Mirley - Elektronika i Programowanie

Prezentowany tutaj wzmacniacz pracuje w standardzie 2+1 (stereo + subwoofer). Oparty jest o popularne układy scalone z serii TDA20X0. W projekcie modelowym pracuje TDA2050 co daje moc wyjściową około 30W na kanał przy impedancji obciążenia równej 4R i zasilaniu +/-22V. Układ nadaje się do współpracy z dowolnym źródłem sygnału, takim jak odtwarzacz mp3 bądź komputer, gdyż został wyposażony w stereofoniczny przedwzmacniacz z regulacją barwy dźwięku. Sygnał trafiający na subwoofer jest dodatkowo kształtowany za pomocą dolnoprzepustowego filtru aktywnego drugiego rzędu. Składowe sygnału powyżej 200Hz są obcinane po czym sygnał trafia na wzmacniacz mocy. Układ może być zasilany napięciem symetrycznym nie większym niż +/-25V (górna granica zasilania zależy od tego czy jako wzmacniacz mocy będzie pracował TDA2030, TDA2040 czy TDA2050).

Projekt został opublikowany w Elektronice dla Wszystkich 12/2011 i jest dostępny w postaci kitu AVT2995

Działanie:

Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku poniżej:

Sygnał wejściowy podawany jest na złącze InP (kanał prawy, w kanale lewym jest to złącze InL) trafia prosto na filtr górnoprzepustowy CR złożony z C1 (1uF) oraz R1 (100k). Wartości tych elementów zapewniają częstotliwość graniczną tego filtru na poziomie rzędu 1,5Hz co skutecznie wycina składową stałą i najniższe częstotliwości. Dalej sygnał trafia na wzmacniacz nieodwracający U3A (NE5532) a elementy R6 (10k) i R11 (4,7k) zapewniają wzmocnienie sygnału na poziomie rzędu 1,5 (1+4,7k/10k). Kondensator C6 zapobiega wzbudzeniom, natomiast C2 (1uF) separuje wstępny wzmacniacz U3A od układu regulacji tonów zbudowanego na wzmacniaczu U4A (NE5532). Regulacja tonów zbudowana jest w sposób klasyczny, elementy modyfikujące charakterystykę znajdują się w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza U4A. Gdy suwaki obu potencjometrów znajdują się w położeniu centralnym to impedancja X1 między wejściem sygnału a wejściem odwracającym wzmacniacza U4A jest równa impedancji X2 między wyjściem wzmacniacza U4A a jego wejściem odwracającym. W efekcie wzmocnienie A wyrażone:

$$\large A = - \frac{X2}{X1}$$

jest równe -1 dla całego zakresu częstotliwości pracy układu. Posiada on zatem płaską charakterystykę przenoszenia (nie powoduje osłabienia ani wzmocnienia żadnej częstotliwości sygnału). Na impedancję X1 składają się kondensatory C17 (4,7nF), C20 (33nF) oraz rezystor R7 (10k), "połowa" potencjometrów P1A (100k), P2A (100k) i elementów R8 (10k) i R13 (3,3k). Impedancję X2 stanowią kondensatory C18 (4,7nF), C21 (33nF), rezystor R9 (10k), "połowa" potencjometrów P1A, P2A i elementów R8 i R13. Pomocą w zrozumieniu może okazać się rysunek poniżej:

Gdy którykolwiek z suwaków potencjometrów P1A lub P2A zostanie przestawiony ze swojego położenia środkowego spowoduje to zmianę wartości X1 oraz X2, a tym samym wartość wzmocnienia A staje się różna od -1 i zaczyna zależeć od częstotliwości. Należy zwrócić w tym miejscu uwagę, iż wartości X1 oraz X2 zawsze zależą od częstotliwości, więc wzmocnienie A jest stałe tylko w przypadku X1=X2 o którym była mowa wcześniej.

Potencjometr P1A odpowiedzialny jest za regulację tonów niskich. Dla dużych częstotliwości sygnału kondensatory C20 i C21 stanowią zwarcie (3 końcówki potencjometru zwierane są do siebie przez zależną od częstotliwości impedancję), więc regulacja potencjometrem nie daje żadnego efektu dla tych częstotliwości. Potencjometr P2A pozwala na regulację wysokich tonów, a dzięki kondensatorom C17 i C18 nie ma on wpływu na regulację basu. Dla niskich częstotliwości kondensatory C17 i C18 stanowią rozwarcie przez co potencjometr zostaje odłączony od układu i jego wpływ na regulację staje się nieistotny.

Sygnał z wyjścia regulatora tonów trafia za pomocą R12 (4,7k) na potencjometr do regulacji głośności P3A (100k) i dalej na kolejny stopień wzmacniający na układzie U5A (NE5532). Elementy R14 (15k) i R15 (33k) konfigurują U5A do pracy w roli wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu około -2 (-33k/15k). Z wyjścia U5A sygnał poprzez filtr R17 (100R), C3 (1uF) i R4 (100k) trafia na wejście wzmacniacza mocy.

Drugi kanał przedwzmacniacza stereofonicznego (lewy) działa analogicznie, elementy bierne w nim występujące oznaczone zostały dodatkowo literą "a", a potencjometry i wzmacniacze operacyjne posiadają oznaczenie "B".

Dodatkowym podukładem w przedwzmacniaczu jest sumator i aktywny filtr dolnoprzepustowy zbudowany przy pomocy wzmacniacza operacyjnego U6 (NE5532). Wykształtowany w tej części obwodu sygnał wykorzystywany jest po odpowiednim wzmocnieniu do napędzania subwoofera. Sygnał z obu wyjść przedwzmacniacza trafia za pośrednictwem C22-C23 (220nF) i R2-R3 (100k) na wejście odwracające U6A. Potencjometr P4 (220k) umożliwia regulację wzmocnienia w odniesieniu do głównego poziomu głośności sterowanej za pomocą P3. P4, R2 i R3 wraz z układem U6A tworzą razem wzmacniacz sumujący o wzmocnieniu regulowanym w zakresie 0-2,2. Drugi wzmacniacz operacyjny (U6B) umożliwił zbudowanie filtru aktywnego dolnoprzepustowego w konfiguracji Sallen-Key'a. Wartości elementów są tak dobrane, że układ pracuje jako filtr Butterworth'a drugiego rzędu o częstotliwości granicznej w okolicach 200Hz. Sygnał z wyjścia filtru poprzez obwód C24 (220nF), R5 (100k) trafia na wejście wzmacniacza mocy.

Cały wzmacniacz zasilany jest napięciem symetrycznym o wartości w granicach 17-25V. Napięcie zasilania dla wzmacniaczy operacyjnych uzyskiwane jest za pomocą stabilizatorów U1 (78L15/L12) i U2 (79L15/L12) i filtrowane za pomocą pojemności C4-C5 (100uF) i C7-C8 (47uF). Dodatkowo zasilanie każdego z czterech wzmacniaczy operacyjnych wygładzane jest za pomocą kondensatorów C9-C16 (100nF). Po dwa kondensatory leżące blisko każdego ze wzmacniaczy.

Wzmacniacz mocy zbudowany jest w oparciu o układ U7 (TDA2050). Jest to bardzo popularny monolityczny wzmacniacz audio pracujący w klasie AB. Przy całkowitych zniekształceniach harmonicznych na poziomie 0,5% pozwala on osiągnąć moc rzędu 30W na obciążeniu 4R. Kondensator C8 (1uF) odcina składową stałą sygnału i jednocześnie stanowi filtr górnoprzepustowy na wejściu. R20 (22k) ustala rezystancję wejściową wzmacniacza mocy. W sprzężeniu zwrotnym pracują rezystory R21 (680R) i R22 (22k) zmiana ich stosunku powoduje zmianę wzmocnienia, przy czym zmniejszenie R22 lub zwiększenie R21 powoduje redukcję wzmocnienia. W karcie katalogowej układu TDA2050 producent zastrzega iż wzmocnienie powinno być zawsze większe niż 24dB. Kondensator C29 (22uF) odcina składową stałą na wejściu odwracającym wzmacniacza. Rezystor R19 (2,2R) oraz kondensator C32 (470nF) zapobiega wzbudzaniu się wzmacniacza. Zasilanie końcówki mocy filtrują kondensatory C26-C27 (2200uF) i C30-C31 (100nF). Pozostałe dwa kanały działają analogicznie a elementy w nich użyte zostały oznaczone dodatkowo literą "b" oraz "c".

Budowa:

Układ z powodzeniem można zbudować w oparciu o płytkę drukowaną dostępną tutaj. Rysunek w odbiciu lustrzanym dostępny jest tutaj. Pomocą w konstrukcji wzmacniacza będzie rysunek montażowy dostępny tutaj. W pierwszej kolejności dobrze jest wlutować wszystkie zworki. Zwracając uwagę na fakt iż zworki zasilania końcówek mocy powinny być wykonane grubszym drutem. W dalszej kolejności można przystąpić do lutowania rezystorów. Wszystkie są typowe o mocy 0.25W i montowane w pozycji leżącej. Dalej mocujemy na płytce podstawki pod wzmacniacze operacyjne i lutujemy kondensatory stałe. Na samym końcu umieszczamy na płytce stabilizatory napięcia, kondensatory elektrolityczne i potencjometry. Przy zakupie potencjometrów należy zwrócić uwagę na długość ich ośki, gdyż wlutowane w płytkę muszą wystawać poza nią na długość umożliwiającą poprawne zamontowanie w obudowie. Przy montażu potencjometrów należy zwrócić uwagę aby były one w jednej linii ze względów estetycznych. Metalowe obudowy potencjometrów należy podłączyć do masy za pomocą odcinków przewodów. Powoduje to ekranowanie potencjometrów a tym samym zmniejszy zakłócenia i przydźwięk sieciowy przy dotykaniu pokrętła potencjometru.

Co do końcówek mocy montaż należy rozpocząć od elementów najmniejszych, rezystorów i kondensatorów stałych. Na samym końcu trzeba wlutować układy scalone U7 i kondensatory elektrolityczne filtrujące zasilanie. Wszystkie TDA250 mogą być przykręcone do wspólnego radiatora, jednak będzie na nim potencjał ujemnej szyny zasilania. Aby tego uniknąć koniecznym będzie zastosowanie podkładek izolacyjnych. W przeciwnym wypadku należy uważać aby nie zewrzeć radiatora do ewentualnej metalowej obudowy wzmacniacza. W miejsce złącz głośnikowych należy wlutować przewody bezpośrednio w płytkę. Można to zrobić od strony druku lub elementów w zależności od tego gdzie będą leżeć złącza głośnikowe i jak będzie łatwiej ominąć przewodami radiator. W roli złącza zasilającego także najlepiej sprawdzą się przewody wlutowane w płytkę.

Układ wzmacniacza najlepiej zasilać z zasilacza symetrycznego niestabilizowanego złożonego z transformatora o mocy około 120W i napięciu 2x16V, mostka prostowniczego i dwóch kondensatorów filtrujących, zgodnie z rysunkiem poniżej:

W pierwszej fazie uruchomienia dobrze jest nie wkładać w podstawki wzmacniaczy operacyjnych i po włączeniu zasilania sprawdzić czy na każdej z podstawek występują poprawne napięcia zasilania. Potem przystępujemy do uruchomienia całości. Potencjometr głośności powinien być skręcony na minimum (maksymalnie w lewo) a na wejście należy podać sygnał z odtwarzacza mp3, radia, komputera itp. Wzmacniacz dobrze pracuje zarówno z głośnikami (kolumnami głośnikowymi) o impedancji 4R jak i 8R.

W roli końcówek mocy w projekcie modelowym pracują układy TDA2050. Porównując jednak karty katalogowe układów TDA2030, TDA2040 i TDA2050 można dostrzec, iż schematy aplikacyjne wszystkich tych kostek są prawie takie same. W projekcie można więc użyć dowolnego z tych układów w zależności od potrzeb, zapewniając sobie moc wyjściową odpowiednio 14W, 20W lub 30W na kanał. W przypadku zamiany na TDA2030 (14W) należy wlutować R19a o wartości 1R i kondensator C32a o pojemności 220nF, pozostałe elementy bez zmian. Gdy chcemy zastosować TDA2040 (20W) to R19a powinien mieć wartość 4.7R, a kondensator C32a pojemność równą 100nF. W pozostałych dwóch kanałach należy dokonać takiej samej zmiany elementów. Nie zawsze wszystkie końcówki mocy muszą być jednakowe. Można zamontować słabsze układy w roli wzmacniacza stereo, a silniejszy wzmacniacz do subwoofera. Pozwoli to podbić jeszcze bardziej najniższe częstotliwości. Należy jeszcze zwrócić uwagę na istotny fakt odnośnie zasilania końcówek mocy. Wymiana układu TDA na inny pociąga za sobą ograniczenie w wysokości napięcia zasilania. Dla TDA2030 maksymalne napięcie pracy to +/-18V a dla TDA2040 będzie to +/-20V.

Stabilizatory napięcia U1 i U2 dostarczają symetrycznego napięcia zasilania na poziomie +/-15V. Można z powodzeniem zastosować tutaj stabilizatory na napięcie 12V lub nawet 9V. Nie spowoduje to zmian w działaniu przedwzmacniacza. Taki zabieg będzie konieczny w przypadku gdy chcemy zasilać wzmacniacz niższym napięciem niż około +/-18V. Stabilizatory 7815 i 7915 mogą nie chcieć pracować dobrze z małym spadkiem napięcia.

Częstotliwość graniczną filtru do subwoofera można dostosować do swoich potrzeb korzystając z dostępnego w sieci oprogramowania i zmieniając wartości elementów w odpowiedni sposób. Można też wykorzystać ogólnie znane wzory na wartości rezystancji przy założonych wartościach pojemności dla filtru o charakterystyce Butterworth'a i konfiguracji Sallen-Key'a.

Wykaz Elementów:

2x Listwa Goldpin 1x2 (InL)
2x 1k
3x 2,2R
2x 3,3k
4x 4,7k
8x 10k
2x 15k
6x 22k
2x 33k
1x 68k
2x 100R
7x 100k
1x 150k
3x 680R
3x Potencjometr Obrotowy 100k
1x Potencjometr Obrotowy 220k
6x 1uF MKT
5x 4,7nF MKT
2x 10pF
1x 22nF MKT
4x 33nF MKT
14x 100nF
3x 220nF MKT
3x 470nF MKT
3x 1uF Elektrolit
3x 22uF Elektrolit
2x 47uF Elektrolit
2x 100uF Elektrolit
6x 2200uF Elektrolit
1x Stabilizator 78L15
1x Stabilizator 79L15
3x Wzmacniacz TDA2050
4x Wzmacniacz Operacyjny NE5532

Zdjęcia Projektu:

Załącznik	Wielkość
Schemat	35.61 KB
Płytka	46.3 KB
Płytka (odbicie lustrzane)	46.45 KB
Płytka (2 na stronie)	89.63 KB
Montowanie (strona elementów)	52.84 KB
Opis (strona elementów)	46.9 KB
Soldermaska	33.29 KB