Автомобильный, двухканальный усилитель звуковой частоты

В этой статье рассмотрим и соберем конструкцию малогабаритного, двухканального, автомобильного усилителя звуковой частоты, который снабжен почти всеми необходимыми защитами и способен работать со штатными динамическими головками с сопротивлением 4 Ома.

Устройство относительно сложное, это не просто усилитель мощности, в состав комплекса входит и повышающий импульсный преобразователь напряжения, поэтому повторять советую лишь в том случае, если у вас имеется опыт работы с импульсными источниками питания, а также куча свободного времени, так как с учетом готовых решений на алиэкспресс и цен на них, делать самоделку в наше время не имеет никакого смысла я это знаю и признаю, но руками и мозгами работать нужно, иначе электроника как хобби умрёт навсегда.

Автомобильный, двухканальный усилитель звуковой частоты

Любой, более-менее мощный и качественный автомобильный усилитель имеет в своем составе преобразователь напряжения. Дело в том, что бортового напряжения 12 вольт недостаточно для получения большой мощности, к тому же многие усилители требуют двух полярного питания, преобразователь или инвертор, как раз таки повышает штатные 12 вольт до необходимого значения, в данном случае выходное напряжение 2-х полярное 14 вольт.

Схема также снабжена защитой от переполюсовки питания, которая построена на основе мощного полевого транзистора и не даст схеме сгореть, если вы случайно перепутали полярность подключения.

Имеется также функция ремонт-контроль, которая позволит запустить усилитель при включении автомагнитолы, то есть силовые провода усилителя не нужно каждый раз отключать, для включения и выключения системы достаточно падать слаботочные 12 вольт на точку REM.

Имеется также защита от повышенного и пониженного питающего напряжения с гистерезисом включения. Защита от повышенного напряжения сработает, если питающее напряжение выше где-то 17 вольт, например если вы по каким-то причинам сняли аккумулятор с заведённого автомобиля, бортовое напряжение увеличится, но с усилителем ничего не случится, просто сработает защита.

Защита от пониженного напряжения не даст усилителю разрядить ваш аккумулятор в хлам и отключит систему, если напряжение на аккумуляторе ниже 8.5 вольт. Эта защита также необходима для корректной работы инвертора, так как при низких напряжениях питания он будет работать вне штатном режиме, вследствие чего могут перегреться и выйти из строя силовые транзисторы.

Все защиты автоматически сбрасываются, если исключен фактор, который привёл к их срабатыванию. Кстати последние две защиты имеют гистерезис включения, что это и зачем она нужна поясню чуть позже.

Вся схема собраны на одной небольшой печатной плате, состоит из 4 узлов.

Входная часть с фильтром питания, предохранителем и узлом защиты от переполюсовки питания,

инвертор,

система защиты от повышенного и пониженного напряжения,

но и усилитель мощности.

В качестве усилителя мощности применены популярные микросхемы УНЧ класса «АВ» TDA2030.

Мощность у каждой такой микросхемы 15-20 ватт, кто-то скажет, что 20 ватт можно получить и с питанием 12 вольт без использования инвертора на практически любой микросхеме, которую внедряют в обычные автомагнитолы. Я отчасти с этим согласен, но есть один нюанс, при той же мощности наш вариант даёт гораздо меньше искажений, чем усилители которые в автомагнитолах, поэтому хрипов даже при максимальной громкости тут не будет, звук гораздо качественный, впрочем тот кто в теме знает о чем речь. К тому же не стал бы я заморачиваться с инвертором, если б не было разницы.

Но у класса «АВ» есть один существенный недостаток — нагрев, поэтому микросхемы устанавливают на радиатор, схема по которой собран усилитель — классическая, взята с даташита, практически без отклонений.

Питание усилителей 2-х полярное 14 вольт и оно формировано преобразователем напряжения.

Преобразователь напряжения или инвертор.

Классический, двухтактный преобразователь. Выходное напряжение не стабилизировано для питания усилителей, так даже лучше, обратная связь не будет вводить дополнительные помехи по питанию.

Построен инвертор на основе продвинутого шим контроллера SG3525, это обусловлено тем, что у данной микросхемы довольно мощный выходной каскад, которого хватит для толкового управления выбранных полевых ключей.

Важным моментом является то, что наш инвертор снабжен плавным пуском, выход шим контроллера нагружен полевыми ключами, которые управляют импульсным трансформатором. Выходное напряжение двух полярное, выпрямляется мостом, сглаживается и поступает на микросхемы УНЧ. Микросхема взгляд SG3525 имеет вывод защиты, это 10 контакт, если напряжение на этом выводе больше 2.5 вольт, то схема вырубится.

Защита от повышенного и пониженного напряжения построена на основе сдвоенного компаратора LM393.

На первом компараторе построена защиты от перенапряжений, в двух словах поясню, как это работает…

Опорное напряжение 5 вольт, которое формируется внутренним, опорным источником шим контроллера (вывод 16), через делитель напряжения R8,R7,R3 подается на прямой вход компаратора (3) инверсный вход компаратора (2) через делитель R6,R1 мониторит напряжение питания.

Если оно больше опорного, то на выходе компаратора устанавливается низкий уровень и сработает pnp транзистор (VT1). Плюс питания, через открытый транзистор, светодиод и ограничительный резистор (R9) поступит на вход защиты микросхемы шим (10 вывод) и инвертор вырубится. Это произойдет если питающее напряжение примерно 17,5 вольт.

В данной схеме имеется гистерезис включения, который составляет примерно 0,8 вольт, то есть инвертор не перезапустится, если питающее напряжение не будет на 0,8 вольта меньше напряжения при котором сработала защита. Это сделано для исключения ложного срабатывания защиты, если питающее напряжение нестабильно, либо имеются пульсации.

На втором компараторе построена защита от пониженного питающего напряжения,

работает точно таким же образом, как и первое. Тут также имеется гистерезис включения, сбрасываются защиты, как уже сказал автоматически. Имеются светодиодные индикаторы срабатывания защит.

Вы могли заметить, что в моем случае есть некоторый разброс напряжения срабатывания защит, это связано с тем, что многие из резисторов делителей я ставил обычное, с допуском 5%, но необходимо использовать стабильные и точные резисторы с точностью 1%

Еще одна защита бережет схему, если вы случайно перепутали полярность подключения аккумулятора, эта защита построены на основе полевого транзистора. Если полярность правильная на затворе транзистора будет положительное напряжение и тот откроется, всё питание на схему упадёт через открытый канал полевика.

У этого транзистора сопротивление открытого канала всего где-то 8 милиом и даже при большой мощности он практически будет холодным. Если же перепутана полярность питания, то ключик попросту не откроется и на схему ничего не поступит.

Внутри полевого ключа имеется диод,

если полярность правильная, диод открыт и кто-то наверняка скажет, а как же падение на диоде он же будет нагреваться, нет не будет, по нему протекает ничтожный ток, весь основной ток идёт по-открытому полевику.

Как вы могли заметить в данной схеме нет защиты от коротких замыканий, я хотел изначально сделать такую защиту и в качестве датчика использовать открытый канал полевого транзистора, но потом поленился и просто влепил обычный предохранитель.

О компонентах.

Входные электролиты нужны на 25 вольт, ёмкость от 1000 до 2200 микрофарад, очень желательно с низким внутренним сопротивлением.

Конденсаторы по питанию усилителя 35-вольтовые, ёмкость опять же от 1000 до 2200 микрофарад желательно с низким внутренним сопротивлением.

Диодные выпрямители у меня 3-х амперные, ультрабыстрые UF5408 с обратным напряжением в 1000 вольт,

но в этом особого смысла нет, можно взять диоды с обратным напряжением в 100, 200 вольт и с током желательно 3-х ампер. Они обязательно нужны импульсные, которые приспособлены работать на высоких частотах.

Панельки для беспаечного монтажа на которые установлены микросхемы, после наладочных работ убираются и микросхемы непосредственно впаивается на плату.

Трансформатор преобразователя тороидальной, ферритовый, проницаемость 2300, марка м97, хотя изначально планировал использовать советский магнитопровод марки м2000НМ.

Несмотря на крохотные размеры магнитопровода с него спокойно можно взять 150 ватт, но нам столько не нужно, 60 ватт полностью хватит для наших усилителей даже с учетом КПД класса «АВ», то есть запас по мощности огромный.

Мне часто пишут о том, что я не всегда указываю намоточные данные трансформатора. Дело в том, что я не вижу в этом особого смысла, так как сердечник трансформатора в вашем случае будет иным и мой расчёт будет неприменим к вашему трансформатору, к тому же рассчитать обмотки можно за пару минут применяя специализированные программы и приложения.

Трансформатор у меня рассчитан на выходное напряжение 2-х полярное 14 вольт, потолок для данных микросхем 2-х полярное 18.

И первичную, и вторичную обмотку мотал лицендратом для удобства намотки и минимизации влияния скин-эффекта, так как в конце рабочую частоту поднял довольно ощутимо.

Обмотки намотаны проводом 0,22 мм, первичная состоит из 45-параллельных жил, вторичная всего 20, количество витков указывать не вижу смысла по ранее указанным причинам.

Выходное напряжение не стабилизировано и по любому будет некоторое отклонение от программных значений. Силовые компоненты, полевые транзисторы и микросхемы УНЧ устанавливают на радиаторы, желательно через термопасту.

Ну и в обязательном порядке подложки всех компонентов изолируем от теплоотвода используя теплопроводящие прокладки и пластиковые втулки.

Алюминиевые уголки которые я использую в качестве радиаторов это чисто для опытов, радиаторы на самом деле нужны побольше.

Не забываем обильно залудить и армировать медными проводами все силовые линии, это как правило цепи питания.

Наладка…

Её делают по отдельности, в самом начале желательно собрать и испытать схему инвертора.

Для начала, до впаивания силового трансформатора и микросхем УНЧ, проверяют управляющие импульсы на затворах полевых ключей, там должен быть чистый меандр.

Я надеюсь понятно, что для запуска инвертора необходимо замкнуть точку REM с плюсом питания.

При подаче питающего напряжения длительность управляющих импульсов должна увеличиться не сразу, а плавно, что свидетельствует о корректной работе системы плавного пуска.

Изначально частота выходных импульсов у меня было в районе 20 килогерц, так как планировал использовать иной сердечник производства СССР, но под руки попался сердечник марки М97 с проницаемостью 2300, в итоге рабочую частоту микросхемы сделал в районе 94 килогерц. Частота выходных импульсов при этом будет около 47 килогерц.

Система управления потребляет ток не более 20 миллиампер, после проверки генератора впаиваем трансформатор, запускаем инвертор, проверяем ток покоя, у меня инвертор с установленным трансформатором потребляет не более 90 миллиампер, что является неплохим показателем. Ключи при этом естественно никак не нагреваются.

Далее устанавливаем трансик на место и проверяем напряжение на вторичной обмотке, оно будет больше расчетного, так как у нас отсутствует нагрузка в виде микросхем УНЧ, а также сам инвертор не стабилизирован.

Если всё работает спокойно, разряжаем электролиты после выпрямителя, ну а дальше впаиваем микросхемы УНЧ, лепим радиаторы, подаём на вход музыку и грузим усилители динамической головкой, остается только наслаждаться.

Замер выходной мощности делать не имеет смысла, так как зная напряжение питания и сопротивление нагрузки ожидать чего-то необычного не приходится. Это работает и работает как нужно, звук громкий, качество на уровне, гораздо лучше, чем звук от штатной автомагнитолы.