Весь преобразователь питания собран на небольшой печатной плате из фольгированного стелотекстолита, транзисторы и мощные диоды припаяны металлическими фланцами наружу - к ним прикручивается массивный алюминиевый радиатор. Его размеры зависят от нагрузки, подключенной к устройству.
На следующей фотографии показан вид со стороны монтажа. Разрисовка платы и схемы в Layout - на форуме.
В качестве выпрямительных диодов стоят диоды Шоттки. Данным девайсом раскачивал в автомобиле две STK4044, субъективная оценка - очень хорошо!
При выходном напряжении U=+-51В, для нормальной работы микросхем STK на холостом ходу, при P=max просадка порядка 1,5 Вольт на плечо. Думаю этот провал мало ощутим на слух, тем более что усилитель на максимуме вряд ли кто слушает постоянно. Плата разработана собственноручно,можно сказать на скорую руку, так что вы можете усовершенствовать её по желанию. В общем данный самодельный преобразователь для автомобильного УНЧ работает на 100% - рекомендую к повторению. Более подробно зависимость мощности от напряжения выхода и сопротивления динамика УМЗЧ, показана в таблице.
Ценители качественного и громкого звука в салоне автомобиля непременно столкнутся с необходимостью установки автомобильного усилителя. Каждый автолюбитель знает, что мощность электрической сети автомобиля равняется 12 Вольт, чего критически мало для того, чтобы при сопротивлении в 4 Ом выдавать действительно мощный звук, ведь некоторые массивные динамики рассчитаны на питание в несколько тысяч Ватт. В таких случаях в автомобиль дополнительно устанавливают усилитель мощности для того, чтобы преобразовать напряжение. При желании усилитель мощности может быть изготовлен своими руками, его схема достаточно проста. Единственная сложность может — это изготовить блок питания для автомобильного усилителя.
Строение блока питания
Блок питание — самая сложная деталь в усилителе, которая состоит из:
- генератора импульсов;
- полевых транзисторов IRFZ44N;
- диода VD1,
- ферритового кольца диаметром минимум в 2 сантиметра;
- дросселя L1;
Чаще именно из-за трудоемкости сборки блока многие любители качественного звука отказываются от самостоятельной сборки автомобильного усилителя. На самом деле, все не так сложно как может показаться изначально. Достаточно обладать минимальными знаниями или следовать инструкции.
Сердцем преобразователя условно называют электрогенератор импульсов. Самая простая формула его создания лежит на основе схемы TL494. Частота генерации может быть увеличена или уменьшена при помощи изменения номинальной мощности резистора R3.
Мышцы блока питания для усилителя представляют собой сдельные транзисторы типа IRFZ44N. В схеме можно использовать резисторы любого типа (за исключением R4, R9, R10). В блок питания можно включить резисторы любой номинальной мощности, в том числе и 0,125 Вт, 0,25 Ватт и включая 1 Вт и даже 0,5 Вт. Светодиод VD1 монтируется в схему с целью предотвращения вторичного подключения плюсовых каналов.
Изготовление блока питания для усилителя
Гидродроссель L1 нужно накрутить на ферритовое кольцо диаметром 2 см. Его можно заимствовать с компьютерного блока питания или просто купить. Для ферритового кольца диаметром 2 см необходимо сделать 12 витков удвоенной проволокой срезом равным 0,7 миллиметрам, которые следует равномерно распределить по всему периметру кольца. Данный гидродроссель подходит и для наматывания на ферритовый стержень диаметром 8-10 миллиметров и длиной в 2 3 сантиметра. Однозначно, наиболее сложный момент в изготовлении конвертера напряжения - правильная формовка трансформатора, так как именно от трансформатора зависит работоспособность всего блока питания. Оптимальным решением будет изготовить его при помощи ферритового кольца марки 2000NM объемом в 40* 25 * 11.
Рис. 1 моноплата автомобильного усилителя звука с раздельными преобразователями напряжения питания
Преобразователь напряжения в схеме блоков питания автомобильных усилителей , как и любой источник питания, имеет некоторое выходное сопротивление. При питании от общего источника между каналами многоканальных усилителей звука возникает взаимосвязь, которая тем больше, чем выше выходное сопротивление источника питания. Оно, обратно пропорционально мощности преобразователя.
Одной из составляющих выходного сопротивления блока питания становится и сопротивление питающих проводов. В моделях высокого класса для питания выходных каскадов усилителя мощности звука используют медные шины сечением 3...5 мм. Это наиболее простое решение проблем с питанием усилителя звука, улучшающее динамику и качество звучания.
Конечно, повысив мощность источника питания, взаимное влияние каналов можно уменьшить, но полностью исключить его нельзя. Если же использовать для каждого канала отдельный преобразователь, проблема снимается. Требования к отдельным источникам питания при этом можно заметно снизить. Обычно уровень переходного затухания автомобильных усилителей с общим блоком питания составляет для бюджетных моделей 40...55 дБ, для более дорогих - 50...65 дБ. Для автомобильных усилителей звука с раздельными блоками питания этот показатель превышает 70 дБ.
Преобразователи напряжения питания делятся на две группы - стабилизированные и нестабилизированные . Нестабилизированные заметно проще и дешевле, но им свойственны серьезные недостатки. На пиках мощности выходное напряжение преобразователя снижается, что приводит к увеличению искажений. Если увеличить мощность преобразователя, это снизит экономичность при малой выходной мощности. Поэтому нестабилизированные преобразователи применяются, как правило, в недорогих усилителях с суммарной мощностью каналов не более 100... 120 Вт. При более высокой выходной мощности усилителя предпочтение отдается стабилизированным преобразователям.
Как правило, блок питания смонтирован в одном корпусе с усилителем (на рис. 1 показана моноплата автомобильного усилителя звука с раздельными преобразователями напряжения питания), но в некоторых конструкциях он может быть выполнен в виде внешнего блока или отдельного модуля. Для включения автомобильного усилителя в рабочий режима усилителя используется управляющее напряжение от головного аппарата (вывод Remote). Потребляемый по этому выводу ток минимален - несколько миллиампер - и никак не связан с мощностью усилителя. В автомобильных усилителях обязательно используется защита от короткого замыкания нагрузки и от перегрева. В ряде случаев имеется также защита акустичеких систем от постоянного напряжения в случае выхода из строя выходного каскада усилителя. Эта часть схемы для современных автомобильных усилителей стала практически типовой и может отличаться незначительными изменениями.
Рис. 2 Схема стабилизированного блока питания автомобильного усилителя звука "Monacor НРВ 150"
В первых автомобильных усилителях в блоках питания использовались преобразователи напряжения, выполненные полностью на дискретных элементах. Пример такой схемы стабилизированного блока питания автомобильного усилителя звука "Monacor НРВ 150" (рис. 2). На схеме сохранена заводская нумерация элементов.
Задающий генератор выполнен на транзисторах VT106 и VT107 по схеме симметричного мультивибратора. Работой задающего генератора управляет ключ на транзисторе VT101. Транзисторы VT103, VT105 и VT102, VT104 - двухтактные буферные каскады, улучшающие форму импульсов задающего генератора. Выходной каскад выполнен на параллельно включенных биполярных транзисторах VT111, VT113 и VT110, VT112. Согласующие эмиттерные повторители на VT108 и VT109 питаются пониженным напряжением, снимаемым с части первичной обмотки трансформатора. Диоды VD106 - VD111 ограничивают степень насыщения выходных транзисторов. Для дополнительного ускорения закрывания этих транзисторов введены диоды VD104, VD105. Диоды VD102, VD103 обеспечивают плавный запуск преобразователя. С отдельной обмотки трансформатора напряжение, пропорциональное выходному, подается на выпрямитель (диод VD113, конденсатор С106). Это напряжение обеспечивает быстрое закрывание выходных транзисторов и способствует стабилизации выходного напряжения.
Недостаток биполярных транзисторов - высокое напряжение насыщения при большом токе. При токе 10... 15 А это напряжение достигает 1 В, что значительно снижает КПД преобразователя и его надежность. Частоту преобразования не удается сделать выше 25...30 кГц, в результате растут габариты трансформатора преобразователя и потери в нем.
Применение полевых транзисторов в блоке питания повышает надежность и экономичность. Частота преобразования во многих блоках превышает 100 кГц. Появление специализированных микросхем, содержащих на одном кристалле задающий генератор и цепи управления, значительно упростило конструкцию блоков питания для мощных автомобильных усилителей.
Рис. 3 Упрощенная схема нестабилизированного преобразователя напряжения питания автомобильного усилителя "Jensen"
Упрощенная схема нестабилизированного преобразователя напряжения питания четырехканального автомобильного усилителя "Jensen" приведена на рис. 3 (нумерация элементов на схеме условная).
Задающий генератор преобразователя напряжения собран на микросхеме KIA494P или TL494 (отечественный аналог - КР1114ЕУ4). Цепи защиты на схеме не показаны. В выходном каскаде, помимо указанных на схеме типов приборов, можно использовать мощные полевые транзисторы IRF150, IRFP044 и IRFP054 или отечественные КП812В, КП850. В конструкции использованы отдельные диодные сборки с общим анодом и с общим катодом, смонтированные через изолирующие теплопроводящие прокладки на общем теплоотводе вместе с выходными транзисторами усилителя.
Трансформатор можно намотать на ферритовом кольце типоразмера К42х28х10 или К42х25х11 с магнитной проницаемостью μ э =2000. Первичная обмотка намотана жгутом из восьми проводов диаметром 1,2 мм, вторичная - жгутом из четырех проводов диаметром 1 мм. После намотки каждый из жгутов разделен на две равные части, и начало одной половины обмотки соединено с концом другой. Первичная обмотка содержит 2x7 витков, вторичная - 2x15 витков, равномерно распределенных по кольцу.
Дроссель L1 намотан на ферритовом стержне диаметром 16 мм и содержит 10 витков эмалированного провода диаметром 2 мм. Дроссели L2, L3 намотаны на ферритовых стержнях диаметром 10 мм и содержат по 10 витков провода диаметром 1 мм. Длина каждого стержня 20 мм.
Подобная схема блоков питания с незначительными изменениями используется в автомобильных усилителях с суммарной выходной мощностью до 100... 120 Вт. Варьируются число пар выходных транзисторов, параметры трансформатора и устройство цепей защиты. В преобразователях напряжения более мощных усилителей вводят обратную связь по выходному напряжению, увеличивают число выходных транзисторов.
Для равномерного распределения нагрузки и уменьшения влияния разброса параметров транзисторов в трансформаторе токи мощных транзисторов распределяют на несколько первичных обмоток. Например, в преобразователе блока питания автомобильного усилителя "Lanzar 5.200" использовано 20! мощных полевых транзисторов, по 10 в каждом плече. Повышающий трансформатор содержит 5 первичных обмоток. К каждой из них подключено по 4 транзистора (параллельно по два в плече). Для лучшей фильтрации высокочастотных помех возле транзисторов установлены индивидуальные конденсаторы сглаживающего фильтра суммарной емкостью 22000 мкФ. Выводы обмоток трансформатора подключены непосредственно к транзисторам, без использования печатных проводников.
Поскольку автомобильным усилителям звука приходится работать в очень тяжелом температурном режиме, для обеспечения надежной работы в некоторых конструкциях используются встроенные вентиляторы охлаждения, продувающие воздух через каналы теплоотвода. Управление вентиляторами осуществляется с помощью термодатчика. Встречаются устройства как с дискретным управлением ("включен-выключен"), так и с плавной регулировкой скорости вращения вентилятора.
Наряду с этим, во всех усилителях используется термозащита блоков. Чаще всего она реализуется на основе термистора и компаратора. Иногда применяют стандартные компараторы в интегральном исполнении, но в этой роли чаще всего используют обычные микросхемы операционных усилителей ОУ. Пример схемы устройства термозащиты используемой в уже рассмотренном четырехканальном автомобильном усилителе "Jensen" приведен на рис. 4. На схеме, нумерация деталей условная.
Термистор R t 1 имеет тепловой контакт с корпусом усилителя вблизи выходных транзисторов. Напряжение с термистора подано на инвертирующий вход ОУ. Резисторы R1 - R3 вместе с термистором образуют мост, конденсатор С1 предотвращает ложные срабатывания защиты. При длине проводов, которыми термистор подключен к плате, около 20 см уровень наводок от блока питания достаточно велик. Через резистор R4 осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ, превращающая ОУ в пороговый элемент с гистерезисом. При нагреве корпуса до 100 °С сопротивление термистора снижается до 25 кОм, компаратор срабатывает и высоким уровнем напряжения на выходе блокирует работу преобразователя.
Выходные транзисторы усилителя и ключевые транзисторы преобразователя питания чаще всего применяют в пластиковых корпусах, ТО-220. К теплоотводу их крепят либо винтами, либо пружинными клипсами. У транзисторов в металлических корпусах теплоотвод несколько лучше, но поскольку устанавливать их нужно через специальные теплоотводящие прокладки, монтаж их намного сложнее, поэтому используют их в автоусилителях значительно редко, только в самых дорогих моделях.
Несмотря на всё многообразие автомобильных усилителей их схемотехника схожа. Давайте узнаем, как устроен рядовой усилитель для авто.
Начнём с блока питания или инвертора. Дело в том, что сам усилитель питается от бортового аккумулятора 12V. А усилительная часть требует двухполярного напряжения ±25 вольт, а иногда и больше.
На печатной плате усилителя обнаружить преобразователь не сложно, его выдаёт тороидальный трансформатор и куча электролитов.
А это уже усилитель Lanzar VIBE. Преобразователь занимает половину печатной платы.
В большинстве случаев преобразователь строится на базе микросхемы ШИ-контроллера TL494CN , которую легко обнаружить в блоках питания AT от ПК .
В мои руки попали несколько автоусилителей китайской сборки (CALCELL, Lanzar VIBE, Supra, Fusion). Во всех этих усилителях применялась схема преобразователя весьма похожая на ту, что опубликована в журнале "Радио" ("Трёхканальный УМЗЧ для автомобиля", автор В. Горев, №8 от 2005 года, стр. 19-21). Вот данная схема.
Отличие данной схемы от тех, что применяются в промышленных образцах автоусилителей - это другая элементная база, а также применение одного вторичного выпрямителя (здесь их два). В серийных образцах также отсутствуют компенсационные дроссели (2L2 - 2L3 , 2L4 - 2L5 ) и, соответственно, электролиты 2С9, 2С10, 2С13, 2С14. От всей этой цепи остаются только ёмкие электролитические конденсаторы на 3300 - 4700 мкФ (35 - 50V) на выходе преобразователя (2С11 , 2С12 ). На входе преобразователя для фильтрации помех от бортовой сети устанавливается П-образный фильтр (LC-фильтр + ёмкостной фильтр). Он состоит из дросселя на ферритовом кольце (2L1 ) и двух электролитических конденсаторов (на схеме - 2С8 , 2С21 ). Иногда, чтобы увеличить общую ёмкость конденсаторов, ставят несколько конденсаторов и соединяют их параллельно. Конденсаторы выбираются на рабочее напряжение 25V (реже 35V) и ёмкостью от 2200 мкФ.
Кроме этого в промышленных схемах цепи перевода из дежурного режима в рабочий выполнены на базе маломощных транзисторов. В приведённой же схеме для включения усилителя используется обычное электромагнитное реле на 12V.
В усилителях CALCELL, Lanzar VIBE, Supra в цепях обвязки микросхемы TL494CN установлена цепь из нескольких биполярных транзисторов. При подаче +12 на клемму REM (Remote - "управление") происходит запуск преобразователя - усилитель включается.
Схема инвертора - двухтактный преобразователь. В качестве ключевых транзисторов используются полевые N-канальные MOSFET транзисторы (например, IRFZ44N - аналог STP55NF06, STP75NF75) Также могут применяться и более мощные аналоги IRFZ46 - IRFZ48. Чтобы увеличить мощность преобразователя в каждом плече устанавливается по 2, а иногда и по 3 MOSFET-транзистора, а стоки их соединяются.
Благодаря этому через транзисторы можно прокачать значительный импульсный ток. Нагрузкой стоков полевых транзисторов являются 2 обмотки импульсного трансформатора. Он тороидальный, то есть в виде кольца с обмотками провода довольно большого сечения.
Так как с импульсного тороидального трансформатора напряжение снимается импульсное, то его нужно выпрямить. Для этих целей служат два сдвоенных диода. Один имеет общий катод (MURF1020CT , FMQ22S ), а другой общий анод (MURF1020N , FMQ22R ). Диоды эти непростые, а быстрые (Fast), рассчитанные на прямой ток от 10 ампер.
В результате на выходе получаем двухполярное напряжение ±25 - 27V, которое требуется для "раскачки" мощных выходных транзисторов усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ).
О важных мелочах. Чтобы отремонтировать автоусилитель в домашних условиях, необходим блок питания на 12V и ток несколько ампер. Я использую либо компьютерный блок питания или блок 12V(8А) , который приобрёл для светодиодной ленты. О том, как подключить автомобильный усилитель дома читайте .
Продолжение следует...
Когда-то звуковые усилители (УНЧ) были большими, с кучей ламп, огромными радиаторами для транзисторов, тяжелыми трансформаторами в БП. Но жизнь не стоит на месте. Теперь компактные микросхемы с цифровыми УНЧ заменили ламповых и транзисторных динозавров почти во всех устройствах широкого потребления. Можно без особых усилий сконструировать компактный усилитель, например на чипе PAM8610. Для питания использовался блок питания из обзора.
УНЧ на PAM8610 существует в нескольких вариантах, стоит совсем недорого. Купить можно например тут - . Было решено использовать готовую плату с регулятором громкости и распаянными разъемами. Существует еще ультрабютжетный вариант. Его обозревали тут на сайте - . Почему именно этот усилитель - цена и очень хорошие впечатления от младших моделей PAM8403/PAM8406: , .
Посмотрим, как проявит себя старшая модель усилителя.
Характеристики модуля:
Питание 7-15 В, рекомендуемое 12 В
Мощность до 10 Вт на канал при сопротивлении нагрузки 8 Ом
Защита от КЗ, перегрева
КПД усилителя до 90 %
Судя по описанию, отличные характеристики для такого малыша.
Фото:
Флюс немного не до конца отмыт.
Подключение динамиков никак не обозначено. Опытном путем и по аналогичной немного другой плате выяснено:
Штекер питания - центр "+", вокруг - "-"
Микросхема под радиатором у этого варианта усилителя - это хорошо. Перемычки на плате - одна временно откл звук (mute), вторая не знаю.
Для питания конструкции было решено использовать БП из ссылки в начале обзора. Это БП очень подробно обозревался . Блок питания хорошо работает в предельных режимах, компактный и недорогой. Теоретический можно получить с этим блоком питания суммарную мощность около 12 Ватт на два канала. Или реальных около 5 Ватт на канал. Меня данный блок питания и мощность УНЧ устраивали. Для большего усиления микросхемы при использовании источника сигнала в виде сотового телефона или ЦАП-а необходимо использовать предварительное усиление перед микросхемой, что мне делать не хотелось. Да и мощности в 5 Ватт на канал для моих целей достаточно. Но мы все равно протестируем микросхему УНЧ и БП в разных режимах и на нагрузке разного сопротивления.
Блок питания:
Для тестирования нагрузки используем мощные резисторы 4 Ома, 6 Ом, 8 Ом на 100 Ватт:
Купить их можно тут
Подключаем все модули и резисторы.
Проводим измерения.
Напряжение питания усилителя 12 В, на вход подается сигнал в 1000 Гц от звукового генератора. Мощность рассчитывается квадрат напряжения на выходе одного канала усилителя (измерения вольтметром переменного тока) при подключенной нагрузки делится сопротивление нагрузки
Первая группа тестов
Обычный источник (телефон или ЦАП (DAC)). Uвх=0.15 В. Тестирование проводилось на БП из обзора, без предварительного усиления. Во всех случаях защита от перегрева на микросхеме и по току на БП не срабатывала.
У меня колонки сопротивлением 4 Ома - первая строчка - мой режим использования усилителя.
Вторая группа тестов
Отключение БП из обзора по защите по току. Увеличиваем Uвх до срабатывания защиты на БП. Этот режим возможен при использовании предварительно усилителя (например, ) перед усилителем из обзора 
Третья группа тестов
Предельный режим. Используется лабораторный БП. Тесты завершаются, если микросхема усилителя отключается от перегрева (температура микросхемы в этом случае больше 100 градусов Цельсия). В реальности для реализации этого режима необходим более мощный БП (12 В 2 А например) и предварительное усиление сигнала.
Думаю большую мощность, чем заявлена, удалось получить с помощью радиатора на микросхеме УНЧ.
Тесты могут пригодиться, если вы собираетесь использовать эту микросхему УНЧ для своего усилителя или сделаете мощную портативную колонку с предусилителем и мощным аккумулятором.
Температура на радиатор чипа. Радиатор тут - это хорошо. А ведь есть варианты этой платы и без радиатора.
Температура на резисторах:
Если тут при 9 Ваттах такая температура, то что же будет при тестировании 100 ваттного усилка?
Тест на синусоиду. На вход подаем синусоиду 1000 Гц и смотрим осциллографом, что имеем на выходе усилителя.
18+ Читателям с неустойчивой психикой не смотреть
Вход усилителя:
Выход при очень маленькой громкости:
Средний уровень громкости:
Синусоида на максимуме. Чип УНЧ на грани отключения от перегрева.
Я удивился результатам - у младших PAM8403/PAM8406 на выходе с синусоидой все ок. Может перепутал что-то при измерения. Полез в инет и нашел видеообзор подобной микросхемы - . Правда там товаришь не подключал к выходу нагрузку и без предусилка тесты проводил (не вывел микросхему на предельные режимы).
После завершения тестов решил все облагородить. Компоненты для сборки:
Роутер используется как . Прошил аналогично обзору. Так же был сделан переключатель типа тумблер на обычный линейный вход.
Корпус куплен оффлайн за 400 руб - самый дешевый по отношения цена-размер-качество.
Получилось так:
Первоначально был установлен DC-преобразватель 12->5 В на основе ШИМ контроллера. Но пришлось установить второй блок питания на 5 В по двум причинам:
1. Помехи. Убрал земляные петли, но какие-то помехи (возможно от преобразователя) остались.
2. В случае перегруза БП отключается по защите - роутер перегружается и это не хорошо - долго он перегружается.
Итог:
Моя мини Hi-Fi система:
Для моих задач (озвучить ванную и коридор) мощности БП и качества звука от УНЧ вполне хватает.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Планирую купить +35 Добавить в избранное Обзор понравился +25 +59
