Звук - статьи


УМЗЧ ВВ с микроконтроллерной системой управления - часть 29



Конденсаторы фильтра размещены под шасси (рис. 20) и закрыты поддоном. Там же размещена плата сетевых реле, а также сетевой выключатель. Конденсаторы впаяны в небольшие печатные платы, которые попарно скреплены между собой другими платами. Почти вся площадь фольги на платах используется для параллельного соединения конденсаторов. В качестве выводов блока конденсаторов служат пустотелые заклепки, установленные в отверстиях платы. Таким образом, блоки конденсаторов имеют три входных и три выходных вывода.

Плата реле (ее принципиальная схема приведена на рис. 12) установлена снизу шасси на резьбовых стойках (рис. 20). На этой плате установлены плавкие предохранители, которые в целях безопасности закрыты прозрачной крышкой. Силовые выводы платы выполнены в виде винтовых клеммников. Сигналы управления реле подаются с платы дежурного источника питания через многоконтактный разъем.



Рис. 20. Плата реле и конденсаторы фильтра.

Параллельно задней панели на специальном кронштейне из листовой стали установлена плата дежурного источника питания (17 на рис. 18). На этом же кронштейне закреплен дежурный трансформатор 16, который помещен в экран. Под платой на кронштейне закреплен радиатор 18, на котором установлены микросхемы интегральных стабилизаторов источников питания +5 В и +12 В.

В усилителе есть цепи, ток в которых достигает 20А, поэтому топология межсоединений является весьма критичной. Требования традиционны: провода должны быть как можно короче, для сильноточных цепей их сечение должно быть достаточно большим, прямой и обратный проводники сильноточных цепей желательно выполнять в виде витой пары, что уменьшает индуктивность этих цепей. В первую очередь данные замечания относятся к земляным проводникам. Поскольку в усилителе имеются сильноточные аналоговые, слаботочные аналоговые, а также цифровые схемы, топология земляных проводников является довольно сложной (рис. 21):



Рис. 21. Топология земляных проводников:


1 - основные трансформаторы 5 - дежурный источник питания
2 - конденсаторы фильтра 6 - плата процессора
3 - основные платы 7 - плата дисплея
4 - схемы защиты


При расположении основных плат на радиаторах, точки соединения земляных проводников (точки «звезды» на платах) у двух каналов удалены друг от друга. Несмотря на то, что левый и правый каналы усилителя имеют полностью раздельные источники питания, точки земли каналов должны быть всегда (даже при отключенных входных кабелях) приблизительно эквипотенциальными для нормальной работы системы защиты. Поэтому земли каналов соединены между собой в одной точке на шасси. При подключенных входных кабелях через их общий провод (и источник сигнала) земли входных разъемов оказываются соединенными друг с другом. При этом образуется виток, который пронизывают, в частности, силовые линии магнитного поля рассеяния основных трансформаторов. В петле наводится ЭДС, которая приводит к падению напряжения на всех участках земляной цепи. Часть этого падения прикладывается ко входам усилителя, что ухудшает отношение сигнал/фон. Для предотвращения этого явления в проводники, соединяющие земли каналов с шасси, введены небольшие резисторы (R3 и R4 на рис. 13). Эти резисторы ограничивают ток в витке на достаточно малом уровне, чтобы уровень фона стал намного ниже уровня собственных шумов УМ.

В данном усилителе конденсаторы фильтра несколько удалены от основных плат. При этом между платами усилителя и конденсаторами фильтра источника питания появляются провода. Их индуктивность приводит к росту импеданса источника питания на высоких частотах. Чтобы скомпенсировать этот рост, на основных платах усилителя необходимо установить блокировочные конденсаторы емкостью 100 - 200 мкФ по цепям питания. На схеме основной платы усилителя (рис. 5) эти конденсаторы обозначены как C16 и C17. Следует обратить особое внимание на расположение проводов, подводящих питание к основным платам. Они должны быть как можно короче, еще они должны образовывать контур как можно меньшей площади. Эти предосторожности связаны с тем, что по проводам, подводящим питание, протекает ток негармонической формы. Действительно, ввиду того, что схема усилителя является двухтактной, потребление от источников ведется в разных полупериодах усиливаемого сигнала. Наводки от цепей питания на цепи усилителя может привести к росту коэффициента гармоник. Причем возможны наводки не только на входные, но и на выходные цепи усилителя. Наиболее неблагоприятны наводки на ту часть выходной цепи, которая находится после точки снятия сигнала обратной связи, так как в этом случае «наведенные» искажения обратной связью уменьшены не будут. Топология основных плат усилителя разработана таким образом, что входные цепи (входной сигнал и сигнал ООС), а также выходные цепи максимально удалены от цепей питания.

Передняя панель усилителя (6 на рис. 18) имеет коробчатое сечение. Несущая плита 5 передней панели изготовлена из сплава Д-16Т и имеет толщину 3 мм. Внешняя накладка панели изготовлена из листового полистирола толщиной 2.5 мм. Поверхность накладки (как и поверхность верхней крышки усилителя и задней панели) покрыта самоклеющейся пленкой ORACAL черного цвета с матовой поверхностью. Надписи сделаны по технологии GERBER-EDGE в виде небольших наклеек. Поскольку высота аппарата получается большой, а органов управления на передней панели относительно мало, из дизайнерских соображений передняя накладка панели разбита на две части – нижнюю и верхнюю (рис. 1, рис. 2, рис. 22). Обеим частям придана выпуклая форма. Верхней - за счет изгиба листа полистирола, форму которого поддерживают 4 лонжерона из полистирола толщиной 8 мм, установленных внутри панели; нижней - за счет обработки листа полистирола по толщине. Нижний торец передней панели имеет сложную форму, он выполнен методом «кусочно-линейной аппроксимации» полосками полистирола с последующей обработкой стыков. Склейка полистироловых деталей производилась клеем, приготовленном на основе толуола и полистироловых опилок.

Внутри передней панели в ее верхней части установлена плата процессора, а в нижней части - плата дисплея. Все органы управления и индикации размещены в нижней части. Чертеж передней панели показан на рис. 22:



Рис. 22. Чертеж передней панели усилителя.

Кнопки изготовлены из черного листового полистирола и подвешены на упругих полистироловых полосках. Напротив светодиодов в накладке проделаны отверстия диаметром 2мм, в которые запрессованы световоды – цилиндрики, изготовленные из молочного оргстекла. Световоды обеспечивают высокую равномерность свечения и угол обзора, близкий к 180°. Стекло дисплея также несколько выпуклое с внешней стороны, под ним установлена маска из черной пластмассы, в которой проделаны отверстия для индикаторов и транспарантов. Транспаранты напечатаны на прозрачной пленке с помощью струйного принтера. Сзади транспорантов помещена матовая пленка, которая хорошо рассеивает свет. За ней установлены светодиоды. Под общим стеклом расположен интегральный фотоприемник дистанционного управления. Для него в маске проделано квадратное отверстие. Все светодиоды, микропереключатели кнопок,  фотоприемник, цифровые индикаторы и микросхемы для их управления установлены на общей плате дисплея. Исключение составляет кнопка полного отключения питания, которая через длинный толкатель связана с выключателем, установленным снизу шасси. Для толкателя в плате дисплея сделан полукруглый вырез. Плата дисплея связана с платой процессора с помощью трех разъемов и коротких отрезков плоского кабеля. Ответные разъемы платы процессора расположены точно над разъемами платы дисплея.

Плата процессора расположена в верхней части передней панели. Она закреплена с помощью резьбовых стоек на несущей плите передней панели. Кроме платы дисплея, плата процессора связана с основными платами и с платой дежурного источника питания. Для этого используются разъемы типа IDC-16 и плоские кабеля. Разъемы установлены на плате со стороны пайки, а в несущей плите для них проделаны окна. Конструкция печатной платы процессора показана на рис. 23:



Рис. 23. Конструкция платы процессора.

Верхняя крышка усилителя изготовлена из листовой стали толщиной 1.5 мм. Для лучшего охлаждения внутреннего объема усилителя крышка имеет перфорацию (рис. 4). Для крышки имеются специальные выборки в радиаторах. Передний торец крышки фиксируется специальным уголком, который крепится к несущей плите передней панели. Задняя часть крышки отогнута под углом 90° и крепится к задней панели с помощью 3-х винтов М3.

Поддон усилителя коробчатой формы изготовлен из листовой стали толщиной 1.5 мм методом сварки. Крепится поддон на специальных опорах, которые установлены снизу на шасси. В месте крепления опор к поддону снизу прикреплены ножки, изготовленные из листового полистирола толщиной 8 мм.

Настройка дежурного источника питания и цифровой части процессора особенностей не имеет, поэтому останавливаться на них подробно нет смыла. Некоторые трудности могут возникнуть с регулировкой схемы измерения выходной мощности. Дело в том, что аналоговые перемножители К525ПС2 требуют внешних подстроечных резисторов регулировки смещения X, Y и Z (существуют более удобные для применения перемножители, например, AD633, но цена 7$ отбивает всякую охоту их применять). Методика регулировки смещений довольно сложная. Быстрее всего настройку можно произвести с помощью анализатора спектра. Для этого в канал X нужно подать синусоидальное напряжение частотой 10 кГц и амплитудой 1 – 5 В, а в канал Y – частотой 11 кГц и такой же амплитудой. При правильной регулировке смещений в выходном сигнале должны быть только две составляющие: fy-fx и fy+fx. На рис. 24 показан спектр выходного сигнала перемножителя до регулировки. Видна составляющая fy, что говорит о неправильной регулировке смещения X, составляющая fx, что говорит о неправильной регулировке смещения Y, и составляющая с нулевой частотой, что указывает на неправильную регулировку смещения Z. Предлагаемый метод регулировки хорош тем, что каждый подстроечный резистор влияет только на одну компоненту. Постоянное смещение на выходе перемножителя калибруется программно, поэтому при регулировке смещения Z необходимо добиться на выходе перемножителя постоянного смещения порядка +100 мВ (величина, большая максимального температурного дрейфа). Это необходимо для того, чтобы правильно функционировала система автокалибровки нуля с однополярным АЦП.



Рис. 24. Спектр сигнала на выходе перемножителя.

После регулировки смещений остается лишь отрегулировать коэффициент передачи канала Y для калибровки шкалы измерителя мощности. Сделать это можно на полностью настроенном усилителе. На вход необходимо подать синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и установить мощность на резистивном эквиваленте нагрузки 50 – 100 Вт. Мощность необходимо измерить обычными приборами (достаточно вольтметра переменного напряжения, ведь сопротивление нагрузки известно), а затем подстройкой коэффициента передачи канала Y добиться таких же показаний на дисплее усилителя. Если в измерительных цепях применены не очень точные резисторы, то, возможно, понадобится регулировка дифференциального усилителя. Цель регулировки – добиться наилучшего подавления синфазной составляющей. Сделать это можно, например, подбором резистора R47, который расположен на основной плате усилителя. Подбором этого резистора добиваются нулевых показаний измерителя мощности при отключенном эквиваленте нагрузки (т.е., когда выходное напряжение не равно нулю, а выходной ток - нулевой).

Настройку основных плат усилителя производят последовательно, вначале для левого, а затем для правого канала по следующей схеме:
  1. Отключить разъем процессора от основной платы усилителя. Выпаять C2 и R44 на основной плате. Закоротить нормально-разомкнутые контакты реле перемычкой. Установить подстроечный резистор R24 в нижнее по схеме положение, а R30 в среднее положение. Подключить первичную обмотку трансформатора настраиваемого канала к ЛАТР-у.
  2. Плавно повысить напряжение питание канала примерно до ±12 В и проследить скорость разрядки конденсаторов фильтра при выключении питания. Если напряжение падает плавно (5 сек и более), значит потребление в норме.
  3. На короткое время плавно подать номинальное напряжение питания и проконтролировать прохождение сигнала со входа на выход усилителя.
  4. Подключить эквивалент нагрузки. Подать номинальное напряжение питания и подстроечным резистором R24 установить ток покоя, равный 133 мА (на каждом из резисторов R32 – R35 должно падать около 20 мВ).
  5. Проверить напряжение питания U1 – U3, которое должно быть в пределах ±13..16 В.
  6. Проверить постоянную составляющую выходного напряжения, которая не должна превышать 1 мВ.
  7. Подать на вход меандр с частотой 20 кГц и проверить переходную характеристику. Выброс на переходной характеристике не должен превышать 3%. Измерить скорость нарастания выходного напряжения. Она должна быть около 60 В/мкс. Подключить C2.
  8. Подключить на выход резистор сопротивлением 1 - 1.5 ом. Резистор будет рассеивать значительную мощность, поэтому скорее всего придется применить для него водяное охлаждение. Подать на вход синусоидальное напряжение частотой 1 кГц. Увеличить его амплитуду так, чтобы пиковое значение тока в нагрузке достигло 20А. С помощью подстроечного резистора R30 добиться срабатывания защиты по току. Этот пункт нужно проделать оперативно, иначе выходные транзисторы могут перегреться.
  9. Проверить работу системы CLEAN DRIVE. Для этого подключить эквивалент нагрузки проводами малого сечения и длиной 2 – 3 м. На вход подать синусоидальное напряжение частотой 1 кГц, обеспечив в нагрузке мощность 40 – 50 Вт. При подключении третьего провода системы CLEAN DRIVE амплитуда сигнала на нагрузке должна возрастать, компенсируя падение на проводах.
  10. Снять перемычку с контактов реле, подключить R44.
  11. Проделать пп. 1 – 10  с платой другого канала.
  12. После настройки основных плат двух каналов нужно полностью восстановить соединения: подключить процессор, подключить основные трансформаторы к блоку реле. Включить питание. Убедиться, что процесс включения усилителя проходит нормально. Включение должно происходить и при пониженном до 187 В напряжении сети. В противном случае нужно уменьшить номиналы резисторов R55, R56 в схеме защиты (они расположены на основных платах). Нужно иметь ввиду, что если хотя бы один канал неисправен или не подключен, то нормальное включение невозможно.
  13. Проверить защиту от пропадания сетевого напряжения. При выключении сетевой вилки на работающем усилителе реле нагрузки должно сразу выключиться.
  14. Проверить защиту от постоянной составляющей. Для этого через резистор 10К нужно подать попеременно ±15 В в точку соединения резисторов R57 и R59. При этом защита должна срабатывать. На этом настройку можно считать законченной.
Некоторые замечания по поводу текущей версии программы:
  1. В исходном тексте присутствует, но запрещено автоотключение усилителя, если более 5 мин. отсутствует сигнал. Дело в том, что эксплуатация УМ возможна при очень малой выходной мощности, когда разрешающей способности измерителя выходной мощности недостаточно. Проблема сразу не была очевидной, так как в предварительном усилителе автоотключение успешно реализовано. Разница состоит в том, что в тракте предварительного усилителя всегда нормированный уровень сигнала, а сигнал для УМ может быть ослаблен регулятором громкости во много раз.
  2. Алгоритм управления вентилятором отлажен не полностью, возможно некоторое его несоответствие описанному. Учитывая тот факт, что за всю историю эксплуатации усилителя температура поднималась до критического значения всего один раз, отладка этого фрагмента откладывается на потом.
  3. Текущая версия поддерживает работу с устаревшими термометрами DS1820. Несмотря на то, что на преобразование температуры термометру отводится 1000мс, прямая замена его на DS18S20 невозможна. Требуется корректировка фрагмента программы, где вычисляется температура с точностью до 0.1 °C, так как у старых и новых термометров разные диапазоны числа COUNT_PER_C.


Литература:
  1. Николай Сухов. УМЗЧ высокой верности. Радио, №6, 89, стр. 55 – 57,  №7, 89, стр. 57 – 61.
  2. Николай Сухов. К вопросу об оценке нелинейных искажений УМЗЧ. Радио, №5, 89 стр. 54 – 57.
  3. Audio. January 1993. Vol.77, No. 1. Pages 138-139 (перевод А. Михайлова).
  4. http://www.mva.narod.ru/radio/Hi-Fi.htm
  5. Л. Ридико. Предварительный усилитель с микроконтроллерной системой управления. Схемотехника, №1-2 2000 г., №1 2001г.
  6. Алексей Белов. Личные беседы. НИИ Ядерных Проблем, г. Минск.


Download:
soft9000.zip (21 Kb) - архив с исходным текстом программы микроконтроллера.
pcb9000.zip (131 Kb) - архив с файлами топологии печатных плат в формате PCAD 4.5.
pa9000.pdf (2126 Kb) - комплект принципиальных схем усилителя в формате pdf. Ридико Леонид Иванович
e-mail: wubblick@yahoo.com


Начало  Назад