Усилители мощности для исследований электромагнитной совместимости (ЭМС)

Ламповые усилители помимо приятных минут прослушивания любимой музыки доставляют любителям «теплого лампового звука» и немало хлопот. Малый ресурс радиоламп (особенно мощных) требует регулярной проверки режимов работы ламп, их корректировки и своевременной замены.

Как говорится, с годами лучше становится только вино…

Чтобы упростить поддержание вашего «любимца» в хорошей форме и регулярно не тыкать тестером во внутренности усилителя, Марк Драйдгер (Mark Driedger) предложил схему для контроля за током покоя выходных ламп.

Устройство позволяет:

1. контролировать ток покоя выходного каскада. 2. контролировать разбаланс плеч двухтактного каскада или разницу токов ламп при параллельном включении из-за неравномерного старения катодов ламп.

Идея.

Точная настройка уровня смещения в двухтактных выходных каскадах важна для получения максимальной неискаженной мощности и продления срока службы ламп. Большинство известных измерителей определяют абсолютный ток смещения каждой лампы (например, для измерения тока в 60 мА, используют схемы с диапазоном 0-100 мА). При относительной простоте и надёжности схемы эти методы не очень точны.

Предлагаемая схема измеряет ошибки тока смещения относительно сбалансированного состояния двухтактного каскада. Устройство компактное, недорогое, простое и точное, благодаря использованию двухуровневых компараторов.

Измеритель смещения лампового каскада - www.radio.infoklad.ru

Почему однополярный источник питания?

Существует несколько различных терминов, используемых для обозначения системы, в которой разработчик имеет доступ к шинам положительного и отрицательного напряжения: двуполярное, симметричное, с двойным источником питания, с раздельными источниками питания. Как бы вы ни хотели их назвать, они мне нравятся; аналоговые схемы являются более простыми и (на мой взгляд) более математически связными, когда уровень сигнала может опускаться фактически ниже уровня земли.

Однако неизбежный факт заключается в том, что система с двойным источником питания обычно является персоной нон-грата в мире современной электроники. Причина этого достаточно проста: для создания источника отрицательного напряжения требуются дополнительные схемы, что означает больше времени проектирования, более высокую стоимость и большие размеры печатной платы; таким образом, если системные требования могут быть каким-то образом выполнены без обращения к отрицательной шине питания, тем лучше. Альтернативой дополнительной схеме является вторая батарея; помимо того, что этот подход применим только к оборудованию с питанием от батарей, он всё же увеличивает стоимость и громоздкость, которые могут быть устранены с помощью продуманной схемы с однополярным источником питания.

Примечание. Не существует закона, утверждающего, что система с двойным источником питания должна иметь положительное и отрицательное напряжения питания, которые равны по величине (то есть симметричны). Однако симметричные источники питания являются нормой для схем усилителей, и обсуждение систем с двойными источниками питания или с раздельными источниками питания может включать предположение, что напряжения питания являются симметричными.

Метод измерения.

Резисторы Rs малой величины (датчики тока) соединены последовательно с катодом ламп. Баланс каскада измеряется между точками А и В. Смещение измеряется путем усреднения напряжения А и В в точке С и сравнением результата с постоянным опорным напряжением VR. Опорное напряжение устанавливается в соответствии с током покоя выходных ламп: Vr=Io*Rs

Измерение напряжения смещения - www.radio.infoklad.ru

Смещение двухтактных каскадов может быть задано балансировкой плеч:

балансировка ламп выходного каскада - www.radio.infoklad.ru

или с помощью независимых регуляторов смещения для каждой лампы:

Так как автор предпочитает в своих конструкциях использовать первый вариант смещения, то в статье описывается применение измерителя именно для такого варианта включения. В конце будут даны рекомендации, как использовать измеритель в схеме с независимым смещением ламп.

Схема предназначена для усилителей с фиксированным смещением ламп выходного каскада. Катодное (автосмещение) как правило, не имеет цепей подстройки, а если и имеет, то номиналы их варьируются в широких пределах, что затрудняет согласование измерителя со схемой.

Резистор в катодной цепи вносит в схему небольшую отрицательную обратную связь, теоретически снижая усиление и искажения. На практике снижение коэффициента усиления минимальны при рекомендуемых значениях резисторов. Например, если мы вводим в катод лампы КТ-88 резистор 10 Ом при приведённом сопротивлении нагрузки 5кОм, то потеря усиления для нагрузки от 8 до 650 Ом составит всего 0,2дБ.

Если вас это беспокоит, то вы можете ввести в схему переключатель, который будет закорачивать этот резистор, когда измеритель не используется. Применение шунтирующего конденсатора здесь не очень удобно из-за малого сопротивления резистора. Кроме того, небольшие резисторы стоят в катодных цепях таких отлично звучащих аппаратов как Marantz 9, Heathkit W-7M, Luxman LX-33, Radford STA-25R, Harmon-Kardon Citation II. Каких-либо негативных последствий от введения этих резисторов замечено не было.

ГЛАВА 3. СБОРКА КОМПЛЕКТУЮЩИХ В КОРПУС.

Пока изготавливал корпус в голове несколько изменилась конфигурация внутреннего размещения компонентов и была выбрана схема с двухуровневым расположением с этажерками. Для крепления плат можно было использовать специальные резьбовые стойки, но их нужно было приобрести большое количество, так как необходимо было бы подбирать разные длины. Я решил просто пойти в магазин крепежа и купить винты М3, разной длины и разными головками (потай и плоские), а также шайбы и гайки. Самые длинные винты — 60 мм.

Подготовил крепление усилителей. Радиаторы всех УНЧ крепил к основанию с помощью алюминиевого уголка 40х40х2, через термопасту КПТ-8

Подготовил крепление LCD дисплея селектора выходов и RaspberryPi с I2C DAC из алюминиевых уголков и пластин.

Устанавливаем вертикальные стойки будущих этажерок второго уровня, а также насверливаем (сверло 5 мм) и зенкуем вентиляционные отверстия для притока воздуха в основании.

Размещаем блоки питания УНЧ, два УНЧ левого и правого канала на TDA7293, и болт крепления трансформатора.

Размещаем УНЧ сабвуфера, плату селектора входов и регулировки громкости, а также «бутерброд» из RaspberryPi и I2C DAC.

Прокладываем провода питания УНЧ

Крепим трансформатор к основанию. Для организации подключения выводов вторичных обмоток в местном магазине был куплен следующий блок винтовых клеммников, и закреплен на верхней прижимной пластине трансформатора термоклеевым пистолетом.

Подключаем вторичные обмотки к клеммникам.

Делаем общую точку земли от блоков питания на корпус (от каждого из блоков питания после конденсаторов через резисторы 150 Ом/0,5 Вт)

Для устройства этажерок и размещения компонентов на втором уровне, выпиливаем и придаем форму дремелем следующим деталям из оргстекла 4 мм., Здесь фото уже с некоторыми рассверленными отверстиями после примерки компонентов.

Готовим и прокладываем сигнальные провода от платы селектора входов до УНЧ, провода с УНЧ на устройства защиты АС, питание предусилителя сабвуфера, и прикидываем площадки.

Плату предусилителя сабвуфера я придумал разместить вертикально, под площадкой, но ручками потенциометров вверх. Мне не нужно их постоянно крутить, один раз правильно настроил — и дальше не трогать, поэтому они будут внутри, но в доступном месте для регулировки.

Размещаем платы защиты АС, заводим питание от УНЧ (0-35 В), а также выходы на АС с УНЧ:

Размещаем плату входного питания с предохранителем, плату с блоками питания 5В/1А и 5В/2А, а также размещаем плату ТВ-бокса на трех винтах и гайках, но уже М2, в плате были такие отверстия.

Крепим LCD дисплей к основанию. Он находится вплотную к лицевой панели, и для того, чтобы не было видно самой платы дисплея, крепежных винтов, да и еще засветки от яркого диода экрана, я решил сделать рамку из черного тонкого пластика. Отлично подошла пластиковая канцелярская папка. Вырезал скальпелем деталь, также с отверстием под IR диод управления, и приклеил его к LCD дисплею на двухсторонний скотч.

Заднюю панель корпуса выпилил из крышки корпуса нерабочего DVD плеера, усилил сверху алюминиевым уголком 10х10х1 и винтами., вырезал отверстия под кнопку общего питания, а также отверстие под ввод кабеля 220 В.

Намечаем и выпиливаем дремелем (отрезным диском) окна для вентилятора корпуса.

Делаем все остальные отверстия под входы/выходы (выходы на АС, входы RCA, 2 x RG45, HDMI)

Красим всю панель с обеих сторон черной краской (я люблю для таких целей BODY Bumper Paint)

Для подключения HDMI к ТВ-боксу приобрел такой удлинитель, с гнездом под панель: Штекер данного удлинителя, правда, впоследствии пришлось обстругать ножом, так как упирался в радиатор УНЧ сабвуфера.

Для ввода Ethernet нужны были также панельные удлинители, но все варианты либо очень громоздкие, да и цена большая для такой мелочевки. Я решил сделать свой удлинитель на два гнезда RJ45. От старого убитого роутера выпаял четверное гнездо RG45, и отрезал два нужных мне гнезда. Затем из куска алюминиевого уголка сделал крепеж для панели.

Приклеил гнездо к крепежу эпоксидным составом. Затем отмерил, обжал и припаял к выводам гнезд отрезки витой пары. Зафиксировал места пайки дополнительно термоклеем.

Примеряем наши входные гнезда и Ethernet кабели до устройств:

Вентилятор корпуса купил в оффлайне, 70х70х10. Оказался чересчур бодрым, необходимо было снижать скорость вращения, причем значительно, использовал мелкий стабилитрон на 6 В, и после дополнительно резистор на 10 Ом. Вращается гораздо тише, стартует без проблем. Но возможно здесь еще надо будет посмотреть на производительность при эксплуатации, возможно увеличить напряжения, если не будет справляться. Сам вентилятор крепим к задней панели винтами М3, гайки утопляем прямо в крепежных отверстиях и заливаем термоклеем, чтобы можно было потом без проблем снимать вентилятор с задней панели и не искать гайки внутри корпуса.

Выводы на АС и входные разъемы RCA были куплены такие (выводы на АС и разъемы RCA):

Все разъемы изолированы от задней панели.

Сетевой кабель 220 В и панельный кабельный ввод взял от встроенного усилителя SOLO-3. Вилку и разъем для соединения сетевого кабеля после кнопки включения на задней панели взял от старого усилителя SVEN-620. Входной сетевой кабель пропустил через ферритовый бочонок.

Монтируем входные RCA разъемы и припаиваем сигнальные кабели.

Монтируем и подключаем выходные терминалы на АС:

Фото готовой задней панели (надо еще купить решетку для вентилятора):

Для защиты от случайного прикосновения к незащищенным деталям с напряжением 220 В в зоне платы предохранителя и блоков питания 5В, делаем съемный защитный экран из оргстекла 1,5 мм:

Ножки для корпуса взял по следующей ссылке:

Для крепления использовал винты М3, но выведенные с внутренней стороны корпуса и приклеенные на эпоксидный состав, ножки крепятся гайками М3.

Общий вид готового устройства в сборе:

Вид устройства на своем законном месте:

Схема:

Основой измерителя являются двухуровневые (оконные) компараторы LTC1042 от Linear Technology. Они имеют цифровые выходы и дифференциальные входы, напряжение на которых может изменяться в пределах от 0 до 5 В (напр. питания). Выходы компараторов через логические элементы управляют тремя светодиодами, которые указывают, что смещение (разбаланс плеч) выше, ниже или в пределах нормы. Чувствительность задается по входу компаратора “Width/2”. «ОК» загорается, когда разница напряжений между входами меньше, чем напряжение на “Width/2”. Резистор 100 кОм между выводом 7 и шиной питания устанавливает частоту внутреннего генератора для компаратора. (Он определяет выбор архитектуры компаратора для снижения энергопотребления.)

Так как в любой момент времени горит только один светодиод, то можно использовать один токоограничительный резистор на все светодиоды, а не на каждый отдельно:

схема измерителя - www.radio.infoklad.ru

На каждый канал используется две схемы компаратора:

Схема измерителя один канал - www.radio.infoklad.ru

Опорное напряжение формируется стабилизатором на TL431 (2,5В) и регулируется резисторами R4 – напряжение смещения и R6 – диапазон регулировки смещения.

От главного редактора РадиоГазеты: TL431 — трехвыводный стабилизатор. На схеме показан не совсем корректно. Чтобы напряжение стабилизации составило 2,5 В, надо управляющий вывод (на схеме даже не показан) соеденить с катодом.

Полная схема подключения к усилителю:

Увеличение по клику.

Диапазон регулировки составляет примерно от 40 до 80 мА (ток смещения на каждую лампу), с «окном» шириной 0 ± 8 мА. Значение R1 не является критическим, но для каждой пары ламп они должны быть согласованы (точно подобраны). Их величина должна быть меньше 10 кОм , но гораздо больше, чем сопротивление датчиков тока (Rs).

Значение резистора представляет собой компромисс между чувствительностью и перегрузочной способностью . Значение в 10 Ом подходит в большинстве случаев. Входы компаратора будут иметь уровень 0,6 V для типичного 60-мА тока смещения, который хорошо укладывается в диапазон компаратора от 0 до 5 В. Максимальный входной уровень компаратора составляет 5,3 В, что соответствует току смещения 530 мА, это значительно выше того, что бывает в нормальных условиях работы или при разумных перегрузках.

LTC1042 имеет точность порядка пары милливольт, что дает ошибку в несколько десятых долей миллиампер. Использование резисторов в 10 Ом позволяет легко вычислить опорное напряжение: опорное напряжение в мВ = ток смещения в мА х 10. Мощность, рассеиваемая на этих резисторах составляет около 0,125 W. Для обеспечения некоторого запаса стоит использовать резисторы мощностью 0,5W.

ГЛАВА 1. Спецификация комплектующих.

В ходе долгих раздумий и нескольких поправок было принято решение остановиться на следующей спецификации итогового устройства. По каждому компоненту я расскажу немного подробно, со схемами и ссылками:

— силовой трансформатор:

Для питания усилителя был взят тороидальный трансформатор от активного сабвуфера SVEN HA-620W, с вторичными обмотками 29-0-29, 12-0-12 и 0-12. Вторичная обмотка 29-0-29 была отмотана до 25-0-25, и эмалированным проводом d=1.12 мм были намотаны две дополнительные симметричные обмотки 2×35 В, но с дополнительными выводами под 2х19 В и 2х26В, для более гибких конфигураций под разные УНЧ. Таким образом обмотки 25-0-25 (со средней точкой) были выбраны для использования под 2шт. УНЧ левого и правого канала (на TDA 7293) а обмотки 2х26 В работают под УНЧ сабвуфера.

— УНЧ левого и правого канала:

УНЧ на микросхеме TDA 7293 по схеме Audiokiller (ссылка). Тут особо много не расскажешь, уже много раз обсуждалась на многих ресурсах, да и верю я на слово И.Рогову, что это одно из самых удачных её исполнений. Простая сборка, никакой отладки, всё сразу работает. Печатная плата была сразу немного изменена сразу под микросхему 7293 (без перемычек под 7294), а также под размеры деталей (конденсаторов и резисторов), которые мне удалось купить. Все детали брал в ChipDip, так как это самый доступный способ в моём городе. Конечно, сейчас пассивные компоненты удобно брать у китайцев, но в небольших объемах и с более-менее известным качеством мне проще было взять в ChipDip.

— УНЧ сабвуфера:

УНЧ Дорофеева на ОУ по схеме с сайта darkamp.ru ( ). Изначально была приобретена плата УНЧ от AIYIMA, но она в ходе испытаний в одном из моих обзоров не очень себя хорошо показала. Поэтому с выходными транзисторами с этой платы был собран выше указанный УНЧ (спасибо Alex_74 за ). Данный усилитель мне понравился своей простотой, и половина компонентов для него у меня уже была. Усилитель был успешно собран и запущен без каких-либо проблем.

Сейчас на сайте Сергея есть уже обновленная версия схемы, с устройством защиты АС уже на плате усилителя. ( )

— Блоки питания УНЧ:

Схемы блоков питания были надерганы из разных источников, собраны в одну схему и адаптированы под свои компоненты. ([ , ) БП для 2-х УНЧ на TDA7293 имеет также маломощный стабилизированный двух-полярных источник питания ±12 В, для подключения вспомогательных потребителей (предусилитель / ФНЧ сабвуфера, питание вентилятора корпуса). В остальном оба блока питания идентичны, с емкостями 4х4700 мкФ на каждое плечо питания.

— Устройства защиты АС:

Я подумал, что это мой первый опыт сборки УНЧ, да и в качестве компонентов сегодня нельзя быть 100% уверенным. Мне не очень хотелось, чтобы мои старые добрые АС SOLO-3 первой версии (мной доработанные) умерли на моих же первых устройствах, поэтому я решил что в составе комплекса должны быть устройства защиты АС. Схему устройств я взял в статье В.Мосягина (MVV) Сначала я заказал детали и собрал схему защиты АС для левого и правого канала: Но после я решил, что для сабвуфера нужна тоже своя защита, а так как деталей я покупал с небольшим запасом, мне хватило еще на одну плату. Я переделал схему плату на один канал и под одно реле, правда уже на FINDER 40.52S (24В), которые у меня были, так как не брал с запасом 12 В реле. Схема защиты на один канал и реле 24 В:

— Входной фильтр питания 220 В:

Для входа сетевого напряжения 220 В я сделал небольшую плату с варистором, держателем предохранителя, и конденсатором подавления ЭМП B32922-C3104-K, 0.1 мкФ, 305В, X2. На плате разместил также винтовые клеммники для подключения входа/выхода и подключения кнопки включения питания. Моя первая самостоятельная разработка! ))):

— Селектор входов и регулятор громкости: по положительным отзывам был выбран комплект на базе чипа PGA2311

(https://www.ti.com/lit/ds/symlink/pga2311.pdf) К сожалению, уже нет страницы товара, который я покупал, но один в один как на по этой ссылке: Комплект состоит из основной платы, платы с контроллером и дисплеем отображения информации, а также мелкой платы с энкодером. На основной плате расположены диодный мост с емкостями питания, стабилизаторы питания на ±5В для PGA 2311 и 5В для реле, 3шт. реле для переключения входов, сама микросхема PGA2311 с обвязкой, входные и выходные разъемы (выходной разъем я припаял самостоятельно). На второй плате разместились дисплей 16х2 с белыми символами на синем фоне, контроллер, разъемы для подключения к основной плате и для подключения энкодера. Третья плата — кусок текстолита, с расположенным на нем энкодером (с кнопкой) и 4-х жильным шлейфом до платы с контроллером. Вращением энкодера изменяем громкость, нажатием переключаем реле входов на основной плате.

В комплект входит также маленький пульт управления, с которого можно регулировать громкость и переключать реле источников.

— Предусилитель / ФНЧ для сабвуфера:

Я не стал искать что-то сверхсложное и качественное, так как в последствии хочется сделать ФНЧ/ФВЧ на базе DSP ADAU1701, поэтому купил одну из самых простых плат на Aliexpress ( ). Питание 12В, на ОУ NE5532, имеет два потенциометра: регулировка громкость и регулировки частоты ФНЧ, вход — 2 канала, выход — моно.

— Внутренний источник сигнала:

В качестве внутреннего источника у меня служит Raspberry Pi Model B+, старая модель, купленная 4 года назад. Я её брал для изучения и экспериментов, некоторое время она работала как медиацентр на базе KODI, но её мощности не очень хватало для комфортной работы, поэтому «малина» была переориентирована на работу в качестве MPD сервера. Так как линейный выход самой Raspberry Pi немного жутковат, к ней был приобретен на Aliexpress отдельный I2C ЦАП PiFi DAC (такой же как по этой ссылке: ), который устанавливается непосредственно на GPIO «малинки». Без каких-либо проблем определяется системой всеми аудио дистрибутивами (Volumio, Runeaudio, Moodeaudio) как «HiFiberry Dac +» ЦАП построен на чипе PCM5122, для моих ушей вполне годный ЦАП. Подключение к домашней сети осуществляется по Ethernet. Как я её использую и как построена вся пользовательская инфраструктура, я расскажу чуть дальше.

— Мультимедиа:

Так как Raspberry Pi Model B+ не очень справлялась в качестве машины для KODI, то было решено не мучить беднягу и взять простой TVBox на Android. Выбор бал на , простой и дешевый вариант, и была скидка на момент покупки. Для последующей установки в усилитель, я разобрал корпус приставки, вытащил плату. Плата настолько небольшая, что внутри корпуса еще дополнительный утяжелитель) Питание приставки 5V (БП 5В/2А), подключение к домашней сети по Ethernet (1000 Mbits)

— Блоки питания 5В:

Для питания Rasberry Pi и Tanix TX2 требовались блоки питания по 5В. Я думал сделать стабилизированные источники питания на 7805, но затем подумал, что мне необходимо их запитывать вообще отдельно от УНЧ, иначе Raspberry Pi будет постоянно «аварийно» выключаться при выключении трансформатора УНЧ, а это плохо для SD карты, на которой стоит ОС, после нескольких таких сбросов может потом и не запуститься из-за ошибок. Поэтому я придумал сделать всё проще. Я достал платы из БП тв-бокса (2А) и старой USB зарядки (1А), разместил их на тонком куске гетинакса, поставил винтовые клеммники, и припаял входящие и выходящие провода. Так и будет установлено в корпус:

Схема организации всех компонентов моего устройства представлены на следующей блок-схеме. Я отобразил все компоненты и их подключение. Я её сделал так же для того, чтобы опытные и знающие участники, возможно, помогли мне с небольшой проблемой.

Вот так компоненты выглядят дружно, готовятся к установке.

Все печатные платы делал ЛУТом. Сначала печатал на журнальных листах, затем приобрел термотрансферную бумагу для ЛУТ. Травлю платы раствором перекиси водорода и лимонной кислоты с солью. Немного грею емкость с раствором в горячей воде для ускорения реакции. Несколько фото моих первых плат под спойлером.

Первые платы, ЛУТ

Конструкция.

Измеритель можно вмонтировать внутрь усилителя или использовать как внешнее устройство, подключая его при необходимости к точкам А и В схемы.

Конструкция измерителя - www.radio.infoklad.ru

Двухканальный вариант был выполнен на макетной плате размерами примерно 5×6 см. Для питания необходим источник на 5 В. Во избежание повреждения ИС, необходимо подать питание после включения усилителя. Во время нормальной работы усилителя, светодиоды будут мигать в такт сигнала. SW1 позволяет их отключать, чтобы предотвратить проникновение взаимных шумов в аудиоцепи. Светодиоды устанавливают рядом с соответствующими регулирующими потенциометрами.

Измеритель тока покоя выходных ламп усилителя.

Настройка схемы заключается в установке резистором R15 напряжения, соответствующего току покоя ламп. Например, для тока покоя 60-мА на движке резистора должно быть 600мВ. Резистором R17 устанавливается диапазон отклонения тока покоя. Например, «окну» ± 4 мА соответствует напряжение 40 мВ на движке резистора R17.

После регулировок опорных напряжений они останутся стабильными и в ходе эксплуатации их не придётся проверять или корректировать. Только вовремя менять лампы

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: