Компактный автомобильный усилитель

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: УМЗЧ на микросхемах; Опубликовано: 19.03.2017 15:18; Просмотров: 2555

Понравилась статья - поделись с друзьями

Ю. ИГНАТЬЕВ, г. Ивано-Франковск, Украина
В статье описана конструкция несложного автомобильного стереоусилителя с импульсным преобразователем напряжения. Его добавление существенно увеличило мощность усилителя на популярных микросхемах TDA7293 или TDA7294 — до 78 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом, а применение готового корпуса намного упростило его изготовление.
Как часто и справедливо утверждается, звучание штатной магнитолы автомобиля может порадовать только неискушённого слушателя. На практике оказывается, что в большинстве случаев реальное значение выходной мощности УМ магнитолы не превышает 20 Вт на канал при нагрузке сопротивлением 4 Ом, а при работе от аккумулятора мощность падает до 16 Вт.

Собственно, даже при такой мощности можно качественно озвучить любой салон автомобиля, если бы не пик-фактор музыкальных сигналов, достигающий в отдельных композициях 20...25 дБ. Так, встроенный УМ автомагнитолы без ограничения динамического диапазона может выдать до 5 Вт на канал Учитывая качественный рост параметров современных УМ, вопрос модернизации тракта воспроизведения упирается в физическое ограничение динамического диапазона максимальной выходной мощностью встроенных УМ, а возможности его расширения исчерпаны производителями аппаратуры. Вследствие высокого уровня зашумления (в том числе и извне) в автомобиле динамический диапазон значительно сужается Шумоизоляция кузова и повышение уровня звукового давления АС помогают увеличить динамический диапазон прослушивания.
Установка внешнего УМ на начальном этапе модернизации является, на мой взгляд, наименее трудозатратной. Необходимо заметить, что доработку автомобильной аудиосистемы нужно начинать с установки более качественной фронтальной АС.
Современные мультимедийные устройства для автомобилей оснащены линейными выходами для подключения внешних усилителей. Промышленность предлагает много высококачественных автомобильных УМ, однако их высокая стоимость является существенным ограничением при модернизации. Подключать же УМ к выходам встроенного в магнитолу усилителя, на мой взгляд, нецелесообразно.
Предлагаемое устройство обладает минимальной функциональностью, однако имеет ряд положительных признаков: мощный нестабилизированный источник питания, хороший УМ, минимальный размер корпуса, отсутствие низкокачественных компонентов входного активного фильтра. Номинальное напряжение питания составляет +/-25 В, что даёт возможность повысить мощность на нагрузке 4 Ом до 78 Вт.
В отличие от многих конструкций, описанных в Интернете, этот двухканальный УМ собран в стандартном, доступном и недорогом алюминиевом корпусе фирмы Gainta, показанном на рис. 1.

Ширина (размер L на рис. 1) — 100 мм.
Размеры основной платы — 93,6x96 мм, что позволяет вставить её в специальные пазы корпуса. Приоритет в проекте отдан компактности устройства, поэтому применены детали поверхностного монтажа.
УМ проектировался под конкретный проигрыватель компакт-дисков, для
которого номинальная нагрузка линейного выхода — 10 кОм. Устройство состоит из нестабилизированного преобразователя напряжения (ПН) и УМ на двух микросхемах TDA7293 (или TDA7294 с учётом различий в цоколёв-ке), а также узла управления по внешнему сигналу Remote сигналом STBY усилителя.
Схема усилителя показана на рис. 2.

Преобразователь с функцией плавного пуска собран на микросхеме TL494 и полевых транзисторах. Габаритная мощность трансформатора — около 300 Вт, и применение двух пар транзисторов в каждом плече преобразователя позволяет отдавать в нагрузку большую мощность. Расчёт трансформатора и выбор магнитолровода проводился с использованием полезной бесплатной программы EXCELLENIT5000 [1].
Существует мнение, что УМ с импульсным БП без стабилизации обеспечивают звучание лучше, чем со стабилизированным БП. В цепях затвора мощных транзисторов преобразователя включены резисторы (47 Ом), что сужает спектр помех, создаваемых инвертором. На меньшей плате размещены узел управления включением и контроллер ПН, на большей — ПН и УМ. Выходные цепи ПН гальванически не связаны с первичным источником питания.
Для включения УМ необходимо наличие напряжений питания 12 В и напряжения управления более 9 В на входе ДУ. Напряжение с входа ДУ через стабилитрон VD1 и резистор R7 поступает на базу транзистора VT2 и открывает его. Конденсатор С5 служит для задержки включения УМ и фильтрации помех по входу ДУ, резистор R8 обеспечивает минимальный ток для работы стабилитрона VD1. Транзистор VT2 открывается, и на его коллекторе устанавливается напряжение около 0,7 В, загорается светодиод HL1 и открывается транзистор VT1, который подаёт питание на микросхему DA1 и запускает ПН. Резистор R5 необходим для поддержки закрывающего напряжения на базе VT1 в отсутствии сигнала управления, a R6 — для ограничения максимального тока транзистора VT2. При наличии вторичного напряжения ПН напряжение с эмиттера VT1 через R1 поступает на излучающий диод оптопары U1, и он засвечивает фототранзистор оптопары. При подаче напряжения на микросхему DA1 на её выходе (вывод 14) появляется напряжение 5 В, которое через конденсатор СЗ поступает на вывод 4 управления шириной импульсов TL494. По мере зарядки СЗ напряжение на выводе 4 уменьшается за счёт нагружающего резистора R2, а ширина импульсов на выводах 9, 10 увеличивается. Так организован плавный пуск ПН. Резистор R2 необходим также для предотвращения зарядки конденсатора СЗ вытекающим током из микросхемы (от 2 до 10 мА). Встроенные усилители ошибки в TL494 не использованы, на неинвертирующие входы 2, 15 DA1 подано напряжение ИОН, равное 5 В, с вывода 14, а инвертирующие входы подключены к общему проводу ПН. Резисторы R3, R4 и конденсатор С4 задают частоту переключения ПН около 50 кГц. Место под резистор R4 зарезервировано на плате для возможной коррекции частоты работы ПН. Конденсаторы С2 и С1 блокируют ВЧ помехи. С выводов 9, 10 DA1 сигналы управления полевыми транзисторами (ПТ) через разъём XP/XS1 (ZL201-10G, ZL262-10SG производства NINIGI) подаются на основную плату УМ на затворы ПТ. На элементах R12, VD4, VT4 (R13, VD5, VT5) собраны цепи перезарядки ёмкости затворов ПТ. Резисторы R19— R22 снижают скорость переключения ПТ и уменьшают коммутационные помехи. ПТ попарно подключены к первичной обмотке трансформатора Т1, на среднюю точку которой поступает напряжение бортовой сети автомобиля через плавкую вставку FU1 и П-образный фильтр C6C7L1C10C13C14C18. Конденсаторы С10, С13, С14, С18 подключены в непосредственной близости от средней точки обмотки I трансформатора Т1 для снижения помех. Диод VD2 служит защитой от обратной полярности питания.
Переменное напряжение с вторичной обмотки Т1 выпрямляется диодными сборками VD7, VD8, фильтруется конденсаторами С20—С23 и далее поступает на микросхемы УМЗЧ. Кроме того, напряжение +24 В через резистор R14 поступает на транзистор оптопары U1 и при наличии напряжения на входе ДУ устройства поступает на базу транзистора VT3. Элементы R9, VD3, VT3 необходимы для обеспечения быстрой разрядки конденсаторов в цепях STBY MUTE микросхем DA2, DA3 после пропадания сигнала ДУ. Связано это с тем, что при выключении магнитолы на её линейных выходах появляются значительные всплески напряжения, которые приводят к щелчкам в АС. В большинстве самодельных устройств сигналы STBY MUTE формируют через ограничительный резистор, подключённый к плюсовой цепи питания, поэтому при выключении магнитолы УМ не переходит в режим STBY до разрядки конденсаторов в цепи питания В этой же конструкции УМ выключается фактически сразу после пропадания сигнала ДУ с магнитолы.
Для обеспечения симметричности нагрузки на ИП и для возможности работы в мостовом режиме один канал УМ работает в инвертирующем режиме. Для минимизации помех, вносимых падением напряжения на "силовых" проводах, общие провода сигнальных и питающих цепей соединяются только в слаботочной части через резисторы R11, R15. Элементы R16, С9, R23, С11, R27 и R32 (R17, С8, R18, С12, R24, R29 и R31, R33) образуют фильтры, ограничивающие полосу, и задают коэффициент усиления каналов Так как включение микросхем DA2, DA3 различно,
для выравнивания усиления в каналах можно корректировать общее сопротивление резисторов ООС (R31 и R33). Места для резистора R31 на плате нет, в случае необходимости его устанавливают поверх R33. В симуляции микросхем в виде ОУ в программном пакете Microcap 9 сопротивление этого резистора оказалось 80 кОм.
Спад в области НЧ (-3 дБ на частоте 17 Гц) обусловлен областью применения УМ. Во-первых, фронтальные АС вследствие размера и свойств акустического оформления сильно снижают КПД на низких частотах; во-вторых, результирующая АЧХ в салоне автомобиля обычно имеет подъём в области НЧ на несколько децибел.
Трансформатор собран на тороидальном магнитопроводе Epcos 29,5x19x20 (B64290-L756-X87) из материала N87. Первичная обмотка имеет 8 витков провода диаметром 0,51 мм, сложенного в восемь жил, с отводом от середины. Исходные данные и результаты расчёта приведены на рис. 3.

Вторичная обмотка содержит 18 витков того же провода, сложенного в три жилы, с отводом от середины. Витки равномерно распределены по периметру кольца. Дроссель L1 намотан на кольцевом магнитопроводе размерами 23x14x9,5 мм из порошкового железа Т90-52 Micrometals и содержит восемь витков провода ПЭВ 0,51, сложенного в восемь жил. Индуктивность дросселя может и отличаться, важно лишь помнить, что перегрев свыше 75 °С для такого дросселя недопустим.
Сборку устройства следует начать с меньшей платы (её чертёж на рис. 4 в масштабе 2:1), на схеме рис. 2 находящиеся на ней детали обведены штрих-пунктирной рамкой.

После установки всех деталей подключают к контактам разъёма ХР1 источник напряжения 12 В. На контакт 9 нужно подать +12 В, а контакты 1—4 соединить с общим проводом. Затем замкнуть контакты 9 и 10, должен засветиться светодиод. На коллекторе VT1 установится напряжение около 11 В, на выводе 14 DA1 появится напряжение 5 В, на выводе 4 — не более 0,5 В, а на выводах 9,10 — меандр с амплитудой 11В. При отсутствии осциллографа наличие импульсов на выходах 9, 10 определяется цифровым мультиметром как постоянное напряжение 5...6 В.
Затем собирают большую плату (рис. 5, 6), устанавливая все детали, кроме микросхем УМ DA2, DA3. Также необходимо установить проволочные (в изоляции) перемычки.

Транзисторы желательно запаять на одинаковой высоте, это облегчит их крепёж. Так как спаренные диоды в корпусе ТО-220 с общим анодом дефицитны, на плате предусмотрены места для их замены диодами в корпусе DO-27.
После соединения плат с помощью разъёма и подачи на обозначенные площадки напряжения 12 В с блока питания и сигнала включения ДХ на конденсаторах С20 и С21 должно появиться напряжение +25 и -25 В соответственно, а на эмиттере VT3 — около +8 В относительно средней точки выходной обмотки трансформатора. При этом детали преобразователя не должны нагреваться, а потребляемый ток не должен превышать 0,3 А. После проверки ПН впаивают микросхемы DA2, DA3.
Неиспользуемые выводы микросхем укорачивают на 3...4 мм. Важно установить микросхемы строго перпендикулярно плате, иначе они не будут прилегать к корпусу всей плоскостью и могут перегреться. Для уменьшения влияния наводок на цепи усилителя около выводов питания микросхем добавлены дополнительные конденсаторы С26, С28 (СЗО, С32) ёмкостью 470 мкФ с низким импедансом (low ESR). Для уменьшения наводок дорожки от выводов питания предварительного каскада и выходного каскада TDA7293 соединяются в местах пайки выводов этих конденсаторов.
Затем в плату впаивают провода для подключения внешних разъёмов. Для разъёма питания (клеммный блок DG58C-A-2P13 от Degson Electronics) необходим провод сечением не менее 2 мм2. Отрезок длиной в 50...70 мм впаивают в плату. Аналогично впаивают кабели соединения платы с разъёмами RCA (XS3.1, XS3.2). Для этого используют любой мягкий кабель. Таким же образом впаивают провода к выходному разъёму Х4 (клеммный блок DG58H-A-04P-13 от Degson Electronics). Сечение выходных проводов должно быть не менее 0,5 мм2. Места подпайки проводов нужно укрепить термоклеем. Для провода сигнала включения ДУ в боковой крышке просверлено отверстие диаметром 2 мм, через которое выведен провод длиной около 20 см. Для фиксации на нём желательно завязать узел изнутри корпуса УМ.
Далее плату вставляют в паз корпуса и размечают отверстия под винты крепления транзисторов и микросхем. Отверстия делают сверлом диаметром 3,6 мм, потом их раз-зенковывают для установки винтов "впотай". Мощные ПТ, диоды и выходные микросхемы УМ крепят к корпусу (фото на рис. 7) винтами МЗ через изолирующие прокладки из слюды с использованием изолирующих же вставок для винтов. Прокладки под микросхемы необходимо обязательно промазать термопастой, например КПТ-8.

Затем на пластиковые стенки корпуса устанавливают выходные разъёмы Х4 и к ним подключают соответствующие провода от печатной платы (фото на рис. 8).

После этого подключают сигнальные кабели к разъёмам на панели усилителя (фото на рис. 9) и ещё раз проверяют работу системы в целом; если всё в норме, желательно проклеить термоклеем провода на выходных разъёмах и разъём XP/S1, габаритные конденсаторы и трансформатор, так как они будут работать в условиях вибраций. Затем собирают корпус полностью.
Перед установкой в автомобиль желателен прогон усилителя в течение нескольких десятков часов для проверки его надёжности.

Подключение питания непосредственно в автомобиле необходимо производить проводами сечением не менее 2,5 мм как можно меньшей длины (рис. 10). Подключать их нужно к клеммам аккумулятора через плавкий предохранитель на 15...20 А, к усилителю вести оба провода от плюсовой и минусовой клемм. Часто из-за некачественной проводки в автомобиле во избежание помех приходится проводить провода от аккумулятора и к магнитоле.
Из-за малого размера корпуса (площадь тепло-отвода около 400 мм2) во время работы УМ нагревается до 40...50 °С. Это нормальная температура для усилительной аппаратуры, если при монтаже устройства в салоне предусмотреть возможность циркуляции воздуха.
При реальной эксплуатации в автомобиле можно отметить значительное улучшение звучания системы и удобство размещения. Даже при длительной работе на максимуме мощности для АС Focal polyglass V1 температура корпуса УМ не превышает 60 °С. Естественно, ждать от такого усилителя чудес не приходится, но однозначно можно утверждать, что он "переиграет" большинство поделок нижнего ценового диапазона, сохраняя характеристики микросхем TDA7293.
Некоторые параметры УМ проверены с помощью компьютерной программы Right Mark Audio Analyzer 6.0 (RMAA). На выходной мощности 15 Вт при напряжении питания 12,6 В гармонические искажения в каналах равны 0,045 и 0,019 %, а интермодуляционные искажения — 0,024 и 0,026 %. Отношение сигнал/шум — около 90 дБ. Вопреки распространённому на форумах Интернета мнению инвертирующее включение микросхемы (в правом канале) показало худший результат по измеренным параметрам. Использование типовой схемы из справочной документации
на микросхему [2] оказалось лучшим вариантом.
Возможные замены: микросхема ПН TL494 имеет аналоги — KIA7500, МВ3759, UPC494, IR3M02, КР1114ЕУ4. Вместо IRF3205 можно установить любые современные полевые n-канальные транзисторы, например, IRFZ44, IRF540, BUZ111S, STP80NF06, IRF1405 на напряжение более 50 В, причём допустимо применить только одну пару транзисторов. Транзисторы ВС817 можно заменить 2N5550S, ММВТ100, ММВТ2222, 2SD1484, а транзистор ВС807 — 2STR2160, ВСХ17, ММВТ591, РМВТ2907. Транзистор ВСХ51 заменяем ВСХ52, ВСХ53, 2SB1027, 2SB1313, SB1123U. При необходимости подбор типов транзисторов можно провести по справочнику [3]. Две диодные сборки VD7, VD8, рассчитанные на постоянный ток не менее 3 А и напряжение более 80 В, можно заменить четырьмя диодами FR302—FR304, UF5404, RGP25G.
На рис. 11 показаны чертежи разметки передней и задней панелей блока УМ для применённых автором элементов и узлов коммутации.

ЛИТЕРАТУРА
Сборник программ Владимира Денисенко для расчёта трансформаторов и дросселей. — <http://stoom.ru/content/view/307/110/>.
2. Datasheet TDA7293. — <http://www. datasheetcatalog.com/datasheets pdf/ T/D/A/7/TDA7293.shtml>.
3. Биполярные транзисторы. Типовые характеристики. Справочник. — <http:// alltransistors. com/ru/>.
От редакции. Авторские материалы к статье, полезные при изготовлении усилителя, размещены по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/04/avtoUM.zip на '
нашем FTP-сервере.