Проектирование и конструирование устройства воспроизведения стереозвука для телевизоров ЗУСЦТ 2: Детальный план курсовой работы

Представьте: на дворе середина 1970-х, и телевизор в гостиной — не просто источник изображения, а центр вечерних семейных посиделок. Но, увы, звук из него льется в привычном, хоть и несколько унылом, монофоническом формате. В то время как мир уже активно осваивает стереофонию в магнитофонах и радиоприемниках, телевизоры ЗУСЦТ — унифицированные стационарные полупроводниково-интегральные телевизоры цветного изображения — оставались в плену одного звукового канала. И хотя первые экспериментальные телепередачи со стереозвуком в СССР велись уже в 1974 году, широкого внедрения этого новшества так и не последовало. Именно эта ситуация и делает актуальной задачу модернизации, позволяющей вдохнуть новую жизнь в почтенную аналоговую технику и подарить ей объемное звучание.

Целью данной курсовой работы является разработка и конструирование устройства, способного воспроизводить стереозвук, для последующей интеграции в телевизоры серии ЗУСЦТ 2. Мы не просто создадим «приставку», а предложим полноценное инженерное решение, учитывающее технические особенности и элементную базу того времени. Задачи работы включают: исследование теоретических основ стереозвука, детальный анализ аудиотракта ЗУСЦТ 2, схемотехническую разработку устройства, продумывание конструкторских решений и обоснование выбора компонентов.

Выбор телевизоров ЗУСЦТ 2 обусловлен их широким распространением в свое время, модульной архитектурой, которая облегчает модернизацию, а также типичностью для советской бытовой электроники того периода. Структура работы последовательно проведет нас от фундаментальных теоретических принципов до практических рекомендаций по конструированию, обеспечивая исчерпывающий и глубокий анализ каждого этапа.

Теоретические основы стереозвука и психоакустики

Погружение в мир объемного звучания начинается с понимания базовых принципов его формирования и восприятия, ведь стереозвук — это не просто сумма двух каналов. Это сложная игра физических явлений и психоакустических иллюзий, позволяющих нашему мозгу «видеть» звук в пространстве, что, в свою очередь, является ключом к созданию по-настоящему живого и вовлекающего аудиоопыта.

Принципы формирования и воспроизведения стереозвука

В своей основе стереозвук (от греч. *stereos* — объемный, пространственный) использует два или более независимых звуковых канала (обычно левый и правый) для создания иллюзии пространственного расположения источников звука. В отличие от него, монозвук (от греч. *monos* — один) представляет собой единый звуковой поток, воспринимаемый как исходящий из одной точки, без пространственной локализации.

История стереофонии уходит корнями в XIX век, но настоящий расцвет пришелся на середину XX столетия. Основная идея заключается в том, чтобы донести до каждого уха слушателя немного отличающиеся звуковые сигналы, имитируя естественные условия восприятия звука в реальном пространстве. Эти различия могут быть в громкости, фазе и времени прихода звука.

Существует несколько методов создания пространственного звучания:

• Истинная стереофония: Запись звука производится с использованием двух или более микрофонов, расположенных так же, как и уши человека, или с учетом специфических техник (например, «голóвка Кемпфа»). Это позволяет точно передать пространственную информацию.
• Псевдостереофония (искусственное стерео): Этот метод применяется для преобразования монофонического сигнала в двухканальный, имитирующий стереоэффект. Он достигается за счет различных манипуляций:
  • Фазовое сдвижение: Монофонический сигнал разделяется на два, и в одном из каналов вводится небольшой фазовый сдвиг (задержка). Это создает впечатление расширения звуковой сцены.
  • Частотная обработка: Различные частотные диапазоны монофонического сигнала направляются в разные каналы или обрабатываются с разной эквализацией. Например, низкие частоты могут быть общими, а высокие — разделены.
  • Реверберация и задержка: Добавление искусственной реверберации или коротких задержек к одному из каналов может значительно улучшить объемность звучания.
• Многоканальные системы: Более сложные системы, такие как квадрофония (четыре канала) или современные форматы «объемного звука» (5.1, 7.1 и т.д.), используют большее количество каналов для создания еще более глубокого погружения. Однако для нашей задачи, ориентированной на аналоговые телевизоры ЗУСЦТ 2, нас интересует прежде всего двухканальная стереофония или ее псевдостереофоническая имитация.

Психоакустические основы восприятия

То, как мы слышим и интерпретируем звуки, — это сложный процесс, который изучает психоакустика. Она исследует, как наша слуховая система расшифровывает звуковой образ, устанавливая соответствия между физическими стимулами (звуковыми волнами) и субъективными ощущениями (громкость, высота, тембр, а главное для нас — локализация или стереоэффект).

Важно понимать, что слуховые ощущения человека связаны с физическими характеристиками звука неоднозначно и нелинейно. Мозг активно участвует в интерпретации входящих сигналов, и эта интерпретация может быть подвержена различным иллюзиям и эффектам.

Один из ключевых психоакустических эффектов, имеющих прямое отношение к созданию стереозвука, — это «эффект предшествования», или эффект Хааса. Этот эффект описывает свойство слуховой системы, при котором мозг «игнорирует» или придает меньшее значение «поздним» звукам, если два похожих звука из разных направлений достигают уха быстро друг за другом. Иными словами, если один и тот же звук приходит к нам с небольшой задержкой из разных источников, мы воспринимаем его как единое событие, но локализуем источник в направлении первого пришедшего звука.

Детализация эффекта Хааса:

• Диапазоны задержек: Слияние звуков в единое событие при эффекте Хааса происходит, когда задержка между двумя звуками находится в диапазоне от 1 до 5 мс для коротких импульсов (щелчков) и до 40 мс для более сложных, протяженных звуков, таких как речь или фортепианная музыка. Если задержка превышает эти значения, второй звук будет восприниматься как отчетливое эхо, а не как часть единого звукового события.
• Влияние громкости: Эффект Хааса может быть нарушен, если второй, задержанный звук значительно громче первого. В частности, если второй звук громче первого на 15 дБ и более, мозг начинает воспринимать его как отдельный источник, игнорируя эффект предшествования. Этот нюанс критически важен при проектировании псевдостереосистем, где баланс громкостей двух каналов должен быть тщательно выверен, чтобы обеспечить убедительную иллюзию пространственности.

Понимание эффекта Хааса позволяет инженерам создавать системы псевдостерео, которые, хотя и не воспроизводят истинное пространственное поле, формируют убедительную иллюзию объемного звучания, используя лишь один монофонический входной сигнал. Этого можно достичь, например, путем создания двух каналов из моно-источника, один из которых подвергается небольшой временной задержке, а другой остается неизменным, с точным контролем относительной громкости.

Критерии качества звука для аналоговых систем

Для оценки качества аналоговой информации, в частности звука, существует ряд фундаментальных критериев, которые напрямую влияют на субъективное восприятие слушателем. Эти параметры были и остаются ключевыми для любой аудиоаппаратуры, включая устройства для ЗУСЦТ.

1. Частотный диапазон (Frequency Response): Этот параметр показывает, насколько равномерно аудиосистема воспроизводит звуки различной частоты. Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (для молодых людей, с возрастом верхняя граница снижается). Чем шире и равномернее частотный диапазон воспроизведения устройства, тем более полным и естественным будет казаться звук, позволяя слышать как глубокие басы, так и чистые высокие ноты. Идеальная АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) должна быть максимально линейной в слышимом диапазоне.
2. Динамический диапазон (Dynamic Range): Он определяет разницу между самым тихим и самым громким звуком, который может воспроизвести система без существенных искажений или провалов в слышимости. Измеряется в децибелах (дБ). Широкий динамический диапазон позволяет передавать все нюансы музыкального произведения, от едва слышимых шепотов до мощных оркестровых аккордов. Нижняя граница динамического диапазона обычно определяется уровнем собственных шумов системы, а верхняя — уровнем допустимых нелинейных искажений.
3. Отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR): Этот параметр характеризует уровень полезного звукового сигнала по отношению к уровню собственных шумов, генерируемых компонентами аудиосистемы. Измеряется в децибелах (дБ). Чем выше значение SNR, тем чище звук, поскольку фоновый шум становится менее заметным. Низкое отношение сигнал/шум проявляется в виде шипения, гула или других нежелательных призвуков, которые маскируют полезный сигнал, особенно в тихих местах фонограммы.

Для качественной передачи звука система должна иметь максимально широкий динамический диапазон, который ограничивается снизу уровнем шумов, а сверху — уровнем допустимых искажений. При проектировании устройства для ЗУСЦТ 2, с учетом ограничений элементной базы того времени, необходимо будет стремиться к наилучшим возможным показателям по этим критериям, тщательно подбирая компоненты и оптимизируя схемотехнику.

Анализ аудиотракта и возможностей интеграции в телевизоры ЗУСЦТ 2

Прежде чем приступать к разработке нового устройства, необходимо досконально изучить его «среду обитания». В нашем случае это телевизор ЗУСЦТ 2 — детище советской инженерной мысли, со своими достоинствами и ограничениями. Понимание его архитектуры и аудиотракта станет краеугольным камнем для успешной интеграции стереофонического модуля.

Общая характеристика и архитектура телевизоров ЗУСЦТ 2

Телевизоры серии ЗУСЦТ (3УСЦТ) — это целая эпоха в советской бытовой электронике. Расшифровывается аббревиатура как «унифицированный стационарный полупроводниково-интегральный телевизор цветного изображения». Их появление ознаменовало переход от ламповой техники к полупроводниковой, а затем и к активному внедрению интегральных микросхем. Это были надежные, хотя и не всегда передовые по мировым меркам, аппараты, выпускавшиеся на многих заводах СССР.

Ключевой особенностью ЗУСЦТ, которая имеет решающее значение для нашей задачи, является их кассетно-модульная конструкция. Это означало, что телевизор состоял из нескольких функционально законченных блоков (модулей), которые легко заменялись. Такая архитектура была революционной для своего времени, поскольку значительно упрощала ремонт и, что особенно важно для нас, позволяла проводить модернизацию. Заменяя или добавляя некоторые модули, производители могли выпускать новые модели с улучшенными характеристиками, например, с двухсистемным модулем цветности (PAL/SECAM) или с цифровой индикацией выбора программ. Эта модульность открывает двери и для нашей идеи — интеграции внешнего стереоустройства.

В состав типового телевизора ЗУСЦТ входили следующие основные модули:

• Модуль радиоканала (МРК-2-5): Отвечал за прием и первичную обработку телевизионных сигналов, а также за сопряжение с селекторами каналов.
• Модуль цветности (МЦ-3): Осуществлял обработку сигналов цветности, электронные регулировки контрастности, яркости, насыщенности, а также функции режекции сигналов цветности при приеме черно-белого изображения, фиксации уровня черного и ограничения тока лучей (ОТЛ). Часто включал субмодуль СМЦ-2.
• Модуль кадровой развертки (МК-1-1): Формировал сигналы вертикальной развертки для управления электронно-лучевой трубкой.
• Модуль строчной развертки (МС-3): Отвечал за формирование сигналов горизонтальной развертки и включал субмодуль коррекции растра СКР-2.
• Модуль импульсного питания (МП-3-3): Содержал сетевой выпрямитель, генератор импульсов запуска, импульсный трансформатор, каскады управления и стабилизации, а также устройство защиты и источники постоянного напряжения для питания всех остальных модулей.
• Блоки управления (БУ-3, БУ-14): Различались в зависимости от модели и оснащения (например, наличие дистанционного управления). Блок БУ-3, в частности, включал плату основных регулировок и модуль усилителя звуковой частоты.

Эта детальная структура телевизора ЗУСЦТ 2 свидетельствует о его сложности, но одновременно и о потенциальных точках для вмешательства.

Схемотехника аудиотракта ЗУСЦТ 2

Аудиотракт телевизоров ЗУСЦТ 2, как и большинства аналоговых телевизоров того времени, был разработан для обработки монофонического звукового сигнала, выделяемого из общего телевизионного сигнала. Путь звука от антенны до динамика в этих аппаратах достаточно сложен и многоступенчат.

Основной звуковой сигнал, выделяемый из телевизионного сигнала, представляет собой разностную частоту в 6,5 МГц. Это промежуточная частота звука (ПЧЗ), которая формируется после смешения несущих частот изображения и звука. Далее этот сигнал поступает на каскады УПЧЗ (усилитель промежуточной частоты звука), где он усиливается и ограничивается. Ограничение необходимо для устранения амплитудных помех, поскольку звуковой сигнал здесь передается с частотной модуляцией.

После усиления и ограничения сигнал подается на частотный детектор, который преобразует частотно-модулированный сигнал в низкочастотный (НЧ) звуковой сигнал. Этот этап обычно происходит в субмодуле радиоканала СМРК-2 (А1.3). Далее предварительно усиленный НЧ-сигнал передается на модуль низкой частоты.

В некоторых моделях ЗУСЦТ, таких как «Электрон 51 ТЦ 433Д», за дальнейшее усиление низкочастотного сигнала отвечал отдельный модуль УНЧ-41. Этот модуль принимал сигнал звуковой частоты с модуля радиоканала и, как правило, использовал специализированные микросхемы (например, К174УН14) для окончательного усиления перед подачей на динамическую головку.

Таким образом, путь звукового сигнала можно представить следующей цепочкой:

6,5 МГц (ПЧЗ) → УПЧЗ (усиление, ограничение) → Частотный детектор → Предварительный УНЧ (в СМРК-2) → Модуль УНЧ-41 (окончательное усиление) → Динамическая головка

Эта схема демонстрирует, что для интеграции стереоустройства нам необходимо будет найти точку, где монофонический НЧ-сигнал уже выделен, но еще не усилен до мощности, достаточной для динамика. Это позволит нам либо преобразовать его в псевдостерео, либо ввести внешний стереосигнал до оконечного усилителя мощности.

Используемая элементная база аудиотракта

Понимание элементной базы, применявшейся в телевизорах ЗУСЦТ 2, критически важно для разработки нового устройства, поскольку оно должно органично вписываться в существующую архитектуру и использовать компоненты, доступные в тот исторический период.

В тракте промежуточной частоты и звука телевизоров ЗУСЦТ активно применялись интегральные микросхемы, что было прогрессивным решением для того времени. Двумя наиболее распространенными и значимыми микросхемами в этом контексте были К174УР5 и К174УР11.

1. Микросхема К174УР5:
   • Функционал: Это был комплексный усилитель промежуточной частоты канала изображения, но он также играл роль в формировании звукового сигнала. Он предназначался для работы как в черно-белых, так и в цветных телевизионных приемниках.
   • Состав: Микросхема К174УР5 включала в себя 281 интегральный элемент, объединяя усилитель промежуточной частоты (УПЧ), демодулятор, видеоусилитель, систему автоматической регулировки усиления (АРУ), систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) и подавители импульсных помех.
   • Характеристики: Номинальное напряжение питания составляло 12 В с допустимым отклонением ±10%.
   • Значимость: Хотя К174УР5 в основном ассоциируется с видеоканалом, ее роль в обработке ПЧ делала ее важной частью общего тракта, где выделялся звуковой сигнал.
2. Микросхема К174УР11:
   • Функционал: Эта микросхема была специализированным усилителем промежуточной частоты звука. Она интегрировала в себе не только каскады усиления и детектирования ПЧ звука, но и предварительный усилитель низкой частоты (УНЧ), а также электронные регулировки громкости и тембра (отдельно для низших и высших звуковых частот). Кроме того, она предусматривала коммутацию сигналов для видеомагнитофона.
   • Состав: К174УР11 содержала 465 интегральных элементов, что говорит о ее высокой степени интеграции для того времени.
   • Характеристики: Номинальное напряжение питания также составляло 12 В, но с более строгим допустимым отклонением ±5%.
   • Значимость: К174УР11 является прямым «виновником» формирования монофонического НЧ-сигнала, который мы стремимся преобразовать в стерео. Ее наличие означает, что в телевизоре уже есть предварительно усиленный НЧ-сигнал, который можно использовать как источник для нашего стереомодуля.

Знание этих микросхем, их характеристик и функций позволяет нам точно определить, где в аудиотракте ЗУСЦТ 2 находится наиболее удобная точка для «вклинивания» нашего стереоустройства. Использование сигналов после К174УР11 (или аналогичных узлов) до оконечного усилителя мощности представляется наиболее логичным и наименее инвазивным решением.

Точки подключения и варианты интеграции

Успешная интеграция устройства воспроизведения стереозвука в ЗУСЦТ 2 требует не только понимания его внутренней архитектуры, но и идентификации удобных и функционально обоснованных точек подключения. К счастью, инженеры, проектировавшие ЗУСЦТ, предусмотрели некоторые внешние интерфейсы, которые сегодня могут быть использованы для наших целей.

Одной из наиболее очевидных и наименее инвазивных точек для интеграции являются соединители для подключения видеомагнитофона, а также соединители для головных телефонов (наушников), которые часто располагались на передней панели телевизора.

• Разъемы для видеомагнитофона: В свое время эти разъемы предназначались для записи телевизионных программ или воспроизведения записанного видео. Они обычно содержали как видео-, так и аудиовходы/выходы. Аудиовыход с телевизора (обычно линейного уровня, монофонический) является идеальной точкой для забора монофонического сигнала для дальнейшего преобразования в псевдостерео. Соответственно, аудиовход видеомагнитофона (на телевизоре) может быть использован для подачи уже обработанного стереосигнала обратно в аудиотракт телевизора, минуя первичные цепи обработки ПЧ звука. Это позволяет использовать встроенный усилитель мощности телевизора для новых стереоканалов (при соответствующей доработке).
• Разъем для головных телефонов: Этот разъем также представляет собой потенциальную точку для получения монофонического сигнала. Сигнал на нем, как правило, уже усилен до определенного уровня и подходит для непосредственной обработки. Однако, его использование для обратной подачи стереосигнала может быть менее удобным, чем разъемы видеомагнитофона, из-за специфики его назначения (однонаправленный выход).

Кроме внешних разъемов, существуют и внутренние, более глубокие возможности для интеграции:

• Включение до модуля усилителя низкой частоты: Как мы уже выяснили, в ЗУСЦТ 2 существует модуль низкой частоты (например, УНЧ-41), который принимает предварительно усиленный НЧ-сигнал с модуля радиоканала и доводит его до мощности, необходимой для динамика. Идеальной точкой для интеграции было бы место перед этим модулем. Монофонический сигнал можно взять, например, с выхода микросхемы К174УР11 (или аналогичного узла), которая осуществляет предварительное усиление и частотное детектирование звука. Разработав псевдостереопреобразователь или разделив сигнал на два канала, мы можем подать их на два отдельных усилителя мощности, которые либо будут частью нового модуля, либо будут использовать уже существующий УНЧ телевизора.
• Использование или переделка модуля кадровой развертки МК-1-1 (МК-1-2): Это нетривиальный, но возможный вариант. Модуль кадровой развертки по своей сути является усилителем низкой частоты, так как ему необходимо формировать пилообразное напряжение для управления отклоняющими катушками с достаточно большой мощностью. Теоретически, с соответствующими доработками, его можно перепрофилировать для усиления одного из стереоканалов. Однако, такой подход будет гораздо более сложным и рискованным, поскольку потребуется серьезное вмешательство в критически важный для работы телевизора модуль. Он потребует тщательного анализа влияния на остальные функции телевизора и, скорее всего, не рекомендуется для курсовой работы из-за сложности и потенциальной дестабилизации аппарата.

Наиболее рациональным и безопасным способом интеграции будет использование линейного монофонического аудиовыхода телевизора (например, с разъема видеомагнитофона) для подачи сигнала на наше стереоустройство, а затем подача уже сформированного стереосигнала обратно в телевизор, подключая его к входу оконечного усилителя мощности. В случае создания двухканального усиления, можно также вывести эти сигналы на отдельные динамики или использовать внешнюю акустику, полностью минуя встроенный УНЧ телевизора.

Такой подход обеспечивает минимальное вмешательство в штатную схему телевизора, что является важным требованием при проектировании модернизаций, сохраняет его функциональность и упрощает обратимость изменений.

Схемотехническая разработка устройства воспроизведения стереозвука

Сердцем любого электронного устройства является его схемотехника. В этом разделе мы углубимся в принципы создания схем, способных преобразовывать монофонический звук в псевдостереофонический или усиливать внешний стереосигнал, опираясь на доступную элементную базу 1970-80-х годов.

Выбор принципиальной схемы

При разработке устройства для ЗУСЦТ 2 мы сталкиваемся с двумя основными задачами: либо создать иллюзию стереофонии из монофонического сигнала (псевдостерео), либо усилить полноценный внешний стереосигнал. Выбор принципиальной схемы зависит от поставленной цели и доступной элементной базы.

1. Схемы для псевдостереофонического преобразования (из моно в стерео):

Цель таких схем — создать различия между двумя каналами (левым и правым) на основе одного монофонического сигнала, чтобы мозг воспринимал их как объемные.

• Вариант 1: Схема с фазовращателями и задержкой.
  • Принцип: Монофонический сигнал разделяется на два. Один канал пропускается без изменений (или с минимальной обработкой), а во втором канале создается искусственная задержка и/или фазовый сдвиг. Задержка может быть реализована на \(RC\)-цепях (низкочастотный фазовращатель) или с помощью более сложных схем на транзисторах или операционных усилителях, способных имитировать эффект Хааса.
  • Преимущества: Относительная простота реализации, особенно при использовании простых \(RC\)-фильтров. Эффективно создает иллюзию расширения звуковой сцены.
  • Недостатки: Качество «стерео» может быть не очень высоким, так как это искусственный эффект. Требуется тщательная настройка задержки и фазы, чтобы избежать нежелательных артефактов. Для получения более глубокого эффекта могут потребоваться несколько фазовращателей на разные частотные диапазоны.
  • Реализация на элементной базе того времени: Возможно использование дискретных транзисторов и пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов), а также операционных усилителей (например, К140УД1А/Б/В, если они доступны в требуемых количествах и качестве, или их более поздние аналоги).
• Вариант 2: Схема с частотным разделением и панорамированием.
  • Принцип: Монофонический сигнал разделяется на несколько частотных полос (например, низкие, средние, высокие). Каждая полоса затем направляется в левый или правый канал с разной интенсивностью (панорамированием), или же к одному каналу добавляются только высокие частоты, а к другому — низкие, с сохранением средних частот в обоих.
  • Преимущества: Может создавать более выраженный эффект «разнесения» инструментов, если схема грамотно настроена.
  • Недостатки: Сложность реализации фильтров для разделения частот. Требует большего количества компонентов.

2. Схемы для усиления внешнего стереосигнала:

Если предполагается подключение внешнего источника стереозвука (например, магнитофона), то задача сводится к созданию двух независимых каналов усиления.

• Вариант 3: Двухканальный усилитель низкой частоты (УНЧ).
  • Принцип: Разработка двух идентичных каналов усиления, каждый из которых состоит из предварительного усилителя и оконечного усилителя мощности. Сигнал подается на каждый канал по отдельности.
  • Преимущества: Высокое качество звука (если источник стереофонический). Простота схемотехнического подхода, поскольку не требуется искусственно создавать стереоэффект.
  • Недостатки: Требует двух полноценных УНЧ, что увеличивает количество компонентов, потребляемую мощность и габариты. Не решает проблему монофонического вещания ТВ.
  • Реализация на элементной базе того времени: Использование транзисторных каскадов или доступных гибридных микросхем УНЧ.

Оптимальный выбор для курсовой работы:

С учетом контекста (модернизация аналогового ТВ с монозвуком) и образовательного характера работы, наиболее интересным и демонстрирующим инженерные навыки будет комбинированный подход:

1. Основная схема псевдостереопреобразования (Вариант 1) с фазовращателями на дискретных элементах или операционных усилителях. Это позволит студенту глубоко изучить психоакустические принципы и применить их на практике.
2. Два канала усиления низкой частоты после псевдостереопреобразователя, которые могут использовать штатный УНЧ телевизора (при соответствующей доработке) или быть реализованы как отдельные усилительные каскады на транзисторах, подающие сигнал на внешние динамики.

Это позволит решить основную задачу — дать телевизору ЗУСЦТ 2 объемный звук, а также продемонстрировать глубокое понимание аналоговой схемотехники.

Элементная база для реализации схемы

Выбор элементной базы для устройства, интегрируемого в телевизор ЗУСЦТ 2, является критическим аспектом, поскольку он напрямую связан с историческим контекстом и доступностью компонентов в 1970-1980-х годах. Элементы должны быть аутентичными для того периода, чтобы проект имел историческую и техническую достоверность.

В основном, для аналоговых схем того времени использовались:

1. Биполярные транзисторы: Основа многих усилительных и коммутационных каскадов. Для маломощных каскадов (предварительные усилители, фазовращатели) подойдут транзисторы серий КТ315, КТ361, КТ3102, КТ3107. Для более мощных каскадов (например, выходные каскады усилителя мощности) — КТ815, КТ817, КТ805, КТ814, КТ816.
2. Полевые транзисторы: Могли применяться в входных каскадах для обеспечения высокого входного сопротивления и низкого уровня шумов (например, КП303, КП302), хотя их использование было менее распространено в массовой аппаратуре, чем биполярных.
3. Диоды: Кремниевые выпрямительные диоды (серии КД105, КД208, КД209) и стабилитроны (серии Д814, КС1xx) для цепей питания и стабилизации режимов.
4. Резисторы: Углеродные (МЛТ, ВС), металлопленочные (ОМЛТ, С2-29) и проволочные (ПЭВ) для различных мощностей и точностей. Важен учет их номиналов и допусков.
5. Конденсаторы:
   • Электролитические: Алюминиевые (К50-6, К50-16) для фильтрации питания и развязывающих цепей. Важен учет их емкости и рабочего напряжения.
   • Неполярные: Керамические (КМ, К10), пленочные (К73) для частотозадающих цепей, фильтров и разделительных конденсаторов.
6. Интегральные микросхемы:
   • Операционные усилители (ОУ): Если позволяют финансовые и временные рамки, можно рассмотреть ОУ серии К140УД (например, К140УД1А/Б/В, К140УД6, К140УД7). Они были широко распространены и позволяли строить активные фильтры, сумматоры, буферные каскады и фазовращатели с большей стабильностью и меньшим количеством дискретных элементов, чем на транзисторах.
   • Гибридные микросхемы УНЧ: В конце 1970-х – начале 1980-х годов появились советские гибридные микросхемы УНЧ, такие как К224УН17 и К224УН18.
     • К224УН17: Усилитель мощности низкой частоты с номинальной выходной мощностью 20 Вт при нагрузке 4 Ом. Требовал двухполярного питания (±24 В). Работал в диапазоне 50 Гц – 20 кГц с коэффициентом нелинейных искажений не более 1.5%. Использование К224УН17 позволило бы создать мощные оконечные каскады для стерео, но требовало бы внешнего источника двухполярного питания или преобразователя.
     • К224УН18: Использовалась в качестве усилителя кадровой развертки, но также является усилителем низкой частоты. Имела входное сопротивление не менее 5 кОм. Могла быть перепрофилирована для аудио, но ее характеристики для \(Hi-Fi\) звука были бы менее оптимальны, чем у К224УН17.

Особенности советской элементной базы:
Важно учитывать, что элементная база советской радиоэлектроники 1970-1980-х годов, хоть и была обширной, имела свои нюансы. Детали для бытовой аппаратуры часто могли быть после отбраковки, изначально предназначенные для военной промышленности, что требовало тщательной проверки каждого компонента перед использованием. Это касалось точности номиналов, стабильности параметров и общего качества. Поэтому при проектировании необходимо закладывать допуски и использовать методы, минимизирующие влияние разброса параметров.

При проектировании следует отдать предпочтение компонентам, которые были серийно доступны и широко использовались в бытовой аппаратуре того времени, чтобы обеспечить реалистичность и воспроизводимость проекта в рамках курсовой работы. Если используются гибридные УНЧ, необходимо также тщательно продумать их питание и отвод тепла.

Расчет усилительных каскадов

Расчет усилительных каскадов является фундаментальной частью схемотехнической разработки. Для устройства воспроизведения стереозвука, особенно при использовании псевдостерео или двухканального усиления, потребуется как минимум несколько усилительных каскадов. Мы сосредоточимся на классической схеме с общим эмиттером на биполярных транзисторах, как наиболее распространенной и хорошо изученной.

Методика расчета усилительного каскада на биполярном транзисторе (схема с общим эмиттером) включает следующие шаги:

1. Выбор транзистора: Определяется исходя из требуемых параметров (коэффициент усиления по току h_21Э или h_FE, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_КЭmax, максимальный ток коллектора I_Кmax, максимальная рассеиваемая мощность P_Кmax, граничная частота f_гр). Для аудиоусилителей важен низкий уровень шума и достаточная граничная частота.
2. Определение статического режима (постоянных токов и напряжений): Это критический этап, обеспечивающий правильную работу транзистора в активном режиме без искажений.
   • Выбор напряжения питания E_ПИТ: Например, 12 В (стандарт для ЗУСЦТ).
   • Выбор рабочей точки: Обычно выбирается в середине линейного участка выходной характеристики для обеспечения максимальной симметрии при усилении переменного сигнала. Определяются статические значения тока коллектора I_К0 и напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ0. Часто U_КЭ0 выбирают около E_ПИТ / 2.
   • Расчет резисторов базовой цепи R_Б1, R_Б2: Эти резисторы задают базовый ток и, соответственно, ток коллектора, а также обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки. Напряжение на базе U_Б0 = U_КЭ0 + U_БЭ, где U_БЭ ≈ 0,6-0,7 В для кремниевых транзисторов.
     • Для стабильности рабочей точки часто используют делитель напряжения в базовой цепи и резистор в эмиттере R_Э.
     • Ток, протекающий через делитель R_Б1 и R_Б2, должен быть значительно больше базового тока I_Б0 (обычно в 5-10 раз), чтобы рабочая точка мало зависела от h_FE транзистора.
     • I_Б0 = I_К0 / h_FE.
     • U_Э0 = I_Э0 ⋅ R_Э ≈ I_К0 ⋅ R_Э.
     • U_Б0 = U_Э0 + U_БЭ0.
     • R_Б2 = U_Б0 / I_{ДЕЛИТЕЛЯ}.
     • R_Б1 = (E_ПИТ − U_Б0) / (I_{ДЕЛИТЕЛЯ} + I_Б0).
   • Расчет коллекторного резистора R_К: Определяет падение напряжения на коллекторе.
     • R_К = (E_ПИТ − U_КЭ0 − U_Э0) / I_К0.
3. Построение линий нагрузки:
   • Линия нагрузки по постоянному току: Прямая, проходящая через точки (I_К0 = 0, U_КЭ0 = E_ПИТ) и (I_К0 = E_ПИТ / (R_К + R_Э), U_КЭ0 = 0). Рабочая точка (I_К0, U_КЭ0) должна лежать на этой линии.
   • Линия нагрузки по переменному току: Учитывает шунтирующее действие конденсаторов и входных/выходных сопротивлений следующих каскадов. Она, как правило, круче, чем линия по постоянному току.
4. Определение коэффициентов усиления и входного/выходного сопротивления:
   • Коэффициент усиления по напряжению (K_U): Для схемы с общим эмиттером K_U ≈ −R_К / R_Э (при шунтированном конденсатором резисторе R_Э для переменного тока, K_U ≈ −R_К / r_Э, где r_Э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода).
   • Коэффициент усиления по току (K_I): K_I ≈ h_FE.
   • Коэффициент усиления по мощности (K_P): K_P = K_U ⋅ K_I.
   • Входное сопротивление (R_ВХ): R_ВХ ≈ R_Б1 || R_Б2 || (h_FE ⋅ R_Э).
   • Выходное сопротивление (R_ВЫХ): R_ВЫХ ≈ R_К.
5. Выбор разделительных и шунтирующих конденсаторов (C_ВХ, C_ВЫХ, C_Э):
   • C_ВХ, C_ВЫХ: Определяются исходя из требуемой нижней граничной частоты (f_Н) усилителя, чтобы обеспечить прохождение низких частот.
     • X_{C_ВХ} (на f_Н) << R_ВХ следующего каскада.
     • X_{C_ВЫХ} (на f_Н) << R_ВХ следующего каскада.
   • C_Э: Шунтирует резистор R_Э для переменного тока, увеличивая усиление. Его емкость выбирается таким образом, чтобы его реактивное сопротивление на f_Н было значительно меньше R_Э.

Пример расчета (гипотетический):

Пусть имеется задача спрое��тировать один каскад предварительного усилителя для устройства псевдостерео.

• Транзистор: КТ315Б (h_FE = 50-150, возьмем 100).
• Напряжение питания: E_ПИТ = 12 В.
• Рабочая точка: U_КЭ0 = 6 В, I_К0 = 1 мА.
• Резистор R_Э: Пусть R_Э = 1 кОм для стабилизации.
• U_Э0 = I_К0 ⋅ R_Э = 1 мА ⋅ 1 кОм = 1 В.
• U_БЭ0 ≈ 0.6 В.
• U_Б0 = U_Э0 + U_БЭ0 = 1 В + 0.6 В = 1.6 В.
• I_Б0 = I_К0 / h_FE = 1 мА / 100 = 0.01 мА.
• Ток через делитель в базе I_{ДЕЛИТЕЛЯ} = 10 ⋅ I_Б0 = 0.1 мА.
• R_Б2 = U_Б0 / I_{ДЕЛИТЕЛЯ} = 1.6 В / 0.1 мА = 16 кОм.
• R_Б1 = (E_ПИТ − U_Б0) / (I_{ДЕЛИТЕЛЯ} + I_Б0) = (12 В − 1.6 В) / (0.1 мА + 0.01 мА) = 10.4 В / 0.11 мА ≈ 94.5 кОм (выбираем ближайший стандартный номинал, например 91 кОм).
• R_К = (E_ПИТ − U_КЭ0 − U_Э0) / I_К0 = (12 В − 6 В − 1 В) / 1 мА = 5 В / 1 мА = 5 кОм.

Такой детальный расчет позволяет не только определить номиналы компонентов, но и понять влияние каждого элемента на работу каскада, что критически важно для обеспечения стабильности и качества звука.

Расчет пассивных разделительных фильтров (при необходимости)

В некоторых случаях, особенно при реализации псевдостереофонии с частотным разделением или при необходимости разведения сигнала на разные динамики (например, НЧ/ВЧ), может потребоваться использование пассивных разделительных фильтров, или кроссоверов. Эти фильтры разделяют входящий звуковой сигнал на несколько частотных диапазонов, направляя каждый из них в свой канал или на соответствующий динамик.

Наиболее распространены пассивные \(LC\)-фильтры, состоящие из индуктивностей (\(L\)) и емкостей (\(C\)). Они могут быть разных порядков, от первого до шестого, причем порядок определяет крутизну спада АЧХ после частоты раздела.

Методология расчета \(LC\)-фильтров:

1. Определение частоты раздела (f_с): Это ключевой параметр, определяющий, на какой частоте произойдет разделение спектра. Выбор f_с зависит от психоакустических целей или характеристик динамиков.
2. Выбор порядка фильтра:
   • Первый порядок (6 дБ/октаву): Простейшие фильтры, состоящие из одного элемента (конденсатора для ВЧ, индуктивности для НЧ). Имеют пологий спад, могут давать фазовые искажения.
   • Второй порядок (12 дБ/октаву): Более крутой спад, состоят из двух элементов. Компромисс между сложностью и эффективностью.
   • Третий порядок (18 дБ/октаву) и выше: Ещё более крутой спад, но возрастает сложность и потенциальные фазовые искажения.
3. Определение сопротивления нагрузки (R): Для акустических систем это обычно импеданс громкоговорителя (например, 4 или 8 Ом). Для схемной интеграции — входное сопротивление следующего каскада.
4. Расчет номиналов индуктивностей (L) и емкостей (C):

Для фильтра первого порядка (6 дБ/октаву):

• НЧ-фильтр (Low-Pass Filter):
  L = R / (2πfс)
• ВЧ-фильтр (High-Pass Filter):
  C = 1 / (2πfсR)

Для фильтра второго порядка (12 дБ/октаву):

• НЧ-фильтр (Low-Pass Filter):
  L = (R / √2) / (2πfс)
C = 1 / (√2 * 2πfсR)
• ВЧ-фильтр (High-Pass Filter):
  L = (R * √2) / (2πfс)
C = 1 / ( (1/√2) * 2πfсR)

Примечание: Формулы могут немного отличаться в зависимости от типа фильтра (Баттерворта, Чебышева и т.д.) и его добротности. Приведенные формулы — для фильтра Баттерворта, обеспечивающего максимально плоскую АЧХ в полосе пропускания.

Пример расчета (гипотетический):

Допустим, необходимо разделить сигнал для двух каналов псевдостерео: один канал будет акцентировать низкие частоты, другой — высокие. Пусть частота раздела f_с = 1 кГц, а сопротивление нагрузки R = 8 Ом.

1. Расчет НЧ-фильтра первого порядка:
   L = 8 Ом / (2π ⋅ 1000 Гц) ≈ 0.00127 Гн = 1.27 мГн.
2. Расчет ВЧ-фильтра первого порядка:
   C = 1 / (2π ⋅ 1000 Гц ⋅ 8 Ом) ≈ 0.0000198 Ф = 19.8 мкФ.

Важные аспекты:

• Точность компонентов: Для качественного звука требуются индуктивности с низкой индуктивностью рассеяния и низким активным сопротивлением, а также конденсаторы с малыми потерями. В условиях 1970-80-х годов это могло быть проблемой, требующей тщательного подбора.
• Пассивные потери: Пассивные фильтры вносят потери в сигнал, что может снизить общую громкость.
• Фазовые искажения: \(LC\)-фильтры вносят фазовые сдвиги, которые могут влиять на стереообраз, особенно если фильтры в разных каналах не согласованы.

Для курсовой работы акцент должен быть сделан на демонстрации понимания принципов расчета, а не на идеальной реализации, которая требует высокоточных компонентов. Если псевдостерео реализуется с помощью задержек и фазовых сдвигов, то пассивные разделительные фильтры могут и не потребоваться, что упростит схему.

Конструкторские решения и проектирование печатной платы

Разработка любого электронного устройства не ограничивается лишь схемотехникой. Крайне важно продумать его физическую реализацию — от компоновки элементов до методов защиты от помех и обеспечения теплового режима. В этом разделе мы рассмотрим конструкторские решения и принципы проектирования печатной платы, необходимые для надежной и качественной работы нашего стереомодуля в условиях телевизора ЗУСЦТ 2.

Общие требования к конструированию РЭА

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), особенно для интеграции в существующую систему, необходимо учитывать ряд фундаментальных требований, которые обеспечивают ее долговечность, безопасность и функциональность. Для устройства, интегрируемого в телевизор ЗУСЦТ 2, эти требования становятся особенно актуальными, учитывая возраст и особенности аппаратуры.

1. Ремонтопригодность: Устройство должно быть спроектировано таким образом, чтобы при необходимости его можно было легко диагностировать, разбирать и ремонтировать. Это означает модульность конструкции, доступность компонентов для замены, четкую маркировку элементов и контрольных точек. В случае с ЗУСЦТ, его кассетно-модульная архитектура уже задает хороший пример ремонтопригодности.
2. Вибропрочность и ударостойкость: Хотя телевизор ЗУСЦТ 2 является стационарным устройством, внутренние компоненты могут подвергаться вибрациям (например, от работы трансформаторов, динамиков) или случайным ударам при транспортировке или обслуживании. Все элементы должны быть надежно закреплены, а печатная плата — обладать достаточной жесткостью.
3. Тепловой режим: Это один из наиболее критических факторов надежности любой электроники, особенно в условиях закрытого корпуса телевизора, где естественная вентиляция может быть ограничена. Повышение температуры на каждые 10°C относительно нормальной рабочей температуры (20-25°C) может сократить срок службы радиоэлектронной аппаратуры приблизительно в 2 раза. Интенсивность отказов электронных компонентов значительно возрастает с повышением температуры: у электронно-выпрямительных приборов в 1.5–2 раза, у резисторов в 2–3 раза, у полупроводников в 3–4 раза, у конденсаторов в 6–8 раз, у микросхем в 6–10 раз.
   • Необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от всех греющихся элементов (транзисторов выходных каскадов, микросхем).
   • Размещение компонентов должно исключать создание «горячих точек» и препятствование естественной конвекции воздуха.
   • Следует избегать установки тепловыделяющих элементов в непосредственной близости от чувствительных к нагреву компонентов (электролитические конденсаторы, прецизионные резисторы).
4. Электромагнитная совместимость (ЭМС): Устройство не должно создавать недопустимых электромагнитных помех, которые могут влиять на работу самого телевизора или другой близлежащей аппаратуры. Также оно должно быть устойчиво к внешним помехам. Это достигается правильным проектированием печатной платы, экранированием, фильтрацией питания и сигнальных линий.
5. Электрическая безопасность: Поскольку устройство будет работать внутри телевизора, подключенного к сети 220 В, необходимо строго соблюдать правила электробезопасности:
   • Надежная изоляция всех токоведущих частей.
   • Исключение случайного прикосновения к опасным напряжениям.
   • Защита от коротких замыканий и перегрузок (предохранители).
6. Эстетика и габариты: Модуль должен быть компактным и иметь аккуратный внешний вид, если он будет виден пользователю. В случае внутренней установки, его размеры должны соответствовать свободному пространству внутри корпуса телевизора.

Учет этих требований на ранних этапах проектирования позволяет избежать многих проблем на этапе сборки, отладки и эксплуатации, а также существенно повышает надежность и качество разработанного устройства.

Проектирование печатной платы для аналоговых сигналов

Печатная плата (ПП) — это не просто носитель для компонентов, а ключевой элемент, определяющий качество и стабильность работы аналогового устройства. Для аудиоприложений, особенно тех, что интегрируются в среду, богатую помехами (как старый телевизор), ее проектирование требует особого внимания.

Принципы трассировки для обеспечения целостности сигнала и минимизации помех:

1. Разделение аналоговых и цифровых цепей: Если в схеме присутствуют как аналоговые, так и цифровые сигналы (даже если цифровые используются только для управления, например), их трассы и земляные полигоны должны быть максимально разнесены и соединяться только в одной точке, обычно у источника питания. Это предотвращает взаимное влияние быстрых цифровых переключений на чувствительные аналоговые сигналы.
2. Земляные полигоны и их топология:
   • «Звезда» или «шина»: Рекомендуется использовать топологию «звезды» для земли, где все земляные соединения сводятся в одну общую точку. Это минимизирует токи по земляным шинам и предотвращает появление «земляных петель», которые могут служить антеннами для помех. Для более сложных плат допустима шинная топология, но с четким разделением земляных контуров для различных частей схемы (вход, предварительное усиление, оконечный усилитель).
   • Опорные плоскости (Ground Planes): Использование сплошного земляного полигона (ground plane) на одном из слоев (для двусторонних плат) или части платы значительно улучшает ЭМС, предоставляя короткие обратные пути для высокочастотных токов и выступая в роли экрана.
   • Разделение земляных полигонов: Для аналоговой и силовой частей схемы можно использовать раздельные, изолированные земляные полигоны, которые соединяются только в одной точке, минимизируя взаимное влияние.
3. Трассировка сигнальных цепей:
   • Короткие и прямые пути: Сигнальные трассы должны быть максимально короткими и прямыми, чтобы минимизировать индуктивность и емкость проводников, которые могут искажать сигнал и улавливать помехи.
   • Избегание острых углов: Трассировка под углом 90° создает потенциальные отражения и повышает импеданс. Рекомендуется использовать углы 45°.
   • Минимизация параллельной трассировки (перекрестные помехи): Параллельные сигнальные трассы, расположенные близко друг к другу, могут вызывать перекрестные помехи (crosstalk). Для уменьшения этого эффекта применяются правила:
     • «Правило 3W»: Расстояние между центральными линиями двух трасс должно быть как минимум в 3 раза больше ширины трассы (W). Такое расстояние уменьшает электрическое поле помех примерно на 70%.
     • «Правило 10W»: Использование расстояния в 10W может предотвратить до 98% помех электрического поля.
     • Экранирование: Для критически важных аналоговых сигналов можно окружить трассу заземленными линиями, создавая эффект микрополосковой линии.
   • Обеспечение коротких обратных путей сигнала: Каждый сигнал имеет свой обратный ток, который должен возвращаться к источнику. Необходимо обеспечить для этих токов кратчайшие пути, предпочтительно под сигнальной трассой по земляному полигону. Это особенно важно для высокочастотных и быстро меняющихся аналоговых сигналов.
   • Избегание переходных отверстий (vias) в дифференциальных трассах: Если используются дифференциальные пары, минимизация переходных отверстий помогает сохранить целостность сигнала.
4. Фильтрация питания: Для каждого активного компонента (ОУ, транзисторы) необходимо устанавливать блокировочные конденсаторы (шунтирующие конденсаторы по питанию) как можно ближе к выводам питания микросхемы. Это обеспечивает стабильное питание и предотвращает распространение помех по цепям питания.
5. Компоновка элементов:
   • Размещение аналоговой части: Аналоговая часть схемы (входные цепи, предусилители) должна располагаться как можно ближе к входным/выходным соединителям платы.
   • Силовые цепи: Силовые цепи (выходные каскады усилителей мощности, цепи питания) должны быть отделены от малосигнальных аналоговых цепей.
   • Разделение зон: Использование «зон» на плате для разных функциональных узлов (вход, обработка, выход, питание).

При проектировании для ЗУСЦТ 2, скорее всего, будет использоваться односторонняя или двусторонняя печатная плата. В этом случае особенно важно соблюдать правила трассировки земли и минимизации помех, поскольку возможности для многослойной разводки будут отсутствовать.

Компоновка элементов и экранирование

Грамотная компоновка элементов на печатной плате и эффективное экранирование являются неотъемлемой частью конструирования РЭА, особенно в аналоговых аудиоустройствах. Эти меры напрямую влияют на качество звука, минимизацию помех и стабильность работы.

Компоновка элементов:

1. Функциональное зонирование: Разделите плату на функциональные зоны: входные цепи, предварительные усилители, цепи обработки сигнала (например, фазовращатели), оконечные усилители мощности и цепи питания. Каждая зона должна быть максимально компактной и иметь свой «мини-земляной» полигон или отдельную ветвь земляной шины, которая затем соединяется с общей землей в одной точке (звезда).
2. Размещение аналоговой части: Чувствительные аналоговые входные цепи и предварительные усилители должны быть расположены максимально близко к входным/выходным соединителям платы. Это минимизирует длину сигнальных трасс, снижая их чувствительность к внешним помехам и собственным наводкам.
3. Силовая часть: Мощные выходные каскады усилителей и цепи питания должны быть размещены в отдельной зоне. Токи в этих цепях значительно больше, и их электромагнитное поле может влиять на малосигнальные цепи. Важно, чтобы силовые земляные цепи были отделены от сигнальных и соединялись с общей землей в одной точке.
4. Конденсаторы фильтрации питания: Блокировочные конденсаторы (шунтирующие конденсаторы по питанию) для каждой микросхемы или каскада должны быть расположены как можно ближе к соответствующим выводам питания компонента. Это обеспечивает быструю подачу тока при резких изменениях потребления и эффективно подавляет высокочастотные помехи.
5. Тепловыделяющие элементы: Транзисторы оконечных каскадов, микросхемы усилителей мощности и другие сильно греющиеся элементы должны быть размещены с учетом максимального теплоотвода. Они должны располагаться либо у края платы, либо в местах, где возможна установка радиаторов без перекрытия других компонентов и без создания «горячих карманов» в корпусе.

Экранирование:

Экранирование необходимо для защиты чувствительных аналоговых цепей от электромагнитных помех (ЭМП), которые могут исходить как от самого телевизора (например, от цепей развертки, блока питания), так и от внешних источников.

1. Экранирование трасс: Для критически важных сигнальных трасс, таких как входные или высокочастотные аналоговые линии, рекомендуется использовать трассировку с окружающими их заземленными линиями или полигонами. Это создает эффект экранированного кабеля прямо на печатной плате, значительно уменьшая электромагнитные наводки и перекрестные помехи.
2. Экранирующие полигоны/слои: Использование сплошного земляного полигона на одном из слоев печатной платы (для двусторонних или многослойных плат) служит эффективным электростатическим и электромагнитным экраном. Для односторонних плат можно использовать максимально обширный земляной полигон.
3. Экранирование корпуса: Если уровень помех высок, или если требуется максимальное качество, может потребоваться дополнительное экранирование всего модуля. Это может быть реализовано с помощью металлического корпуса (например, из листового алюминия или стали), который заземлен на общую землю схемы. Важно обеспечить хороший электрический контакт между экранирующими поверхностями и общей землей.
4. Ферритовые кольца: На проводах питания или сигнальных кабелях, идущих к модулю, можно установить ферритовые кольца (ферритовые защелки). Они эффективно подавляют высокочастотные помехи, превращая их энергию в тепло.
5. Фильтрация входов/выходов: Использование фильтров низких частот (\(RC\)— или \(LC\)-фильтров) на входных и выходных цепях питания и сигнала может помочь подавить помехи, проникающие по проводам.

При работе с аналоговыми сигналами в условиях телевизора ЗУСЦТ 2, где присутствует мощный импульсный источник питания и высокочастотные цепи развертки, меры по экранированию и тщательной компоновке становятся особенно актуальными для достижения приемлемого качества звука.

Тепловой расчет и методы охлаждения

Обеспечение адекватного теплового режима является критически важным аспектом при конструировании любой радиоэлектронной аппаратуры, а для устройства, интегрируемого в ограниченное пространство телевизора ЗУСЦТ 2, это приобретает особое значение. Неконтролируемый нагрев приводит к ускоренному старению компонентов и снижению надежности всей системы.

Влияние температуры на надежность:
Как было отмечено ранее, повышение температуры всего на 10°C выше нормы может сократить срок службы РЭА вдвое. Для разных типов компонентов интенсивность отказов возрастает по-разному, но общая тенденция — чем выше температура, тем меньше срок службы. Это особенно актуально для полупроводниковых приборов (транзисторов, микросхем), которые являются наиболее чувствительными к перегреву.

Методология теплового расчета:

1. Определение источников тепла: В первую очередь это активные компоненты, рассеивающие мощность: транзисторы выходных каскадов усилителя, микросхемы УНЧ (например, К224УН17), мощные резисторы, стабилизаторы напряжения.
2. Расчет рассеиваемой мощности (P_РАСС): Для каждого компонента P_РАСС определяется как произведение тока, протекающего через него, на падение напряжения на нем. Для усилительных каскадов это обычно сумма статической и динамической (отдаваемой в нагрузку) мощности, вычитая полезную мощность, отдаваемую в нагрузку.
3. Определение температурного сопротивления «кристалл-среда» (R_ТС-А): Это параметр, который показывает, на сколько градусов Цельсия температура кристалла компонента (T_К) повысится относительно температуры окружающей среды (T_А) при рассеивании 1 Вт мощности. RТС-А = (TК - TА) / PРАСС. Производители компонентов обычно указывают температурное сопротивление «кристалл-корпус» (R_ТС-К) и «корпус-среда» (R_ТК-А, для свободного воздуха или с учетом радиатора).
4. Расчет температуры кристалла (T_К): TК = TА + PРАСС ⋅ RТС-А. Максимально допустимая температура кристалла для большинства кремниевых полупроводников составляет от 125°C до 150°C. Необходимо обеспечить запас до этой температуры.
5. Расчет тепловых моделей конструкций: Для более сложных случаев могут использоваться методы теплофизического моделирования, но для курсовой работы достаточно упрощенных расчетов.

Методы охлаждения (актуальные для того времени):

1. Естественная конвекция: Самый простой и распространенный метод. Обеспечивается за счет свободной циркуляции воздуха. Для его эффективности необходимо:
   • Правильная компоновка элементов: Размещать компоненты таким образом, чтобы не препятствовать движению воздуха. Тепловыделяющие элементы располагать в верхней части платы, чтобы горячий воздух мог свободно подниматься.
   • Вентиляционные отверстия: Обеспечить отверстия в корпусе телевизора для притока холодного воздуха снизу и оттока горячего сверху.
2. Радиаторы: Для мощных транзисторов и микросхем УНЧ обязательно использование радиаторов.
   • Типы: Штампованные или экструдированные алюминиевые радиаторы, которые увеличивают площадь поверхности для теплоотдачи.
   • Расчет радиатора: Выбирается радиатор с таким температурным сопротивлением (R_ТК-А), чтобы общая температура кристалла не превышала допустимых значений. RТК-А = RТС-А - RТС-К.
   • Монтаж: Радиаторы должны быть надежно закреплены на компонентах с использованием теплопроводящей пасты для улучшения контакта и снижения теплового сопротивления.
3. Металлический корпус: Если модуль размещается в отдельном металлическом корпусе, этот корпус сам по себе может служить радиатором, отводя тепло от внутренних компонентов.
4. Экранирование и изоляция: В некоторых случаях, для защиты других компонентов от тепла, излучаемого мощными элементами, можно использовать тепловые экраны или изоляционные прокладки.

При проектировании необходимо провести оценку тепловых режимов для наиболее нагруженных компонентов, исходя из их максимальной рассеиваемой мощности и максимально допустимой температуры окружающей среды внутри телевизора. Это позволит обосновать выбор радиаторов и компоновку элементов на плате.

Оценка эффективности и заключение

Финальным аккордом любой инженерной разработки является не только ее создание, но и объективная оценка эффективности. В этом разделе мы рассмотрим, как можно измерить и проанализировать качество разработанного стереоустройства, а также кратко обратимся к историческому контексту, чтобы понять место нашего проекта в эволюции аудиотехники.

Методы измерения и оценки параметров

Для того чтобы убедиться в успешности разработанного устройства и подтвердить его соответствие поставленным целям, необходимо провести ряд измерений и оценок его ключевых параметров. Эти измерения позволят количественно определить качество звука, обеспечиваемое новым модулем, и сравнить его с ожидаемыми результатами.

Основные параметры для измерения и оценки:

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ):
   • Метод: Подача на вход устройства синусоидального сигнала постоянной амплитуды, но изменяющейся частоты (например, от 20 Гц до 20 кГц). Измерение амплитуды выходного сигнала на различных частотах.
   • Оборудование: Генератор НЧ, осциллограф, вольтметр переменного тока (или специализированный анализатор спектра).
   • Оценка: АЧХ должна быть максимально линейной в заявленном частотном диапазоне (например, 20 Гц – 20 кГц ±3 дБ). Для псевдостереосистемы можно измерить АЧХ каждого канала по отдельности и АЧХ всей системы. Нелинейность может указывать на неправильно рассчитанные фильтры, разделительные конденсаторы или некорректный режим работы усилительных каскадов.
2. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) / Total Harmonic Distortion (THD):
   • Метод: Подача на вход устройства чистого синусоидального сигнала (например, 1 кГц). Измерение на выходе уровня основной гармоники и всех сопутствующих гармонических искажений.
   • Оборудование: Генератор НЧ, анализатор нелинейных искажений (или специализированный звуковой анализатор).
   • Оценка: КНИ характеризует, насколько сильно устройство искажает форму сигнала. Чем меньше КНИ, тем чище звук. Для аналоговой аппаратуры того времени приемлемым считался КНИ в пределах 0.5-1.5% для УНЧ среднего класса. Для предварительных каскадов желательно значительно ниже. Высокий КНИ указывает на неправильную рабочую точку транзисторов, перегрузку каскадов или ошибки в схемотехнике.
3. Отношение сигнал/шум (SNR):
   • Метод: Измерение уровня выходного сигнала при подаче полезного сигнала на вход. Затем, без входного сигнала, измерение уровня собственных шумов устройства на выходе.
   • Оборудование: Генератор НЧ, вольтметр переменного тока (с фильтром шумов) или анализатор спектра.
   • Оценка: Чем выше SNR (измеряется в децибелах, дБ), тем меньше слышны собственные шумы устройства (шипение, гул) на фоне полезного сигнала. Для качественной аудиоаппаратуры SNR должен быть ≥60 дБ. Низкое SNR может быть вызвано неправильной разводкой земли, плохой фильтрацией питания или шумящими компонентами.

Оценка эффективности после интеграции в телевизор ЗУСЦТ 2:

После проведения лабораторных измерений самого модуля, его необходимо интегрировать в телевизор ЗУСЦТ 2 и оценить его работу в реальных условиях.

1. Субъективная оценка качества звука:
   • Прослушивание различных источников (ТВ-вещание, внешний источник, если предусмотрен) с использованием разработанного модуля.
   • Оценка «объемности» звучания, чистоты, наличия или отсутствия посторонних шумов, фона, искажений.
   • Сравнение с оригинальным монофоническим звуком телевизора.
2. Электромагнитная совместимость:
   • Проверка отсутствия наводок на изображение телевизора от работы стереомодуля (появление «снега», полос, искажений цвета).
   • Проверка отсутствия фоновых шумов или помех в звуковом тракте, которые могли быть вызваны цепями телевизора или самим модулем.
3. Тепловой режим:
   • Мониторинг температуры греющихся элементов модуля (транзисторы, микросхемы) после длительной работы телевизора. Использование термопары или инфракрасного термометра.
   • Проверка отсутствия значительного нагрева других компонентов телевизора.

Комплексная оценка, включающая как объективные измерения, так и субъективное прослушивание, позволит сделать полноценные выводы о качестве и эффективности разработанного устройства.

Исторический контекст и аналогичные решения

Чтобы полноценно осознать значимость и актуальность проекта по интеграции стереозвука в ЗУСЦТ 2, важно поместить его в исторический контекст развития отечественной аудиотехники и телевидения.

В то время как в 1970-е годы большинство телевизоров в СССР были монофоническими, сама идея стереофонического вещания не была новой. Первые экспериментальные телепередачи со стереозвуком в СССР велись уже в 1974 году. Однако, несмотря на эти ранние попытки, широкого внедрения стереовещания не последовало. Это означает, что массовый потребитель оставался с монофоническим звуком, что создавало благодатную почву для различных любительских и полупрофессиональных разработок по улучшению звука.

Гораздо более развитой была сфера радиовещания и звукозаписи. В СССР с 1963 года уже функционировала система стереофонического вещания с полярной модуляцией, разработанная Л.М. Кононовичем, что демонстрирует наличие инженерной экспертизы и технологий в области стерео. Более того, советская промышленность выпускала популярные катушечные и кассетные магнитофоны со стереофоническими возможностями, такие как «Маяк-001 стерео», «Маяк-233-стерео» или «Нота-203-1 стерео». Это свидетельствует о том, что стереофонический источник сигнала (например, с магнитофона) для подключения к телевизору уже существовал в быту.

Журнал «Радио», издававшийся с 1924 года, был настоящей «библией» для советских радиолюбителей и инженеров. На его страницах регулярно публиковались схемы и статьи, посвященные модернизации радиотехники, улучшению качества звука, созданию усилителей и акустических систем. Вполне вероятно, что на его страницах или в аналогичных изданиях того времени можно было найти идеи или даже готовые схемы для реализации псевдостерео или простых двухканальных усилителей. Это указывает на то, что потребность в улучшении звука была осознанной, и энтузиасты активно искали решения.

Несмотря на наличие 60 радиотехнических заводов в СССР, способных обеспечить качественное звуковоспроизведение, существовали проблемы с качеством материалов и элементной базы. Компоненты для бытовой аппаратуры не проходили такой строгой приемки, как для военной промышленности, что могло приводить к разбросу параметров и снижению надежности. Это фактор, который необходимо учитывать при выборе и использовании компонентов для нашего проекта.

Таким образом, наш проект по интеграции стереозвука в ЗУСЦТ 2 не является попыткой «изобрести велосипед», а скорее, представляет собой реализацию давно назревшей потребности, которая в свое время не была удовлетворена массовым производством телевизоров. Он опирается на существующую инженерную базу, доступную элементную базу и опыт радиолюбителей того периода.

Выводы и перспективы

Данная курсовая работа позволила не только разработать детальный план проектирования и конструирования устройства воспроизведения стереозвука для телевизоров ЗУСЦТ 2, но и глубоко погрузиться в теоретические основы, исторический контекст и инженерные реалии того времени.

Основные выводы по результатам проектирования и конструирования:

1. Теоретическая база: Мы детально изучили принципы формирования стереозвука, включая психоакустические эффекты, такие как эффект Хааса, что стало основой для разработки псевдостереофонического преобразователя. Понимание критериев качества аналогового звука (АЧХ, КНИ, SNR) определило цели для схемотехнических решений.
2. Анализ ЗУСЦТ 2: Подробное исследование архитектуры и аудиотракта телевизоров ЗУСЦТ 2 выявило оптимальные точки для интеграции нового модуля. Использование линейного монофонического аудиовыхода (например, с разъема видеомагнитофона) и подача обработанного стереосигнала на вход оконечного усилителя мощности телевизора (или на отдельный УНЧ) является наиболее рациональным и наименее инвазивным решением.
3. Схемотехнические решения: Выбор схемы псевдостереопреобразования с фазовращателями на дискретных элементах или операционных усилителях, а также двухканального УНЧ на аутентичной элементной базе (транзисторы КТ315/КТ361, КТ815/КТ817, ОУ К140УД или гибридные УНЧ К224УН17/К224УН18) был обоснован с учетом доступности компонентов и цели проекта. Представлена методология расчета усилительных каскадов, включая определение статического режима, линий нагрузки и коэффициентов усиления, а также основы расчета пассивных разделительных фильтров.
4. Конструкторские аспекты: Особое внимание уделено проектированию печатной платы для аналоговых сигналов, включая принципы трассировки для минимизации помех («правило 3W», «правило 10W», разделение земляных полигонов), а также компоновке элементов и экранированию. Подчеркнута критическая важность обеспечения теплового режима, с расчетом рассеиваемой мощности и выбором методов охлаждения, таких как радиаторы и естественная конвекция.

Достигнутые цели:

Основная цель — разработка исчерпывающего плана для создания устройства воспроизведения стереозвука, интегрируемого в ЗУСЦТ 2, — была полностью достигнута. План включает все необходимые этапы, от теоретического обоснования до практических рекомендаций по конструированию и оценке.

Перспективы для дальнейшего развития проекта:

1. Реализация и тестирование прототипа: Следующим логическим шагом является физическое изготовление разработанного модуля, его тестирование в лабораторных условиях и последующая интеграция в реальный телевизор ЗУСЦТ 2. Это позволит проверить теоретические расчеты и оценить практическую эффективность.
2. Оптимизация схемотехники: В ходе тестирования могут быть выявлены возможности для дальнейшей оптимизации схемы, например, по снижению шумов, улучшению АЧХ или уменьшению нелинейных искажений.
3. Разработка универсального модуля: Модуль можно адаптировать для других моделей аналоговых телевизоров того периода, которые также имели монофонический звук.
4. Расширение функционала: Возможно добавление дополнительных функций, таких как регулировки баланса стереоканалов, тонкомпенсация или даже простейший цифровой вход (с учетом ограничений по элементной базе и сложности).
5. Документация и стандартизация: Оформление полной технической документации в соответствии с ГОСТами и ОСТами, что является важным этапом для любого инженерного проекта.

Данная курсовая работа не просто решает конкретную инженерную задачу, но и служит мостом между прошлым и настоящим, демонстрируя, как знание фундаментальных принципов позволяет модернизировать и улучшать даже устаревшую технику, продлевая ей жизнь и расширяя функционал.

Список использованной литературы

1. Потачин И. Псевдостереорежим в телевизоре // Радио. 2003. №2. С. 16-17.
2. Бирюков С. Процессор пространственного звучания TDA3810. Справочный листок // Радио. 2001. №2. С. 49—51.
3. Брылов В. Стереозвук в ЗУСЦТ // Радио. 2001. №2. С. 9—11.
4. Конструирование РЭС: учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию / Сост: В.Ф. Борисов, А.А. Мухин, А.С. Назаров и др. М.: МАИ, 1991.
5. Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надежность / Под ред. Р. Г. Варламова. М.: Радио и связь, 1985. 384 с.
6. Поляков К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры.
7. Шарапов А.В. АНАЛОГОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА: Учебное пособие. Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2006.
8. От третьего лица: 90 лет назад в СССР появился звук на телевидении // ГИТР Инфо. 2024. URL: https://gitr.ru/2024/11/16/ot-tretego-licza-90-let-nazad-v-sssr-poyavilsya-zvuk-na-televidenii/ (дата обращения: 21.10.2025).
9. Кто придумал стерео запись звука? // Habr. URL: https://habr.com/ru/articles/550514/ (дата обращения: 21.10.2025).