Устройство автомобильного усилителя
Часть 1. Преобразователь напряжения
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.
Преобразователь на плате усилителя CALCELL.
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 тут.
Продолжение следует.
Источник статьи: http://go-radio.ru/ustroystvo-avtomobilnogo-usilitelya.html
АВТОМОБИЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Здравствуйте! Хочу представить вашему вниманию схему, фотографии и печатные платы автомобильного усилителя. Схемы эти легко встретить в интернете. Итак, начнем по порядку. Давно появилась идея собрать усилитель для автомобиля, требования к усилителю были такими:
1. Хорошее качество звучания во всем диапазоне мощности.
2. Низкий коэффициент гармоник.
3. Ну и мощность не уступающая среднему диапазону цен на заводские автоусилители.
Первое что я начал собирать — это преобразователь напряжения с 12 в +- 40 вольт. Печатную плату решил сделать из цельного листа текстолита. Пользовался технологией ЛУТ. Печатную плату сделал под свои размеры. ШИМ собрал на отдельной плате. В эту схему добавил лишь дополнительную обмотку для питания защиты АС 24 вольта. Витков 8 проводом 0.8 мм.
Преобразователь напряжения с 12 в +- 40 вольт — схема
Далее диодный мостик для выпрямления, его сделал на 4-х диодах HER-307, далее фильтр из конденсатора 1000 мкф 50 вольт. С этой схемы вырезал лишь часть ее. То есть стабилизатор на +-15 вольт. Остальное остается как в схеме.
О намотке трансформатора
Для трансформатора использовал ферритовые кольца, российские, 40х25х11 2000НН склеенных вместе. Острые края феррита закруглил алмазным напильником. Затем обмотал малярным скотчем. Первичную обмотку трансформатора мотал проводом 0.8. Сложенных вместе 10 жил, 5 витков равномерно распределяя по всему кольцу. Далее разделено пополам. Вторичка мотается аналогично первичке. Тот-же провод 0.8 и 8 жил сложенных вместе. Количество витков 15 и затем разделено пополам. Напряжение на выходе получилось +-40 вольт, под нагрузкой напряжение село на 2 вольта в обеих плечах.
Теперь приступил к сборке усилителя мощности звука. Выбор пал на усилитель Лайков 6-й версии. В схеме ничего не изменял. Но немного столкнулся с трудностями. В этом усилителе нужно хорошо подбирать элементы для симметрии обеих плеч. То есть транзисторы конденсаторы резисторы. Ток покоя 150 мА.
Схема Лайкова 6
После впайки всех элементов делаем так:
1. R6 и R24 установить в средне положение.
2. Закоротить на землю вход усилителя на землю.
3. Отпаять выходные транзисторы.
4. Включить питание схемы.
5. Установить R 6 на выходе усилителя напряжение 0 в.
6. Замерить напряжение питания и +/- 15 В.
7. Установить на R29-R30 напряжение 0,55 В с помощью R24. (В 5м варианте на R11-R12 = 1В).
8. Отключить питание, подключить выходные транзисторы, включив в разрыв цепи коллектора VT10 амперметр на 1 А.
9. Включить питание и R24 установить ток покоя коллектора VT10 в пределах 100 – 150 мА.
10. Замерять ток покоя VT11, он не должен отличаться от тока VT10 более, чем на 5%.
11. Ток покоя выходных транзисторов может быть установлен в пределах от 40 до 200 мА, в зависимости от желаемого качества звучания, режима работы, тепловых режимов, размеров радиаторов. Установку тока покоя нужно производить при температуре выходных транзисторов 35-40 градусов.
12. Проконтролировать работу термокомпенсации, замерив токи покоя при максимальной температуре радиаторов выходных транзисторов.
Настройка окончена. Схема усилителя Лайкова 6 версии приведена ниже.
Защиту АС собирал по этой схеме
В настройке не нуждается если все собрано верно. Печатные платы будут находится в архиве. При испытаниях с усилителя снял с одного канала 98 ватт, далее он вошел в клиппинг. Как и заявил автор — чистые 100 ватт. Радиаторы использовал от компьютера, от сокета АМ 3+. Без кулеров чертовски греется, так как слишком маленькой площади радиаторы. Решено оставил кулера в работе — сейчас все теплое. Кулера запитал по схеме ШИМ регулятора на таймере NE555.
Далее приступил к сборке второго преобразователя для сабвуферного канала. Схема остается прежней. Есть небольшие изменения по намотке трансформатора. Кольца использовал все те-же, два склееных вместе. Первичка остается прежней. А вот вторичка другая, количество жил прежнее, но витков здесь уже не 15, а 21. На выходе преобразователя получилось +-70 вольт. Для ФНЧ намотал отдельную обмотку проводом 0.8 8 витков. Схема стабилизации остается как в схеме. Также есть еще одна обмотка для питания защиты АС, все аналогично как и в первом преобразователе для Лайкова.
Сам усилитель решил собрать по схеме Холтона
Схема принципиальная Холтона
Сборка начинается с установки резисторов, затем устанавливаются мощные резисторы, диоды, конденсаторы и малосигнальные транзисторы. Следует быть внимательным при установке полярных элементов. Неправильное подключение может привести к неработоспособности устройства или выходу одного, или более элементов, при включении схемы.
Завершив монтаж всех элементов, внимательно просмотрите модуль, все ли компоненты впаяны, правильно ли они установлены. Только когда Вы убедитесь, что всё сделано правильно и все детали стоят на своих местах, можно подключать питание.
С помощью крокодилов закрепите щупы прибора на выводах одного из мощных резисторов 0,22 Ом. Медленно вращая движок резистора P1, установите на резисторе 0,22 Ом 18 мВ, это и будет установка тока в 100 мА на один транзистор. Теперь проверьте напряжение на всех остальных резисторах, выберите один на котором напряжение наибольшее. Настройте резистором P1 на нем напряжение 18мВ.Теперь подключите сигнал генератор на вход и осциллограф на выход. Убедитесь в том, что форма сигнала свободна от искажений. Если у вас нет этих приборов, подключите нагрузку и на слух получайте хорошее качество. Звук должен быть чистым и динамичным. Защита АС аналогична первой. Питание 24 вольта от отдельной обмотки трансформатора.
ФНЧ собран по этой схеме:
Схема ФНЧ в автоусилитель
На печатную плату добавил лишь громкость для усилителя Лайкова. Далее приступил к сборке корпуса автоусилителя.
Использовал алюминиевые 20 на 20 мм уголки и фанеру 10 мм. Корпус отшлифован и оклеен черным кожзамом. Кулера закреплены на задней стенке корпуса.
ФНЧ будет закреплен на передней панели, там-же будут расположены силовые клеммы для питания этого агрегата. И клемы входа и выхода.
Верхняя крышка будет изготовлена из тонированного 4 мм стекла. Усилитель прошел испытания на прослушивания музыки. На колонках с 90 и сабвуфере JBL GT5 1200 ватт.
Бас напористый глубокий. Лайков весь потенциал не раскрыл, так как С90 не годится для сего агрегата. В общем я очень доволен звучанием такого усилителя. Особенно нравится очень сильный и приятный низ. С вами был Ivan Aleksandrov.
Форум по обсуждению материала АВТОМОБИЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Источник статьи: http://radioskot.ru/publ/avtomoto/avtomobilnyj_usilitel/23-1-0-658
Защита автомобильного усилителя схема
Токовая защита усилителя.
Автор:
Опубликовано 04.04.2006
Часть 1. Немного еретичной теории. Пролог.
Обычные схемы защиты усилителей работают на превышение выходного напряжения. Порог срабатывания защиты может выставляться либо по максимальной нагрузке, либо по номинальной, но с большой выдержкой (2. 5екунд). По сути, защита по напряжению неэффективна при работе усилителя на высокоомную нагрузку и не работает совсем при низкоомной нагрузке. Наибольший эффект работы схемы защиты по напряжению достигается только лишь при номинальной нагрузке.
Пример 1.
Усилитель с максимальной мощностью 100Вт на нагрузку 4Ом. Схема защиты рассчитывается на срабатывание при выходном напряжении 20В (P=U^2/R). Если же к усилителю подключить нагрузку 8Ом, схема защиты сработает только лишь при 50Вт, несмотря на то, что, как правило, выходная мощность усилителя на нагрузку вдвое выше сопротивлением составляет не 50% от мощности на номинал, а примерно 60-65% (то есть 100Вт/4Ом, но 60Вт/8Ом) Если же нагрузить усилитель на нагрузку 2Ом, мы получим перегрузку усилителя до срабатывания защиты. 100Вт на 2Ом достигается при выходном напряжении 14В. Если этот усилитель способен работать на двухомную нагрузку, то при срабатывании защиты мощность будет 20^2/2=200Вт, но это чревато выходом усилителя из строя, если он не рассчитан на такие условия работы.
Второй тип защиты — токовый — наиболее практичный в работе и обеспечивает работоспособность усилителя при любой нагрузке. Эта защита ограничивает выходной ток на уровне максимально допустимого тока при максимальной мощности и срабатывает как при номинальной нагрузке, так и при превышенной.
Пример 2.
Усилитель с максимальной мощностью 100Вт на нагрузку 4Ом. Максимальный выходной ток будет 5А (P=I^2*R). При работе на 4Ом защита сработает на мощности 100Вт, при 8Ом токовой перегрузки просто не будет, при 2Ом защита сработает на мощности 50Вт, то есть точно на момент перегрузки усилителя. Если же усилитель не рассчитан на двухомную нагрузку, то ни полной, ни превышенной мощности с усилителя снять не получится. Выход из строя усилителя маловероятен.
Элементы токовой защиты чаще всего подключаются в эмиттерные или истоковые цепи выходных транзисторов. При возникновении токовой перегрузки защита запирает выходные транзисторы, ограничивая выходной ток. Это достаточно эффективно и надежно, если усилитель выполнен на дискретных элементах, т.к. элементы защиты не подвержены нагреву от тепловыделяющих компонентов, и их рабочие режимы практически не меняются. Если же усилитель интегральный (микросхемный), то этих элементов либо нет, либо они подвержены общему нагреву вместе с кристаллом микросхемы, и стабилизация режимов работы этих элементов затруднена. Вполне возможно, что эти элементы настроены на срабатывание при максимально допустимых значениях выходного тока, когда микросхема работает на пределе. Этим, я думаю, можно объяснить частые выходы интегральных усилителей из строя, и, как следствие, распространившееся мнение об их ненадежности.
Эксперименты.
В качестве «подопытного кролика» была выбрана TDA7294. При ее эксплуатации в штатных режимах она достаточно устойчива в работе, терпит перегрузки и перегрев. Срабатывания термозащиты не наблюдалось ни у меня, и я думаю, ни у одного пользователя. Существуют спорные вопросы о достаточном напряжении питания — кто-то эксплуатирует ее от +/-30В, кто-то от +/-40В. Я не буду навязывать свое мнение; в экспериментах было выбрано напряжение +/-16,5В как достаточное для ее работы и далеко не предельное. Как следует из даташита, минимальная нагрузка на 7294 разрешена не ниже 4Ом. При этих параметрах и напряжении питания +/-16,5В с микросхемы можно получить не менее 25вт неискаженного сигнала и 35Вт сигнала с обрезанными верхами синусоиды, что и подтвердилось в ходе экспериментов (12,5вольт на 4Ом — 40Вт) К сожалению, в работе был использован не совсем настроенный генератор, поэтому форма сигнала не совсем синусоидальная.
 |  |
| Выходной сигнал без обрезки вершин сиусоиды.+/-16,5В питание, 1кГц сигнал, 4Ом эквивалент нагрузки, 5В/дел развертка | Обрезанные верхи.+/-16,5В питание, 1кГц сигнал, 4Ом эквивалент нагрузки, 5В/дел развертка |
А что оказалось?
Тест микросхемы на нагрузку 2Ом показал, что верхи синусоиды обрезаются при немного меньших уровнях сигнала. Это говорит о том, что микросхема держит почти прежний уровень сигнала, но на двойную нагрузку! В пересчете на мощность это примерно будет удвоенная мощность. А вот короткое замыкание выхода микросхемы привело к неожиданному результату — у 80ваттного блока питания сработала защита и он отключился! Выходит, что при коротком замыкании вся мощность источника питания рассеивается нигде иначе, как в самой микросхеме! А если блок питания на 200Вт? 300? Легко ли ей вывести эту мощность на теплоотводящий фланец и передать радиатору?
Обратимся к даташиту.
Тепловое сопротивление переход-корпус составляет 1,5С/Вт. Под переходом подразумевается кристалл микросхемы, рассеивающий тепло. Под корпусом подразумевается не совсем корпус, а теплоотводящий фланец микросхемы, на котором закреплен кристалл. Что значит это число? А значит оно то, что с каждым рассеиваемым ваттом мощности температура кристалла поднимается на 1,5С. В моем случае, 80Вт от блока питания приступили к выжиганию кристалла. Это ни много ни мало, как 120 градусов (1,5*80) разница между фланцем с теплым радиатором и кристаллом, который за доли секунды тут же нагрелся до 160 градусов. Сразу же возникает мысль — микросхема не смогла ограничить бросок тока, который привел к тепловыделению внутри микросхемы. Почему? Оставим это на совести изготовителя. Какая же должна быть температура фланца, чтобы обеспечить нормальную работу микросхемы? Температура кристалла ограничена 150С. 13-ый график даташита показывает, что при питании +30В и мощности 50-60Вт рассеиваемая мощность составляет примерно 50Вт. Тогда нам надо обеспечить такое охлаждение, чтобы фланец не нагревался выше, чем 150-50*1,5=75градусов. Конечно, такие условия возможны только на ровном сигнале, при музыке все будет немного холоднее. В примере, описанном выше, было наглядно показано, что работоспособность токовой защиты обязательна в любом усилителе для его надежной работы.
Часть 2. Практика
Поскольку внедрить защиту в существующий дискретный усилитель непросто, а в интегральный — вообще невозможно, напрашивается некий внешний блок, выполняющий ее функции. Рассмотрим примеры возможной реализации токовой защиты. Устройство коммутирует нагрузку и усилитель мощностью в пределах 100Вт.
Первый компаратор микросхемы IC2 следит за сопротивлением нагрузки, второй — за выходным током усилителя. При включении усилителя нагрузка вначале подключается к первому компаратору, который сравнивает падение напряжения на ней с опорным напряжением 0,1В. Порог срабатывания выбран 3Ом, чтобы исключить ложные срабатывания с разными акустическими системами. Соответственно, при сопротивлении нагрузки более 3Ом на выводе 3 напряжение больше, чем на выводе 2, компаратор переключается и реле подключает нагрузку к усилителю. Второй компаратор следит за током, протекающим с усилителя через нагрузку и токоизмерительный резистор R1. Как только ток превысит разрешенный, компаратор с некоторой задержкой (R11C3) с помощью транзистора Q2 переключает первый компаратор в режим замера сопротивления нагрузки с отключением ее от усилителя. Эта задержка растянута по значению тока через R1 — при пиках тока вплоть до разрешенного схема находится на пороге переключения, а чем выше бросок тока через R1, тем быстрее отключится нагрузка. Время подключения нагрузки обратно к усилителю задается номиналами R10C3 и находится в диапазоне 0,5:2с в зависимости от величины броска тока, вызвавшего срабатывание схемы. Светодиод, подключенный к разъему Х2, индицирует пики выходного сигнала. Эту функцию можно использовать как клип-детектор. Здесь возможна разная реализация схемы — либо триггерная защита (отключение до ручного сброса), либо защита с сигналом на снижение громкости. В варианте на рисунке выше схема циклично будет отключать/подключать нагрузку к усилителю, пока не снизится уровень выходного сигнала.
Посмотрим на несколько иной вариант реализации схемы:
Схема та же, только второму компаратору добавлена цепочка гистерезиса R15D3. При срабатывании он сам себя защелкивает до размыкания цепочки. ВременнАя задержка на отключение нагрузки отсутствует (отключается сразу), задержка на повторное включение нагрузки к усилителю после сброса сохранена. Схему с сигналом на снижение громкости не привожу, т.к. громкость снизить можно по-разному — через процессор звука или цифровой темброблок, просто активным уровнем или последовательностью импульсов, если регулятор громкости кнопочный. В зависимости от этого схема будет отличаться.
Внешний вид уже собранного устройства можно увидеть на фотке внизу.
Печатная плата для цикличной токовой защиты.
Монтаж и настройка.
Нзначение контактов разъемов:
| AMP+ | К выходу усилителя мощности |
| AMP- | Земля усилителя мощности |
| RL+ | Нагрузка (акустическая система) |
| RL- | Земля нагрузки |
| +15 | +15В 0,1А |
| 0V | Общий (земля) |
| -15 | -15В 0,1А |
| 1 | + светодиода |
| 2 | — светодиода |
Схема питается двуполярным напряжением +10. +15В током 100мА. В схеме использованы два 12вольтовых реле для коммутации нагрузки — их контактные группы включены параллельно, а обмотки — последовательно. Если имеется реле на 24В достаточным током коммутации (15-20А), можно использовать и его. Особой настройки схема не требует, но необходимо проверить работоспособность устройства во всех режимах.
При настройке проверяем наличие следующих напряжений (с отключенными усилителем и нагрузкой): +5В на третьем выводе IC1 +0,1В на втором или шестом выводе IC2 Далее подключаем резистор около 3 Ом (2,7. 3,3Ом) между корпусом и точкой соединения резисторов R7R8, мерим напряжение в этой точке. Если оно отличается от 0,1В, то подбором резистора R7 выставляем напряжение 0,1В. Теперь у нас схема будет реагировать на понижение нагрузки меньше настроенного. Отключим резистор и схему. Подключая к контактам RL+, RL — разъема U1 разные резисторы от 2 до 5Ом и включая питание, наблюдаем четкое срабатывание реле выше настроенного порога (3 Ом).
Настроим порог срабатывания по току.
Пример настройки. У нас есть усилитель 100Вт/4Ом. Считаем порог срабатывания по току — 5А. Резистор R1 по схеме — 0,22Ом. На токе 5А на нем падает напряжение 5*0,22=1,1В. Компаратор сравнивает это напряжение с опорным 0,1В, поэтому нам надо понизить 1,1Вольт в 11 раз (до 0,1В). Этим занимается делитель R2R3. На резисторе R3 должны выделиться наши 0,1В, поэтому всё остальное — 1В — выделится на резисторе R2. Поскольку на нем выделяется напряжение в 10 раз больше, то его сопротивление должно быть в 10раз больше R3, то есть 1кОм*10=10кОм. На схеме указаны номиналы резисторов R2R3 для усилителя 35Вт/4Ом. Более точную настройку можно сделать с помощью генератора и амперметра с вольтметром.
О замене элементов.
ОУ 4558 может быть от любого производителя — KA4558, NJM4558 и т.д. Транзисторы 2PC945 часто называются еще как 2SC945, можно ставить и их. С изменением цоколевки подойдут КТ3102, BC547 и др. Реле BS-115C-12V фирмы Bestar может быть аналогичным от фирм Omron, Tianbo и другие подходящие с напряжением обмотки 12В током 40-50мА на коммутацию токов до 10А.
Источник статьи: http://www.radiokot.ru/lab/analog/03/
