Усилитель мощности на TDA7294

Усилитель мощности на TDA7294

Не знаю, заинтересует ли сейчас кого-то эта поделка из 2008 года, но пусть лежит на этом сайте. Для истории. Это первая моя электронная самоделка, процесс изготовления которой я догадался снять на фото.

Я не фанат «тёплого лампового звука», сигнальных проводов из бескислородной меди и конусных опор для сетевых проводов. Слух мой совсем не музыкальный, поэтому меня устраивают старые советские колонки 35АС-xxx. Суховский усилитель высокой верности, сделанный в студенческие годы, пропал (отдельная история, но не по теме сайта), а иногда послушать Queen-ство какое-нибудь хотелось (за компанию с соседями), поэтому вполне логично, что появилось желание по-быстрому сделать что-то непритязательное ему на замену.

Раз по-быстрому, значит на микросхемах. Тут не принципиально, что деталей меньше (это экономия всего-то нескольких часов при изготовлении платы и монтаже), важнее то, что на микросхеме собрал — и он сразу работает с гарантированными даташитом параметрами, никаких настроек не требуется. ОК, с элементной базой решено. А какая будет общая концепция медиацентра? Можно красивый, плоский, сразу с блэкджеком и шлюхами коммутатором входов, MP3, DVD, FM, ДУ, эквалайзером и т.д. Но не нужно. Всё сразу — это сложно и долго. А плоский корпус = импульсный питатель, что не очень хорошо для УМ. Лучше сделать два модуля: сначала — усилитель мощности (быстро), а потом — всё остальное (вдумчиво и основательно). В этом случае усилитель мощности не имеет никаких органов управления, и держать его на видном месте нет необходимости. Пускай стоит в шкафу на полке. Тогда он должен всего лишь вписываться по высоте в габариты полки, что даёт возможность использовать удобный, большой корпус, разместить нормальный трансформатор. Единственная особенность — включаться он должен автоматически, по команде с медиацентра или при появлении на входе звукового сигнала.

Всё, план созрел, берёмся за дело.

С выбором микросхемы заморачиваться не пришлось, т.к доступны были только TDA7294 (про Али в то время я еще не в курсе был), поэтому в Стэлл’е (Витебский магазин поставщик радиодеталей) были куплены эти усилители и электролиты на 10000 мкФ. Остальное — что под ногами валялось.

А под ногами валялся, в первую очередь, хороший силовой трансформатор. Правда, напряжение он давал на 10 вольт больше, чем хотелось бы (после выпрямителя получалось 45В, а по даташиту для микросхемы предельно допустимое 50В, максимальное рабочее 40В, рекомендуемое 35В). Сделан транс добротно, но без расчёта на разборку, так что отмотать витки можно, но жалко «шкурку портить». И тут я вспомнил какую-то статью, в которой оценивали необходимость применения стабилизатора напряжения для питания выходных каскадов усилителя. И сделали вывод, что качество звука повышается, но затраты возрастают настолько, что для промышленных устройств это невыгодно. Порылся в Интернете (модем на 56 кБод, вот времена были…), нашел подтверждение с подробным анализом, и решил делать стабилизатор: во-первых, у меня не промышленное устройство и детали бесплатные, во-вторых, любопытно поэкспериментировать, в-третьих, напряжение будет идеальным без перемотки транса. В общем, одни плюсы. Спроектировал. Угу. Блок питания получился больше, чем усилитель. Хотя, собственно, в чём проблема? В квартире поместится, и ладно:

На фото видно, что сделан из разного хлама: радиаторы от процессоров intel P2, транзисторы, реле и прочее — от старых мониторов, блок питания дежурного режима — от древней аналоговой камеры наблюдения. Схема простая: 4 независимых компенсационных стабилизатора, узел плавного заряда конденсаторов — вот, собственно, и всё. Стабилизаторы без защиты от кз и перегрузки, это позволило уменьшить выходное сопротивление блока питания, что важно для усилителя мощности (имеет значение на пиках нагрузки).

Схема усилителя мало чем отличается от рекомендованной даташитом:

Для усилителя важнее разводка печатной платы. Тем более, что микросхема склонна к возбуждению на частотах порядка 100 кГц, да ещё иногда только при определённой амплитуде полезного сигнала, что вообще бывает очень сложно отловить. Кроме того, так как у меня разводка второго канала получается поворотом на 180 градусов трассировки первого, нарисовалась потенциальная проблема: вход одного канала находится недалеко от выхода другого, что может приводить к наводкам. Поэтому над каждой дорожкой много думал (иногда с калькулятором), а потом изготовленная плата была тщательно проверена на все возможные косяки (носил в Витебский гос. университет им. Машерова, там на кафедре физики приборы неплохие. Огромное спасибо за содействие Данилову Геннадию Викторовичу, к сожалению, его уже нет с нами…). Результатом остался доволен. Нет, компоновка и трассировка, конечно не идеальные, но приемлемые (например, С10 слишком близко к радиатору, с размерами дросселя на R7 немного не угадал).

Смонтированная конструкция выглядит так:

Радиаторы, естественно, от процессоров (какие-то Athlon’ы были). Рёбра тоненькие и плотно расположены, то есть, естественный обдув никакой. Фактически, отдача тепла таким радиатором при естественной конвекции, примерно, как если бы он был из сплошного бруска алюминия, то есть, рёбер как бы и нет вовсе. Впрочем, при небольшой выходной мощности (как показала практика, до 20 Вт) этого достаточно (напомню, микросхема работает в режиме АВ, и максимум рассеиваемой мощности приходится где-то на 35 Вт при моём напряжении питания). Ну а для большей мощности у нас есть вентиляторы.

Для раскачки усилителя на полную мощность на вход надо подать сигнал около 0.5В. Однако встречаются источники, у которых выходное напряжение не превышает 150 мВ. Чтобы сделать усилитель универсальным, решил добавить регулируемый предусилитель на малошумящем ОУ NE5532 (кстати, рекомендую микросхему, для качественного аудио — самое то, и недорого). При работе от источника с достаточным напряжением, предусилитель отключается переключателем на плате (конечно, искажения и шумы от NE5532 мизерные, но если есть возможность их совсем исключить, то почему бы это не сделать?). Заодно на этой же плате собран усилитель / детектор сигнала для узла автоматики.

Немного почесав репу, решил добавить еще и узел защиты колонок. Но вводить дополнительное реле в цепь выходного сигнала не стал, решил обойтись отключением выходных каскадов и питания. Да, в конденсаторах достаточно энергии, чтобы спалить динамик даже при отключенном питании, но всё же: аварийная ситуация может возникнуть при: 1) аварии в блоке питания, или 2) отказе усилителя (пробой транзистора выходного каскада, другие отказы не критичны). В случае (1) отключение выходных каскадов (сигналом stand-by, а заодно и mute) спасает (да и своих средств защиты в микросхеме хватает). В случае (2) обычно конденсаторы разряжаются через микросхему (с красивыми спецэффектами). Так что, считаю, что реле здесь излишне. Для работы системы защиты собрал детектор аварийной ситуации, который выдает на контроллер сигнал аварии при перекосе питающих напряжений или появлении на выходе усилителя постоянной составляющей напряжения. На этой же плате разместил датчики температуры радиаторов.

В итоге к основной плате добавилось два довеска:

В сборе это примерно так выглядит (это предварительная сборка, ещё провода не припаяны, терморезисторы без прокладок и не прижаты к радиаторам):

А вот вид компоновки усилителя (в точности так, как он будет потом установлен в корпусе, все расстояния соответствуют):

 

В таком виде паяем силовые провода (так удобнее, чем потом в корпусе это делать). На фото видно, что на платах установлены разъёмы. Они используются только в цепях управления и слаботочного питания. Особое внимание уделено разводке «земли»: разделение цифровой, сильноточной и слабосигнальной «земель», отсутствие петель, разделение каналов, соединение «земли» всех узлов только в одной точке («Мекке»).

Пришло время заняться корпусом. Обтрясаем пыль со старого корпуса от системника (естественно, не первый попавшийся, ширина системников разная, все платы проектировались именно под этот):

И начинаем его резать:

Сверлим и прорезаем отверстия, и сгибаем где надо. При этом разболталось крепление передней части (она крепилась алюминиевыми заклёпками), пришлось совсем оторвать (потом закрепил винтами):

Нарезаем внешние части корпуса:

Смотрим, как всё это стыкуется между собой:

От передней пластмассовой части корпуса отрезал верх и низ, и склеил их между собой. Шов виден, если знать что он есть. Но вид не портит.

Моем, обезжириваем, красим (загрунтовать не помешает, на заводское покрытие краска и так хорошо ложится, а вот на голый металл в местах распилов — не всегда). Краска — самая дешевая из баллончиков.

После окончательной сборки получаем такую конструкцию:

В качестве управляющего контроллера использован ATTiny2313:

Устройство имеет три режима: «выключено», «включено» и «автомат» (выбирается одной кнопкой). С первыми двумя всё понятно, в последнем режиме при появлении на входе звукового сигнала (порог программируется), усилитель включается, при отсутствии сигнала в течение 15 минут, усилитель переводится в режим stand-by, а еще через 15 минут выключается. При включении сначала подаётся питание, затем, после окончания заряда конденсаторов, включаются выходные каскады усилителей, затем разблокируются входные каскады. Выключение в обратном порядке (при аварии сразу выключается всё). Контроллер измеряет температуру радиаторов и ступенчато регулирует обороты вентиляторов (три ступени, коммутацией резисторов, без ШИМ — нам лишние помехи ни к чему). Пороги программируются, по умолчанию до 40 градусов вентиляторы вообще выключены. При появлении сигнала аварии от узла защиты или аварийном перегреве усилитель выключается. При незначительном перегреве переводится в stand-by, если не помогло — через три минуты выключается. При перегрузке по входу блокируются входные каскады. Все пороги всех систем хранятся в EEPROM и могут корректироваться по I2C (также по I2C можно управлять режимом работы, например, «умный дом» может отключать звук при срабатывании таймера на кухне, дверного звонка или городского телефона, хотя эта функция в будущем будет перенесена на медиацентр, если я его сделаю. Там можно будет приглушать звук, а не вырубать его полностью). Так как в ATTiny2313 нет интегрированного АЦП, пришлось добавить несколько внешних компонентов для получения АЦП прямого преобразования. Первый АЦП (сравнительно высокой точности) используется для измерения напряжения на выходе детектора звукового сигнала (запускается счетчик, на один вход компаратора подается сигнал с детектора, на второй — линейно нарастающее напряжение с конденсатора, заряжаемого от источника стабильно тока, когда напряжение «пилы» станет больше входного, счетчик останавливается), второй АЦП, более грубый, измеряет сопротивление терморезисторов, установленных на радиаторах, работает по схожему принципу (запускается счетчик, конденсатор заряжается через терморезистор, при достижении порога переключения входа с «0» на «1», счетчик останавливается). К сожалению, активная работа других узлов контроллера приводит к небольшой нестабильности порогов срабатывания (производитель рекомендует на время измерений компаратором исключить активность на всех остальных портах контроллера, но в данном случае сделать это не получилось). Для устранения возникающей ошибки используется усреднение по принципу экспоненциального скользящего среднего.


Что получилось в итоге? Вполне приличный усилитель. Знакомые хвалят. Соседи — ну, не знаю, может, и ругают. Влияние стабилизатора на качество скорее всего есть, но не доказано. Эксперимент проводился следующим образом: усилитель подключался к колонкам (8 Ом) в актовом зале. Что за колонки — не знаю, помню, в названии была цифра 150, предполагаю, это мощность (размер соответствует). Звук подавали с проигрывателя мини-дисков. Поднимали громкость, пока не появлялись заметные на слух искажения, затем продолжали поднимать, пока искажения не становились совсем противными. Затем подключали другой блок питания и делали то же самое. Повторили 2 раза, пытаясь уловить момент, чтобы «хрюкало вот так же, как тогда». Вывод: на малой и средней громкости разницы нет. На большой — при стабилизированном питании искажения появляются на большей выходной мощности, и по мере дальнейшего увеличения мощности растут не так быстро, как без стабилизатора. Затем то же самое проверили осциллографом на эквиваленте нагрузки (кружку воды вскипятили), результат подтвердился. Почему же тогда я выше написал, что влияние не доказано? Дело в том, что трансформаторы были разные. Блок со стабилизатором питается от отличного тора на 300 Вт, а без стабилизатора использовался убогий транс от лампового цветного телевизора на 280 Вт, с хрен знает как скомбинированными обмотками, чтобы получить такое же напряжение, как и в варианте со стабилизатором (и достаточное сечение проводов обмоток). Вроде бы и тот, и другой обеспечивают питание с достаточным запасом (проверяли каналы по одному), но всё же, эксперимент не чистый. Я через пару лет после этого эксперимента пытался использовать транс от советского лампового ч/б телека в своей конструкции. Это просто ужас. Железо работает с индукцией 1.75 Тл! Гудит, ток хх бешеный, на выходе синусоиды и близко не видно. Пришлось первичку перематывать, мощность получилась 120Вт вместо паспортных 180Вт. Так что теперь я уже сомневаюсь, а не был ли тот результат следствием плохого трансформатора? А может быть, тот транс был нормальный? ХЗ.

Оставьте комментарий