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.
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.
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.
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.
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Преобразователь напряжения для питания автомобильного усилителя
Эта статья содержит описание схемы простейшего импульсного повышающего преобразователя для авто усилителей (например на TDA7294 или любой другой микросхеме с двухполярным питанием), без лишних расчетов или теорий только необходимый минимум. Это действительно самый простой способ на сегодня запустить усилитель достаточно высокой мощности в автомобиле, с бортовым питанием 12 В. Представленный инвертор может выдавать постоянную мощность около 100 Вт, а при небольшой доработке схемы ещё больше.
Схема и описание преобразователя
Схема была разделена на несколько частей для облегчения описания и понимания сути работы деталей.
Зеленая часть представляет собой генератор, использующий популярную микросхему TL494. Чтобы сделать структуру максимально простой, использовалась только часть м/с, а именно только генератор. Частота его работы определяется элементами R4 и C4. Для текущих значений (10 кОм и 1 нФ) она составляет около 30 кГц. Увеличив частоту также можно повысить эффективность, но для этого необходимо намотать трансформатор более тонкими проводами (из-за скин-эффекта).
Желтая часть – усилители тока. Они используются только для облегчения повторной загрузки затворных мощностей мосфетов, которые разгружают внутренние выходные транзисторы в TL494. Фактически, схема в текущей конфигурации будет работать и без них, потому что внутренние транзисторы TL494 в принципе могут управлять одним затвором без особых проблем, но в случае падения напряжения в источнике питания инвертор может работать нестабильно. Вот почему рекомендуется установить их. В этой роли практически любой транзистор может быть использован для создания комплементарной пары. Схема также хорошо работает например с парой BC547 / BC557 и т.п.
Оранжевая часть – это ключевые выходные элементы. Мосфет включается при получении импульса от предыдущего каскада. Преобразователь включает мосфеты попеременно с так называемым мертвым временем (когда оба выключены). Особое внимание следует уделить C8 (10 нФ) и R12 (4,7 Ом), потому что от них зависит безопасность транзисторов. Они используются для подавления перенапряжений, возникающих в индуктивности во время переходных процессов. Используйте конденсатор 10 нФ на минимальное напряжение 250 В и резистор 3,3 … 4,7 Ома с минимальной мощностью 0,5 Вт.
Для преобразователя могут быть выбраны разные типы мосфетов, в значительной степени от них зависит, какой мощности и эффективности удастся достичь. Важно выбирать с низким сопротивлением и большим рабочим током. Тут использовались IRF3205, но одинаково хорошо заработают IRFZ44n, BUZ11 или IRFP064n для немного большей мощности.
Красная часть – трансформатор с выпрямителем. Про трансформатор и его перемотатку будет чуть ниже. Сейчас остановимся на схеме выпрямления и фильтрации. Это классический симметричный источник питания, в котором используются ультрабыстрые выпрямительные диоды или диоды Шоттки. В данном случае использовался диод MBR10100CT. Ещё нужен выходной дроссель и конденсаторы фильтра. Для одной микросхемы TDA7294 просто используйте 2200 мкФ + 100 нФ на каждое плечо. Ставьте нормальный электролитический конденсатор, нет необходимости использовать конденсаторы с низким ЭПР.
Предохранители инвертора
Схему контроля выходного тока будет лучше заменить на так называемый электронный предохранитель, который в случае короткого замыкания будет отключать преобразователи (потребуется перезапуск). Схема управления током в инверторе с питанием, сделанным для конкретной системы (в данном случае стерео TDA7294 для громкоговорителя 8 Ом), может отключить преобразователь только во время басов, когда усилитель потребляет больше энергии.
Модуль управления имеет предохранитель в виде резистора R11. Используем стандартный 4.7R 0.25W резистор – в случае короткого замыкания в TL494 или усилителях тока, резистор немедленно перегорает. Силовая часть защищена предохранителем на 10 А. В вышеуказанной схеме короткое замыкание на выходе вызывает его немедленное сгорание.
Сборка преобразователя питания
Можно вытравить полноценную печатную плату, а можно использовать универсальную макетку. Важно, чтобы пути тока были максимально короткими и толстыми.
Сначала собираем зеленую, желтую и оранжевую части. При этом схема питается через маленькую лампочку (например, 10 Вт) или установите ограничение тока 200 мА на блоке питания. Подключите один щуп осциллографа к источнику питания плюс, а другой – к усилителям УТ. Должны увидеть прямоугольную осциллограмму с амплитудой около напряжения питания. Форма волны должна быть очень похожей на фото.
Если сигнал не отображается, проверьте правильность сборки и работоспособность зеленой и желтой секций ИБП.
Затем подключаем осциллограф параллельно мосфетам и наблюдаем форму сигнала там. Это должен быть прямоугольник с амплитудой, аналогичной напряжению питания. Если он не просматривается, это означает, что установили поврежденный mosfet (или неправильно впаяли его).
Если все в порядке, можем начать наматывать трансформатор.
Намотка трансформатора
Трансформатор – самый важный элемент и самый сложный. Во-первых, нужно достать ферритовый сердечник. Можно добыть его из блока питания ATX или другого импульсного преобразователя. Крайне важно, чтобы это был сердечник без зазора, иначе инерционный ток преобразователя будет выше, а КПД будет значительно ниже. В худшем случае может вообще не работать. Чтобы разобрать такой трансформатор, нагрейте его в кипящей воде, потому что тогда смола размягчится. Затем, используя тряпку, разломите горячий трансформатор. Важно не повредить сердечник. Затем снимаем заводские обмотки и наматываем новые в соответствии с инструкциями далее.
Начнем с первичной обмотки. В ней две обмотки должны быть намотаны по 3 витка одновременно, где начало второй является концом первой. Обе обмотки намотаны в одном и том же направлении. Из-за того что инвертор работает на высокой частоте, возникает скин-эффект. Поэтому не стоит намотать трансформатор одним толстым проводом, как в случае классических трансформаторов. Для данного инвертора намотаем 4 провода по 0,3 мм. Обмотка должна выглядеть примерно так:
Теперь изолируйте первичку от вторички. Например слоями скотча. Пришло время намотать вторичную обмотку. Намотайте две обмотки по 7 витков. Трансформатор готов.
Вместо основного предохранителя вставляем лампу значительной мощности (предпочтительно 50 Вт, чтобы при малом токе она не вызывала значительного падения напряжения). Измеряем ток, потребляемый преобразователем, должно составлять 100-250 мА. Форма сигнала на осциллографе должна быть прямоугольной с требуемой амплитудой.
Инвертор практически закончен. Осталось смонтировать схему выпрямителя со сверхбыстрыми диодами или диодами Шоттки. Далее устанавливаем дроссель и фильтрующие конденсаторы.
Выходной дроссель в этом инверторе будет необходим. С натяжкой он может работать и без него, но его эффективность станет меньше и может быть слышен писк под нагрузкой. Дроссель наматывается на порошковое кольцо. Вы можете также выпаять его от источника питания ATX. Обмотка двойная по 17 витков (значение выбрано методом проб и ошибок).
Выходное напряжение инвертора должно быть примерно +/- 36 В. Это оптимальное значение для микросхем TDA7294.
Инвертор должен быть нагружен для испытаний электронной нагрузкой или мощным резистором с сопротивлением 50 Ом. Резистор будет выдавать около 100 Вт мощности в виде тепла. Выходное напряжение преобразователя под этой нагрузкой не должно падать ниже 32 В. Наиболее теплым элементом должны быть выпрямительные диоды. Трансформатор должен слегка нагреваться, как и мосфеты. Тест 100 Вт должен занять 10 минут.
Нужен ли стабилизатор напряжения
Стабилизация выходного напряжения на БП усилителя звука – плохая идея. Усилитель имеет очень нелинейное энергопотребление, кроме того, когда проходит бас, он может потреблять много энергии (в импульсе). Обратная связь для управления выходным напряжением может мешать реакции на повышенное энергопотребление.
Опции темы
Такая тема, решил я как-то на досуге полазить по ссылочкам про авто усилители.
А в частности интересовал класс D. Остановился на усилителе от господина Королькова Pal-nic! Усел отличный, все хвалят его, и многие собирали, звук отличный. Схема во вложении.
А проблема собственно с преобразователем. Со многими общался по этому вопросу, и решил вынести эту тему на форум, по причине отсутствия знаний и опыта в электротехнике.
Кто уже собирал? Знатоки подскажите, где, что, как, может готовые решения схем у кого есть или печатки.
Еще можно добавить, что не имея опыта браться за 1кВт ПН и усь Д-класса как-то рановато. Слишком быстро может прийти облом в виде сгоревших деталей и т.п.
Vjumajlo, по-моему нормальная тема для форума. Я бы не сказал что у всех советы «левые», некоторые даже очень хороши.
Надо пробовать сделать то, что задумано и все непременно получиться, пусть не с первого раза, и даже Grig со сгоревшими элементами.
Получается что выходное напряжение и мощность преобразователя зависит только от транформатора?
Vjumajlo, а что за проблемы были с усилителем?
Импульсный стабилизированный преобразователь напряжения для автомобильного усилителя
Цитата с Интерлавки:
Данный преобразователь напряжения предназначен для питания оборудования напряжением выше бортового напряжения автомобиля 12 В. Преобразователь имеет четыре независимых стабилизированных (по одному плечу) постоянных напряжения с величиной не более 50 В, поскольку в качестве выпрямительных диодов вторичного питания используются диоды Шотки. Выходные напряжения преобразователя могут соединяться последовательно, для получения двух двуполярных источников питания, используемого в большинстве усилителей мощности звуковой частоты, а так же могут соединяться параллельно, для получения более сильноточного однополярного источника, который может использоваться, например, для питания усилителей мощности радиостанций, а так же комбинировано (см ниже).
Преобразователь развивает на нагрузке суммарную мощность до 500 Вт и использует в качестве силовых ключей две пары транзисторов IRF3205. Частоту преобразования — 60…70 кГц.
Выходное напряжение преобразователя контролируется оптроном IC1, яркость свечения светодиода которого пропорциональна выходному напряжению. Соответственно изменяется и степень открытия транзистора оптрона, который подает опорное напряжения 5 В, генерируемое самой микросхемой, на вход усилителя ошибки. Если сопротивление нагрузки уменьшается, уменьшается и выходное напряжение, поскольку увеличивается ток. Пропорционально уменьшается яркость свечение светодиода оптрона, транзистор оптрона призакрывается и из за уменьшения напряжения на входе 1 усилителя ошибки микросхемы TL494 увеличивает длительность управляющих импульсов силовых ключей. В результате увеличения длительности импульсов увеличивается действующее напряжение на нагрузке, т.е. она возвращается к первоначальной, установленной подстроечным резистором R4 величине.
При увеличении сопротивления нагрузки происходит обратный процесс — светодиод оптрона светит ярче, тем самым сильнее открывая транзистор оптрона и увеличивая напряжение на входе усилителя ошибки микросхемы TL494 и уменьшая длительность управляющих силовыми ключами импульсов.
Поскольку выходной ток ключевых транзисторов микросхемы ограничен 200 мА в преобразователе используются дополнительные драйверные ключи на транзисторах VT3-VT6. К особенностям данного преобразователя напряжения стоит отнести несколько не обычную цепочку между драйверными транзисторами и силовыми. Эта цепочка позволяет получить на затворах силовых ключей отрицательное напряжение, которое быстрей закрывает силовые ключи, тем самым уменьшая температуру самого силового транзистора.
Кроме этого данный преобразователь напряжения оснащен защитой от перегрузки, датчиком тока которой служит токовый трансформатор TV1, снимаемое напряжение с которого подается на управляющий электрод тиристора VS1. В момент перегрузки наводимое напряжение на токовом трансформаторе откроет тиристор и он зашунтирует управляющее напряжение, подаваемое извне. Транзистор VT2 закроется, закрывая и транзистор VT2 и питание микросхемы TL494 будет снято. Однако оставшееся напряжение на конденсаторе С7 некоторое время будет удерживать TL494 в работоспособном состоянии. Для ускорения разрядки С7 резистор R19, через который тиристор так же будет зашунтировано и напряжение питания микросхемы TL494. Таким образом достигается минимальное время работы преобразователя в критической ситуации.
Получившийся магнитопровод, перед намоткой был хорошенько заизолирован лакотканью.
Далее Первичная обмотка моталась в 8 проводов диаметром 1,5 мм. и состоит из 4 витков (из рассчёта 3 вольта на 1 виток)
После намотки методом прозвонки разделил на две обмотки, каждая из которых состоит из 4 проводов.
Далее всё было хорошенько обмотано той-же лакотканью и намотана вторичная силовая обмотка, она намотана виток к витку в 8 проводов диаметром 0,65 мм. и состоит из 15 витков (на 45 Вольт) (с запасом в 2 витка для лучшей стабилизации при частично разряженном аккумуляторе и падении напряжения питания до 9…9,5 Вольт.
И поверх всех силовых обмоток намотана обмотка питания всей схемы ШИМ и драйверов ключей.
Намотана она в два провода диаметром 0,55 мм. и состоит из 8 витков. Далее прозвонкой определяем конец и начало и соединяем по схеме.
Собственно с трансформатором завершено. Обматываем его хорошенько лакотканью! Получилось СУПЕР!
Далее изготовление платы!
Я изготовлял лазерно-утюжным способом! Берем обратную сторону от самоклеющейся декоративной плёнки (мелованная бумага, чаще всего попадается с надписью «333») и клеим её обратной стороной на плотную бумагу для принтера.
Далее с помощью программы SPRINT LAYOUT печатаем лазерным принтером на получившемся листе. Фольгированный стеклотекстолит сначала следует зачистить мелкой шкуркой (800) и обезжирить ацетоном. Прикладываем ровно наш получившийся рисунок и хорошенько разглаживаем утюгом.
После остывания не на долго помещаем нашу продукцию в воду (чтобы отмочилась бумага, около 1 минуты).
Потом аккуратно, начиная с уголка, отлепляем от текстолита бумагу, платку осматриваем, если есть «косяки», то подправляем (дорисовываем лаком НЦ из шприца), после чего помещаем, а раствор хлорного железа. После того, как платка протравилась, промываем её водой (лучше в мыльном растворе), кладем сушить, далее ацетоном и тряпочкой смываем оставшуюся краску, после чего советую немного зачистить шкуркой!
Получилось в принципе неплохо!
Далее процедура сверления, лужения и набивания детальками. Получилось вот так:
Убедившись, что собранная схема нормально работает можем приступать к впаиванию трансформатора. Получилось вот так:
Немного о дросселях.
Дроссель L1 намотан в 3 провода диаметром 1,5 мм. на жёлтом кольце от компьютерного БП (Компенсационный дроссель) и содержит 15 витков.
Дроссели L2, L3, L4, L5 намотаны на кольцах М3000НМ-1 (К12×6х5) проводом диаметром 1,2 мм., каждый содержит по 20 витков.
Думаю, что моя статейка кому-то понадобиться! По крайней мере это первая моя статья и я старался…!
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
Музыка в авто. Часть #3.2. Преобразователь напряжения.
Салют, драйвовчане. Я наконец-таки выбрался домой, теперь есть время для занятий своим хобби. Этой записью продолжаю трилогию про создание сабвуферного усилителя своими руками. Впереди последняя часть, в которой будет рассказано про сборку сабсоника, защиты АС и корпуса. А теперь, ПОГНАЛИ!
Существует давно известный факт — от 12 В бортового напряжения можно получить лишь 18 Вт мощности. Чтобы качественно качать саб, нужно как минимум 100 Вт. Повторюсь, от 12 В такую мощность получить НЕВОЗМОЖНО. Для этого в мощных автомобильных усилителях используются преобразователи напряжения, поднимающие бортовое напряжение 12 В до необходимого. В случае с Ланзаром нужно получить 55-60 В, чтобы снять с него максимальную мощность.
В интернете есть куча схем, в нашем случае лучше всего использовать схемы на микросхеме TL494. Перелопатив кучу этих схем, я отобрал несколько годных, и переделал их под свои нужды.
Если вы собрались браться за такое, очень советую посмотреть видео Ака Касьяна, вот ссылка на него. Очень доступно все объясняет. Поэтому на принципе работы я останавливаться не буду.
***Изготовление печатной платы***
Подробно процесс изготовления печатки я описывал тут, поэтому также не останавливаюсь, но парочку фоток я все-таки скину). Из новшеств — «типа шелкография», также печатал на журнальных листах и переводил утюгом. На одну плату перевелось отлично, на преобразователь плоховато, но ничего.
После всего этого были насверлены отверстия, платы залужены, ну и естественно запаяны все элементы.
Область, выделенная красным — защита АС, о ней я скажу позже. Я просто использовал свободное место на печатке. К преобразователю напряжения она не имеет никакого отношения.
Самое сложное в создании преобразователя — намотка трансформатора. Ее я сегодня и разжую. В качестве сердечника я использовал ферритовое кольцо. Искал я его долго, если находил — было фуфло, с низкой проницаемостью. К выбору кольца нужно отнестись ответственно, желательно не брать кольца без маркировки и если вы не уверены. Я на хреновом кольце перевел кучу проволоки, а оказалось хреновое кольцо. В итоге было куплено кольцо размером 45х28х12. Без маркировки, точно проницаемость не знаю, продавец уверял, что 2000, потом я расскажу, оказалось ли это правдой.
Чтобы рассчитать моточные данные, воспользуемся программой RingFerriteExtraSoft
Частоту преобразования делал 40 кГц, Сопротивление канала Rds(on) нужно брать из даташита полевых транзисторов, которые вы используете. Для IRF3205 это 0,008 Ом. Все остальное вводится исходя из ваших требований. Можно выставить диаметр проволоки и количество жил в шине. Использовать можно только проволоку в лаке.
Берем наше кольцо, на него необходимо поставить изоляцию. Я использовал малярный скотч, можно тряпичную изоленту, можно вообще забить и не ставить ее. Теперь приступаем к намотке первички.
Программа дает длину обмотки, но дает она ее с большим запасом, это нам не подходит. Берем кусок проволоки, мотаем равномерно 5 витков (в моем случае 5, у вас может быть иначе, в зависимости от расчета), отмеряем с запасом 10-15 см. Все, длину обмотки мы узнали. Нарезаем необходимое количество.
Теперь формируем две шины по 7 жил и аккуратно, равномерно, без нахлестов и т.д. мотаем на кольцо. Чем качественнее намотка, тем лучше все это будет работать. Запоминаем, в какую сторону мотаем, это очень важно.
Ставим на жилы изоляцию, в моем случае термоусадка.
Теперь заматываем всю первичную обмотку тряпичной изолентой.
Формируем выводы. Теперь очень важный момент. Две обмотки должны быть сфазированы между собой. Т.е. Должны быть соединены КОНЕЦ ОДНОЙ ОБМОТКИ И НАЧАЛО ДРУГОЙ. Это очень важный момент, зачастую делают в этом ошибку, соединяя начало и конец одной и той же обмотки. Так как у нас на плате предусмотрено место, где они соединяются, посередине кольца должны быть конец одной и начало другой.
После окончательной намотки первички, нужно намотать наверх тестовую вторичку. Берем любую проволоку, мотаем 8-10 витков. К ним припаиваем лампочку. Впаиваем кольцо на плату. Первый запуск лучше всего делать через лампу, подключенную в разрыв питания. Если на схеме ошибка, она загорится. Если все хорошо, лампа гореть не должна.