлектродной емкостью и резонансной частотой. Во избежание выхода из строя измерительного прибора измерение собственной емкости электростатического преобразователя, если громкоговоритель был до этого включен, следует проводить только после того, как рассеется остаточный заряд, вызванный поляризацией диэлектрика. Поэтому перед измерением выводы преобразователя замыкают на 20...30 мин. Емкость между мембраной и неподвижными электродами описываемой конструкции примерно равна 500 пФ. Частоты механического резонанса собранного громкоговорителя измеряют с подключенным питанием визуально или на слух по резкому возрастанию амплитуды колебаний мембраны при перестройке частоты подаваемого сигнала. Поскольку пленка натянута по двум направлениям, будут фиксироваться, как правило, два-три резонансных пика соответственно вблизи 20, 40 и 200 Гц.
Следует учитывать, что после натяжения на громкоговоритель декоративного чехла из тонкой ткани добротность излучателя снизится за счет его демпфирования и амплитуда колебаний на резонансной частоте значительно уменьшится.

Питание громкоговорителя

Для эффективной работы электростатического преобразователя на его электроды следует подавать постоянное поляризующее напряжение 7... 10 кВ, а также повышенное переменное напряжение воспроизводимых сигналов звуковой частоты. На рис. 17 изображена схема электростатического громкоговорителя, который состоит из умножителя напряжения и узла согласующего трансформатора.
Узел согласующего трансформатора содержит разделительный ФВЧ из элементов С1— СЗ, R2 (рис. 17,а) Стабилитроны VD2, VD3 обеспечивают защиту усилителя от индуктивных выбросов напряжения, тем не менее мощные транзисторы усилителя должны быть шунтированы обратно включенными диодами.

Цепь VD1R1 предназначена для зарядки в правильной полярности оксидных конденсаторов С1, СЗ.
Резистор R2 шунтирует первичную обмотку согласующего трансформатора с целью уменьшения добротности колебательного контура, образованного обмотками трансформатора и разделительными конденсаторами. Катушка L1 (индуктивностью 4,5 мГн при сопротивлении около 5,8 Ом) с резистором R3 сглаживают неравномерность АЧХ в области резонансной частоты громкоговорителя. Катушку L1 наматывают на каркасе диаметром 25 мм со щечками. При длине намотки 20 мм на катушку наматывают 450 витков в два провода ПЭВ-2 0,28. Конденсатор С2 — пленочный серий К72, К78, в крайнем случае К73-17 или набирается из нескольких меньшей емкости. Емкость конденсаторов С1, СЗ уточняют при настройке всей акустической системы (с сабвуфером). При ограниченной полосе частот (выше 300 Гц) достаточно использовать только бумажные конденсаторы общей емкостью 20...30 мкФ на 160—300 В. Сведения о трансформаторе изложены ниже по тексту. Используемые в блоке питания радиодетали и провода оказывают заметное влияние на качество звуковоспроизведения в целом, поэтому в конструкции желательно применение высококачественных элементов.

Поляризующее напряжение около 9 кВ формируют из сетевого умножителем на диодах VD1—VD30 и конденсаторах С1—СЗО (его схема на рис. 17,6). Оно поступает на неподвижные электроды через высокоомные резисторы R4, R5 типа КЭВ-1 или МЛТ-2 сопротивлением Ю...15МОм. Возможно питание нескольких излучателей от одного умножителя, поэтому конструктивное исполнение и размещение этого узла могут иметь несколько вариантов со своими достоинствами и недостатками. В случае общего для двух громкоговорителей умножителя высокое напряжение можно подавать по кабелю РК50 с полиэтиленовой изоляцией центрального проводника, а резисторы установить в непосредственной близости от электродов громкоговорителей.

От замыкания цепи поляризующего напряжения через трансформатор его вторичная обмотка отделена конденсаторами   С4—С9  типа   К15-5   емкостью 0,015 мкФ на 3 кВ. Возможно применение других типов конденсаторов, например, К75-15 или К75-72. Следует только иметь в виду, что слишком большая емкость разделительного конденсатора резко увеличивает опасность поражения током, а на улучшение качества звучания может повлиять несущественно. Резисторы R1, R2 во входной цепи выпрямителя ограничивают ток при замыкании этой цепи (а также по отношению к земле) до значения, безопасного для человека.



В процессе настройки громкоговорителя напряжение поляризации, при котором обеспечивается нормальная работа электростатического преобразователя, подбирают экспериментально с помощью регулируемого высоковольтного источника (на слух при прослушивании фонограмм на номинальной громкости и по шумам в паузе). Далее подбирают число ступеней умножителя по формуле к = Uo/ЗОО, где U0 — экспериментально подобранное напряжение поляризации; к — число ступеней умножения. При экспериментах полезно воспользоваться плавной регулировкой напряжения поляризации с помощью двух маломощных (5... 10 Вт) трансформаторов из сетевых адаптеров (схема их включения показана на рис. 18), задающих входное напряжение для умножителя регулятором напряжения — резистором R1  в низковольтной цепи.

Такое устройство можно рекомендовать и для постоянного использования в условиях нестабильной сети, когда необходима оперативная регулировка поляризующего напряжения: существенные его изменения (более 20 %) негативно влияют на динамику звуковоспроизведения. Естественно, параметры питания левого и правого каналов должны совпадать.

Диоды и конденсаторы умножителя должны иметь номинальное рабочее напряжение не менее 500 В. При подборе диодов и конденсаторов следует особое внимание уделить проверке сопротивления утечки конденсаторов (не менее 500 МОм) и обратного тока диодов (не более 1 мкА при обратном напряжении 400 В), поскольку часто их плохое качество оказывается причиной неработоспособности умножителя. Поэтому в умножителе напряжения рекомендуется устанавливать пленочные конденсаторы серий К73, К78 или аналогичные импортные.
Возбуждение электростатических громкоговорителей сигналами звуковой частоты осуществляется напряжением, достигающим 2000...3000 В (с амплитудным значением до 4500 В).

Для этого необходимо повышение напряжения с выхода УМЗЧ посредством согласующего трансформатора. Естественно,   в  этом  случае  параметры трансформатора в значительной степени определяют диапазон воспроизводимых частот и качество звуковоспроизведения. При возбуждении такого громкоговорителя от транзисторного усилителя коэффициент трансформации оказывается в интервале 70... 150, для которого конструктивно сложно обеспечить высокое потоко-сцепление обмоток. Поэтому эквивалентная индуктивность рассеяния с емкостью вторичной обмотки, емкостью кабеля и электростатического преобразователя образуют ФНЧ, способный ослабить сигнал даже на верхних частотах рабочего диапазона. Следовательно, частота среза этого ФНЧ и будет определять границу полосы воспроизводимых частот; при этом вблизи частоты среза значительно уменьшается входное сопротивление громкоговорителя по переменному току и появляется выброс на АЧХ системы трансформатор — электростатический излучатель.

Для устранения этого эффекта можно рекомендовать включение в цепь первичной обмотки трансформатора Т1 фильтра-пробки, настроенного на частоту резонанса и шунтированного резистором (сопротивлением несколько ом), значение которого подбирают до достижения ровной АЧХ в области резонанса. Фильтр-пробку (параллельный колебательный контур) образуют из конденсатора емкостью 0,5... 1 мкФ и катушки индуктивностью примерно 150 мкГн, намотанной на каркасе без магнито-провода проводом 0,8... 1 мм. Этот контур шунтируют резистором мощностью 4—5 Вт и сопротивлением несколько ом до получения требуемого входного сопротивления (не менее 4 Ом) и достижения ровной АЧХ в области верхних частот.

Кроме того, в трансформаторе на частотах ниже граничной (200 Гц) могут возникать нелинейные искажения, вызванные гистерезисом и насыщением магнитопровода. Исключение этих искажений для выбранной номинальной мощности и параметров трансформатора достигают подбором частоты среза ФВЧ, с которого подают сигнал на первичную обмотку.
Для максимального расширения диапазона воспроизводимых частот и увеличения КПД целесообразно максимально снижать паразитную емкость подводящих проводов и обмоток согласующего трансформатора. В этой связи может быть целесообразным использование трехполосных систем, поскольку для подачи напряжения на выделенную высокочастотную секцию с небольшой собственной емкостью можно применить малогабаритный трансформатор с меньшей индуктивностью рассеяния и малой емкостью обмоток.

Большинства этих проблем можно избежать с бестрансформаторным выходным каскадом, передавая сигнал на громкоговоритель непосредственно с анода высоковольтной лампы. Например, неплохие результаты удается получить от усилителя мощности на лампе ГК-71 с резистивной нагрузкой при напряжении питания 3000...3400 В и напряжением на аноде 1450 В. Внешний вид такого усилителя с одно-тактным выходным каскадом показан на обложке журнала "Радио" № 1, 2006 г. Надо заметить, что однотактный выходной каскад наиболее подходит для несимметричной конструкции электростатического преобразователя, нелинейность которых удается отчасти скомпенсировать. В двухтактной же конструкции высоковольтного УМЗЧ применение резистивной нагрузки приводит к большим энергетическим потерям, поэтому выгоднее использовать вариант дроссельной нагрузки. Сборку подобных усилителей можно рекомендовать только квалифицированным радиолюбителям, имеющим опыт работы с мощными высоковольтными лампами.

В некоторых случаях, если не стремиться к широкому динамическому диапазону, усилитель с бестрансформаторной связью с громкоговорителем можно выполнить на более распространенных лампах (в частности, ГУ-50) по схеме каскада с динамической нагрузкой (в зарубежной терминологии — SRPP). При исключении трансформатора между усилителем и электростатическим громкоговорителем достижимо очень высокое качество звука.

Если же ориентироваться на подключение электростатического громкоговорителя к УМЗЧ, рассчитанному на работу с динамическими громкоговорителями, целесообразно вначале изготовить согласующий трансформатор. Наилучшие результаты по качеству звука дает трансформатор, выполненный на магнитопроводе из пермал-лоевой ленты 0,1x16 мм с толщиной набора 15...20 мм (фото на рис. 19,а). Несколько худшие, но вполне удовлетворительные результаты удается получить на тороидальном магнитопроводе (фото на рис. 19,6) из аморфного железа, например, марки ГМ414 производства НПП "Гаммамет" (г. Екатеринбург, http://www.gammamet.ru). Удовлетворительными по достигаемому качеству звучания будут трансформаторы на стержневом ленточном магнитопроводе из электротехнической стали.



Технология изготовления и намоточные данные согласующих трансформаторов подобны для большинства магнитопро-водов, поэтому изготовление согласующих трансформаторов рекомендуется начать с более доступного варианта на магни-топроводах трансформаторов ТС-160 или ТС-180 из блоков питания ламповых телевизоров.

Первичную обмотку для лучшего магнитосцепления наматывают в несколько проводов, сложенных вместе. Обмотку распределяют по всей длине каркаса равномерно в один слой, и соответственно каждый провод будет намотан с шагом, равным сумме диаметров остальных. Затем провода соединяют последовательно или параллельно до получения нужного числа витков. Они же используются для получения сигнала обратной связи.

Половины вторичных обмоток (I—VI и I'—VI') создают равные напряжения сигнала звуковой частоты для каждого из неподвижных электродов. Вторичную обмотку для получения минимальной собственной емкости и максимальной электрической прочности наматывают секциями. Каждая секция представляет собой узкую катушку, намотанную между двумя изолирующими прокладками из ламинированного гетинакса, полиэтилена или фторопласта. Затем обмотки всех секций соединяют последовательно. В процессе намотки слои высоковольтной катушки обмазывают силиконовым герме-тиком, это обеспечит надежность и электрическую прочность. Обмотки можно наматывать проводом марки ПЭЛШО и без герметика.
Технология изготовления согласующего трансформатора и его намоточные данные следующие. Сетевые трансформаторы (ТС-180, ТС-160) разбирают, и с их каркасов удаляют все обмотки и одну боковую щечку. Внутрь каркаса, если намотка ведется вручную, вставляют деревянную бобышку по размеру окна. Затем наматывают слой первичной обмотки.

Первичную обмотку наматывают жгутом из шести сложенных вместе проводов диаметром 1 мм (8 витков). В процессе намотки витки фиксируют липкой лентой. После намотки поверх первичной обмотки для ее электрической изоляции от вторичной тщательно, с перекрытием, наматывают 5—6 слоев широкой липкой ленты ("скотч"). Использовать в качестве изолирующих материалов лакоткань или бумагу недопустимо из-за их низкой электрической прочности.
Далее, согласно чертежу (рис. 20), вырезают боковые изолирующие прокладки. Размеры их внутреннего окна должны соответствовать внешним размерам первичной обмотки с изоляцией. Щечки надевают поверх первичной обмотки, они формируют секции вторичной обмотки. На каждой катушке трансформатора ТС-160 разместится пять отдельных секций. Каждую секцию изолируют силиконовым герметиком или силиконовым термоклеем таким образом, чтобы в ее основании не оставалось щелей и дефектов изоляции. Это потребует нанесения герметика непосредственно в процессе установки щечек.

Для проверки изоляции каждой секции наматывают в ней "пробный" виток из оголенного провода, который подключают к источнику высокого испытательного напряжения, и с помощью щупа, помещаемого снаружи прокладок или в соседние секции, проверяют электрическую прочность по отсутствию пробоя. Трансформатор можно считать готовым к намотке, если отсутствует пробой на первичную обмотку и внешнюю сторону прокладок при испытательном напряжении 8...10 кВ. В случае наличия разряда (как правило, в местах микродефектов в изоляции) следует устранить его добавлением герметика.

В каждой секции вторичной обмотки наматывают по 750 витков провода ПЭВ-2 или ПЭТВ-2 диаметром 0,14 мм либо марки ПЭЛШО диаметром 0,12 мм. Намотку осуществляют следующим образом. Вначале делают нижний вывод, для чего припаивают к обмоточному проводу отрезок многожильного во фторопластовой изоляции. Место спайки тщательно изолируют термоусадочной трубкой или двумя слоями ленты "скотч", затем вывод укладывают вдоль на "дно" секции и обматывают полоской ленты "скотч" в 2— 3 слоя по ширине окна. После этого вручную или на намоточном станке наматывают первую часть секции (250 витков). В процессе намотки на слои провода периодически наносят силиконовый герметик, после окончания намотки избыток герметика удаляют (в случае применения провода ПЭЛШО герметик использовать не обязательно). Намотку допустимо вести внавал, но при этом необходимо соблюдать равномерность заполнения.

Поверх первых 250 витков наматывают изолирующую прокладку из одного-двух слоев бумаги, "скотча", лакоткани (здесь требования к изоляционным свойствам материала существенно ниже). Затем таким же образом наматывают еще две части секции (по 250 витков). По окончании намотки обмотку покрывают дву-мя-тремя слоями ленты "скотч" и делают вывод многожильным проводом во фторопластовой изоляции. Место спайки изолируют термоусадочной трубкой или "скотчем". Затем с натягом наматывают "скотч" поверх обмотки до ее полного покрытия.
Далее выводы обмотки замыкают между собой и подключают к одному выводу источника высокого напряжения 5...6 кВ.

Секция намотана удовлетворительно, если не будет пробоя при помещении щупа, подключенного к другому выводу источника, поверх обмотки; в противном случае необходимо устранить дефекты изоляции. После намотки всех секций вторичные обмотки соединяют последовательно и места спайки выводов секций изолируют термоусадочной трубкой или "скотчем". Перед сборкой трансформатора каждую катушку целиком со всеми секциями тщательно покрывают несколькими слоями "скотча". Затем трансформатор собирают и вновь испытывают напряжением 5...6 кВ.

В заключение проводят испытание электрической прочности узла на переменном токе, для чего с усилителя на первичную обмотку трансформатора подают через токоограничивающий резистор МЛТ-2 сопротивлением 4 Ом сигнал частотой 1000 Гц и амплитудой 15...20 В. Внимание! Во время всех испытаний трансформатора переменным током вторичные обмотки должны быть шунтированы несколькими набранными в последовательную цепь резисторами МЛТ-2 общим сопротивлением 3...4 МОм, оконечные транзисторы усилителя защищены диодами или стабилитронами от бросков обратного напряжения, а один из выводов высоковольтной обмотки желательно соединить с общим проводом.

Признаком исправной работы трансформатора будет отсутствие искрения и призвуков (трансформатор не должен "петь"), а токоограничивающий резистор не должен нагреваться. Выходное напряжение можно косвенно проконтролировать неоновой лампой, если поднести ее, держа за цоколь, к оголенному "горячему" выводу вторичной обмотки: лампа должна загораться на расстоянии не менее 15...20 мм.

(Окончание следует)