РадиоКот >Схемы >Аудио >Усилители >

Теги статьи:

Усилитель на TDA7293. Часть 1

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 01.09.2022
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     Как известно, от сессии до сессии живут студенты весело… Но рано или поздно пора сессий всё же заканчивается и наступает финишная прямая, на которой студентов подстерегает дипломный проект. В данной статье будет описана одна из таких работ, закончившаяся создание законченного устройства.

     В качестве основы проекта нами был выбран набор для изготовления двухканального усилителя на базе TDA7293 [1]. Мной была доработана схемотехника итогового устройства, а монтажом и сборкой занимался непосредственно студент ОмАВИАТ – Кулаковский Максим.

     Итак, первая доработка непосредственно касалась источника питания данного усилителя – в схему был добавлен ВЧ фильтр питания, защитные цепи, а также блок индикации напряжения сети. Все эти узлы были выполнены на отдельной (от основного набора усилителя) плате. Схема электрическая принципиальная данных узлов показана на схеме ниже. Рассмотрим кратко принцип их работы.

     Напряжение сети, через сетевую вилку AS-207, тумблер S1, предохранитель FU1, защитную цепь терморезисторов R3-R6, высокочастотный фильтр поступает на первичную обмотку трансформатора Tr1 [3].

     Тумблер S1 необходим для включения и выключения напряжения питания усилителя.

     Предохранитель FU1 необходим для защиты усилителя от короткого замыкания в цепях усилителя.

     Защитная цепь, состоящая из терморезисторов R3-R6 необходима для защиты от броска тока при включении усилителя. Бросок тока происходит по причине того, что конденсаторы силовой части источника питания установлены относительно большой ёмкости. Разряженный конденсатор в момент подачи на него напряжения фактически представляет из себя цепь, замкнутую накоротко (согласно законам коммутации). В этот момент потребляемый ток будет ограничен только активным сопротивлением обмоток трансформатора Tr1, а также сопротивлением диодов моста после трансформатора. Кроме того, силовой трансформатор Tr1 обладает пусковым током, который может превышать номинальный ток потребления в несколько раз. Несмотря на кратковременность протекания переходных процессов данные процессы могут приводить к негативным последствиям вплоть до выхода отдельных элементов аппаратуры из строя.

     После прохождения переходных процессов благодаря току холостого хода трансформатора Tr1, а также току покоя усилителя происходит разогрев цепочки терморезисторов R3-R6, сопротивление данных резисторов падает, и они не участвуют в дальнейшей работе усилителя вплоть до его выключения.

     Цепочки R1-C1, R2-C2 – искрогасящие цепи. Данные цепи необходимы для гашения дуги, возникающей при включении и выключении тумблера S1 [5].

     Высокочастотный фильтр, состоящий из конденсаторов С4-С9 дросселей Др1, Др2, резистора R12 служит для подавления высокочастотных помех, попадающих в сетевые цепи со стороны сети (например, наводки от импульсных источников питания, искрения при срабатывании реле, коммутирующих индуктивную нагрузку и пр.).

     Варистор R13 необходим для гашения ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора Tr1 при выключении тумблера S1, а также для гашения коротких импульсов перенапряжения со стороны сети.

     Диодный мост VD1-VD4, конденсатор С3, резисторы R7 — R9, светодиод HL1 – индикатор напряжения питания. Данный индикатор работает в двух режимах. При подключении сетевой вилки, но отключённом тумблере S1 индикатор светится незначительно. Это связано с тем, что через конденсаторы С1, С2 искрогасящих цепей протекает незначительный переменный ток (около 1-3 мА). Данного тока достаточно для обеспечения слабого свечения светодиода HL1 через токоограничивающие резисторы R8-R9. При включении тумблера SA1 сетевое напряжение полноценно поступает на диодный мост VD1-VD4, выпрямляется, сглаживается емкостным фильтром С3 и через токоограничивающие резисторы R8-R9 поступает на светодиод HL1. В данном режиме светодиод HL1 светится ярко т.к. через него протекает значительно более высокий ток. Резистор R7 необходим для быстрой разрядки конденсатора С3 при выключении тумблера S1 и приведении индикатора в исходное состояние.

     Так как законченный усилитель собирался в деревянном корпусе было предусмотрено дополнительное принудительное охлаждение радиатора микросхем усилителя мощности. Вентилятор охлаждения М1 включается вручную тумблером S2 [2].

     Цепочки R10-C10, R11-C11 – искрогасящие цепи. Данные цепи необходимы для гашения дуги, возникающей при включении и выключении тумблера S2 [5].

     В дальнейшем планируется небольшая модернизация цепей управления вентилятором, а именно введение автоматического включения и выключения вентилятора в зависимости от температуры радиатора микросхем усилителя мощности (по термодатчику) с сохранением возможности принудительного ручного включения. Данный функционал достаточно просто реализуется при использовании на выходе термодатчика двухвходового логического элемента – логическое «ИЛИ». При этом на один вход подаётся напряжение с выхода термодатчика, а на второй через тумблер (или кнопку с фиксацией) уровень логической «1». С выхода данного логического элемента осуществляется управление реле, коммутирующим питание вентилятора.

     В подборке фото ниже показан внешний вид собранных узлов, описанных выше. По фото хорошо видно, что дроссели Др.1 и Др.2 были изготовлены самостоятельно. Параметры необходимого сердечника, а также количество витков можно рассчитать в программе Coil32 либо использовать дроссели, указанные на схеме (или им аналогичные с рабочим током, не менее потребляемого по цепи питания при максимальной нагрузке плюс 20-30% запаса для обеспечения надёжной работы) [4].

     Описанный выше ВЧ фильтр в реальности является минимально необходимым. Для полноценной фильтрации помех со стороны сети, а также обеспечения электромагнитной совместимости необходимо использовать более качественный ВЧ фильтр. Вариант такого фильтра показан на схеме ниже [6, 7].

     По схеме видно, что представленный фильтр отличается от исходного добавлением пары дополнительных LC-звеньев, а также ещё одного варистора на входе (после предохранителя). Именно в таком исполнении ВЧ фильтр может быть рекомендован для применения в качественной звуковоспроизводящей аппаратуре.

     С выхода (вторичных обмоток) понижающего трансформатора Tr1 напряжение питания поступает на диодный мост VDS1 силовой части источника питания, а также двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, реализованный на диодах VD1, VD2 (см. схему ниже).

     С выхода двухполупериодного выпрямителя со средней точкой выпрямленное напряжение поступает на вход стабилизатора напряжения, реализованного на микросхеме DA3. Напряжение стабилизации данного стабилизатора равно 12 вольт. С выхода данного стабилизатора осуществляется питание блока защиты усилителя.

     Конденсатор С11 – дополнительный фильтр напряжения питания.

     Конденсатор С10 – блокирующий конденсатор, необходимый для исключения самовозбуждения стабилизатора DA3.

     Резистор R6, светодиод HL1 – индикатор напряжения на выходе стабилизатора. Данный светодиод можно использовать в качестве индикатора напряжения сети, вынеся на заднюю (или переднюю) панель усилителя. По умолчанию светодиод устанавливается непосредственно на плату усилителя.

     С выхода диодного моста VDS1 выпрямленное напряжение поступает на вход емкостного фильтра, реализованного на конденсаторах С1 – С4. Непосредственно с данного фильтра осуществляется питание усилителя мощности напряжением питания +/- 32 Вольта относительно общего провода.

     С данного емкостного фильтра так же запитана пара стабилизаторов напряжения, реализованных на микросхемах DA1, DA2. Выходное напряжение данных стабилизаторов равно +/- 15 Вольт и служит для питания предварительного усилителя. Выходное напряжение задаётся соотношением резисторов R1, R2, а также R3, R4.

     Конденсаторы С5 — С8 – дополнительные емкостные фильтры опорного и выходного напряжений стабилизаторов соответственно.

     Работу усилителя рассмотрим на примере левого канала усилителя т.к. работа второго канала (правого) полностью идентична (см. схему ниже).

 

      Сигнал с выхода аудиоустройства, через входной разъём, регулятор громкости (на схеме не показан), разделительный конденсатор С1 и резистор R2 поступает на вход предварительного усилителя сигнала, выполненного на микросхеме DA1 по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления предварительного усилителя задаётся соотношением резисторов R3, R4 [8, 9].

     Предварительный усилитель способен работать в трёх режимах: непосредственно в качестве неинвертирующего усилителя, повторителя сигнала (буфера), усилителя постоянного тока (УПТ). Выбор режима работы осуществляется перемычкой на плате путём соединения средней контактной площадки с контактной площадкой «OS» или «CS».

     При отсутствии перемычки усилитель работает стандартно в качестве неинвертирующего усилителя переменного напряжения. При соединении средней контактной площадки с площадкой «OS» усилитель переходит в режим повторителя сигнала т.к. происходит замыкание резистора отрицательной обратной связи R4. В этом случае в усилителе устанавливается 100% отрицательная обратная связь (ООС), что соответствует повторителю сигнала. При соединении средней контактной площадки с площадкой «CS» усилитель работает в режиме УПТ т.е. он усиливает сигнал так же, как и стандартный неинвертирующий усилитель, но при этом имеет гальваническую (непосредственную) связь с выходным каскадом усиления (усилителем мощности).

     С выхода предварительного усилителя усиленный сигнал поступает на вход выходного каскада усиления (усилителя мощности), реализованного на микросхеме DA2. Усилитель мощности так же выполнен по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления задаётся соотношением резисторов R11, R13 [9, 10].

     Выводы 6 и 12 микросхемы совместно с конденсатором С8 позволяют организовать режим работы усилителя мощности со «следящим» напряжением питания. В данном режиме напряжение питания выходного каскада микросхемы DA2 будет изменяться пропорционально выходному напряжению, что повысит итоговый КПД. В применённом включении «следящее» напряжение питания не используется.

     Резисторы R5, R6, R8 конденсаторы С6, С9 диод VD1 необходимы для организации режима MUTE/STBY усилителя мощности. После подачи напряжения питания через резисторы R5, R6, R8 начинают заряжаться конденсаторы С6, С9. Так как постоянная времени R8*C9 меньше, чем постоянная времени (R5+R6)*C6 первым зарядится конденсатор С9 и на выводе 9 микросхемы установится высокий уровень (логическая «1»). В этот момент микросхема DA2 будет выведена из «спящего» режима. Следующим зарядится конденсатор С6 и на выводе 10 микросхемы так же установится высокий уровень (логическая «1»). В этот момент вход микросхемы (вывод 3) будет отключён от общего провода (вывода 4) и подключен физически к выводу «3» (внутри микросхемы). Данный подход позволяет исключить щелчки в акустической системе при включении усилителя, являющиеся следствием переходных процессов, за счёт небольшой задержки при включении и особого порядка выведения микросхемы из спящего режима [11].

     Резистор R9, конденсатор C10 – цепочка частотной коррекции усилителя. Данная цепочка необходима для предотвращения самовозбуждения усилителя за полосой усиливаемых частот.

     На микросхеме DA3, резисторах R12, R14, R15, конденсаторах С11, С12 реализована схема удержания «нуля» на выходе усилителя (по постоянному току). При появлении на выходе усилителя постоянного напряжения относительно общего провода данное напряжение через резистор R12 поступит на вход микросхемы DA3, будет усилено и подано через резистор R14 на инвертирующий вход усилителя DA2. Таким образом будет скомпенсирован уход напряжения на выходе усилителя (т.к. усилитель мощности является дифференциальным и фактически усиливает разницу напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом) [9, 12].

     Постоянными времени R12*C11, R15*C12, обеспечивается отстройка от переменной составляющей на выходе усилителя мощности. Это необходимо для нормальной работы схемы удержания «нуля» по постоянному току. В противном случае (без отстройки) схема будет реагировать на полезный сигнал (переменное напряжение) на выходе усилителя. Фактически усилитель DA3 включен по схеме интегрирующего усилителя.

     С выхода усилителя мощности (вывод 14 DA2) усиленный сигнал, через нормально разомкнутые контакты реле RL1 (RL1.2) блока защиты поступает на выходные клеммы усилителя.

     Блок защиты усилителя реализован на микросхеме DA4. Основное назначение – защита акустической системы (АС), подключенной к усилителю от постоянного напряжения на выходе усилителя опасной величины. Данное напряжение может появится в следствии неисправности усилителя мощности DA2.

     При появлении постоянного напряжения на выходе «14» микросхемы DA2 через резистор R10 начинает заряжаться конденсатор С13. Как следствие возрастает напряжение на выводе «2» микросхемы DA4. Как только напряжение достигнет порога переключения (уровня логической «1») на выводе «6» микросхемы DA4 исчезнет напряжение, близкое к напряжению питания. Данное напряжение будет снято с обмотки реле RL1 (RL1.1), реле отпустится, и АС будет отключена от выхода усилителя. Небольшая задержка отключения так же необходима для отстройки от полезного сигнала на выходе усилителя мощности (для исключения ложного срабатывания). Данное состояние будет сохраняться вплоть до выключения устройства, либо устранения постоянного напряжения на выходе усилителя мощности.

     Косвенной задачей, возложенной на блок защиты является устранение щелчков в АС при выключении усилителя. Реализуется это следующим образом: напряжение с однополупериодного выпрямителя источника питания (цепь «Защита») поступает на вывод «4» микросхемы. При подаче напряжения питания на источник питания на выводе «4» установится уровень логической «1». Через промежуток времени, заданный постоянной времени (R16*R17)*C14 на выходе «6» установится напряжение, близкое к напряжению питания, сработает реле RL1 и выход усилителя будет подключён к АС. При выключении напряжения питания источника питания практически мгновенно на выводе «4» установится уровень логического «0», реле «отпустится» и АС будет отключена от выхода усилителя. А так как постоянная времени силовой части источника питания значительно выше (там установлены конденсаторы ёмкостью 10 000 мкф), то переходные процессы начнутся уже после отключения АС от выхода усилителя и щелчка в АС удастся избежать [13, 14].

     Диод VD2 необходим для гашения ЭДС самоиндукции при коммутации обмотки реле RL1.

     Рассмотренные на последних двух схемах блоки фактически входят в исходный набор для сборки усилителя и собираются на заводской печатной плате [1]. Исходный комплект радиодеталей, поставляемых с набором, показан в подборке фото ниже. Так как чертёж печатной платы, поставляемый производителем вместе с набором, не совпадал с шелкографией на печатной плате и комплектом радиодеталей, было решено собирать усилитель согласно шелкографии – шелкография и набор радиодеталей полностью соответствовали друг другу. Полностью собранный набор двухканального усилителя так же показан в подборке фото ниже.

     Единственное изменение, внесённое в заводскую комплектацию данного набора – это замена разделительных конденсаторов между предварительным усилителем и усилителем мощности. Исходно с набором поставляются электролитические конденсаторы неудовлетворительного качества (по нашему мнению). В соответствии с этим разделительные конденсаторы были заменены на К53-1а ёмкость 4.7 мкФ и напряжением 20 Вольт. Данные конденсаторы были зашунтированы конденсаторами К73-17 ёмкостью 0.68 мкФ и размещены с обратной стороны печатной платы.

     После полной сборки набора и проверки правильности монтажа были проведены промежуточные испытания его работоспособности. В подборке видео ниже [15, 16] показана работа собранного набора при проведении испытаний. Не судите о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + акустика помещения со множеством эхо вносит свой вклад (по видео это прекрасно видно). Видео предназначены исключительно для демонстрационных целей.

     Убедившись в полной работоспособности набора, мы приступили к сборке усилителя в корпус.

     Исходное шасси усилителя выполнено из алюминиевого строительного уголка 25х15х2 мм [17]. В качестве основания шасси можно использовать рифлёный алюминиевый лист АМг2 [18] алюминиевый лист АМг2М [19] и им подобные. Стенки усилителя выполнены из шлифованной фанеры толщиной 6-8 мм., покрашенной в 3-4 слоя мебельным лаком V33 цвета «тёмный дуб» [20]. Перед покраской лак необходимо развести дистиллированной водой на 20-30%, хорошо перемешать и дать отстояться не менее суток – после этого лак готов к использованию (не разведённый лак слишком густой для подобной работы).

     В подборке фото ниже показан процесс сборки усилителя в корпусе. По фото видно, что отдельные платы усилителя закреплены на шасси при помощи приборных стоек. На задней стенке усилителя располагается вилка питания, тумблер питания, предохранитель и индикатор сети. В шасси усилителя были дополнительно сделаны вентиляционные отверстия под площадью радиатора, а также вокруг трансформатора для обеспечения надежного охлаждения. На нижней стенке корпуса под платой усилителя было вырезано вентиляционное окно и закрыто специализированной металлической решёткой [21]. В качестве ножек усилителя использованы металлические мебельные ручки [26].

     На передней стенке усилителя располагаются входные разъёмы, регулятор громкости, тумблер включения принудительного охлаждения усилителя, а также выходные клеммы правого и левого каналов усилителя.

     В качестве регулятора громкости использован спаренный переменный резистор сопротивлением 47 кОм (для одновременной регулировки громкости в левом и правом каналах), включённый потенциометром. При использовании в качестве регулятора громкости резистора с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота регулировка громкости будет осуществляться нелинейно. Это связано с тем, что фактически по переменному току между средним выводом регулятора громкости и общим проводом включён дополнительный резистор 2.2 кОм (см. схему ниже). С одной стороны от данного резистора зависит входное сопротивление усилителя, а с другой стороны он необходим для обеспечения пути протекания входного постоянного тока (особенно отчётливо преимущество низкого входного сопротивления видно при обрыве скользящего контакта регулятора громкости).

     Если через резистор R1 обозначить величину сопротивления между скользящим контактом переменного резистора и его верхним (по схеме) концом; через резистор R4 – сопротивление между скользящим контактом и нижним (по схеме) концом; через резистор R2 – суммарное сопротивление между скользящим контактом и общим проводом; через резистор R3 – сопротивление дополнительного резистора, то зависимость выходного напряжения регулятора громкости от угла поворота будет такой, как это показано на графиках ниже: слева – при увеличении громкости, справа – при уменьшении громкости (зависимости взаимно обратные). Варьируя сопротивлением переменного резистора, а также дополнительного резистора между входом усилителя и общим проводом можно в широких пределах изменять данную зависимость под собственные предпочтения (более подробно с особенностями восприятия звука, а в частности громкости можно ознакомиться в литературе [27, 28]).

     Далее на верхней стенке усилителя вырезается вентиляционное окно в середине передней половины стенки. Под данным окном закрепляется вентилятор принудительного охлаждения [2], а само окно закрывается металлической решеткой [21]. При работе вентилятор должен вытягивать воздух из корпуса наружу.

     Учитывая тот факт, что корпус по периметру получается практически герметичным после сборки (т.к. все стенки точно подогнаны) эффективный ток воздуха может осуществляться только через нижнее вентиляционное окно. Этим обеспечивается эффективное охлаждение радиатора микросхем усилителя мощности.

     К вопросу охлаждения можно подойти и по-другому, выполнив, например, заднюю стенку усилителя в виде цельного радиатора и несколько изменив внутреннюю компоновку. В этом случае, при достаточной площади радиатора принудительное охлаждение скорее всего уже не понадобится. Мы же сделали всё так, как это описано выше.

     После полной сборки стенок корпус по периметру был дополнительно декорирован тонким алюминиевым уголком, а на переднюю стенку были распечатаны и наклеены все необходимые информационные надписи.

     На видео ниже [22] показана работа вентилятора принудительного охлаждения, а так же работа усилителя при проведении испытаний после полной его сборки [23-25] . Не судите о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + акустика помещения со множеством эхо вносит свой вклад (по видео это прекрасно видно). Видео предназначены исключительно для демонстрационных целей.

     Если опираться на параметры использованных в усилителе мощности микросхем, то ожидаемая номинальная мощность усилителя с приемлемыми искажениями на нагрузке сопротивлением 4 Ом должна составлять около 2х70 Вт и 2х35 Вт при нагрузке сопротивлением 8 Ом. Но по результатам испытаний оказалось, что использованный радиатор маловат и для достижения указанной мощности его необходимо увеличить в 3-4 раза (в противном случае срабатывает тепловая защита микросхем). Исследование других характеристик усилителя на данный момент не производилось.

     А на этом на сегодня всё, с уважением Андрей Савченко, Кулаковский Максим.

 

Список использованной литературы

  1. Усилитель на TDA7293
  2. Вентилятор JA1238H2B0N-T. Технические характеристики
  3. Трансформатор ТТП-250. Технические характеристики
  4. Coil32
  5. Искрогасящие цепи
  6. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 1
  7. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 2
  8. Параметры микросхемы NE5534
  9. Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. – Москва: Бином, 2014. – 704 с.
  10. Параметры микросхемы TDA7293
  11. Режимы Mute и StandBy в микросхеме TDA7294 / TDA7293
  12. Параметры микросхемы OP07
  13. Параметры микросхемы UPC1237
  14. Защита АС на микросхеме uPC1237 (СА1237HA)
  15. Видео с испытаний усилителя
  16. Видео с испытаний усилителя
  17. Строительный уголок
  18. Лист алюминиевый рифлёный
  19. Лист алюминиевый
  20. Лак мебельный
  21. Решетка вентиляционная
  22. Видео с испытаний усилителя
  23. Видео с испытаний усилителя
  24. Видео с испытаний усилителя
  25. Видео с испытаний усилителя
  26. Мебельная ручка
  27. Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Учебник. — СПб.: Композитор, 2006. — 720 с.
  28. И. Алдошина. Основы психоакустики – подборка статей.

 



Все вопросы в Форум.