В схемах защиты от превышения тока (см. рис. 13б,г) [1] используются два светодиода красного свечения – LED1 в каждой, a для индикации наличия напряжений питания ±12,5 В применено два светодиода: зелёного (LED-) и жёлтого (LED+) цвета (см. рис. 13д) [1]. В некоторых случаях, когда, например, на корпусе имеется только два штатных места для индикаторных светодиодов, применение четырёх светодиодов может быть затруднено. В таких случаях может быть использована простейшая схема индикации на двух двухцветных светодиодах (см. рис. 14).

Для индикации напряжения +12,5 В и перегрузки используется двухцветный светодиод L-119SRSGWT (LED3,4), который представляет собой два светодиода в одном корпусе: один – сверхъ-яркий красный, а второй – обычный зелёный. При работе стабилизатора в штатном режиме присутствуют оба напряжения (+18 В и +12,5 В), поэтому горят оба светодиода. Общий цвет свечения LED3,4 в этом случае – светло-оранжевый. При перегрузке напряжение +12,5 В пропадает, и зелёный светодиод гаснет, общий цвет свечения становится красным. Номинал резисторов R3 и R4 подобран таким образом, чтобы яркость зелёного и красного светодиодов была приблизительно одинаковой.

Для индикации напряжения –12,5 В и перегрузки используется такой же двухцветный светодиод LED1,2 и двухтранзисторная сборка UMD9N (Т1, Т2). При работе стабилизатора –12,5 В (см. рис. 13в) [1] в штатном режиме также присутствуют оба напряжения (–18 В и –12,5 В), в связи с чем транзистор Т2 открыт, а Т1 закрыт, т.к. на его базе нулевой (и даже немного отрицательный) потенциал относительно эмиттера. В этом случае зелёный светодиод горит, а красный – нет, общий цвет свечения двухцветного светодиода – зелёный. При перегрузке напряжение –12,5 В пропадает, транзистор Т2 закрывается, открывая транзистор Т1. В связи с этим зелёный светодиод гаснет, а красный загорается, общий цвет свечения становится красным. Напряжение стабилитрона VD1 (7,5 В) и номиналы резисторов R1 и R2 подобраны таким образом, чтобы при изменении входного напряжения от –14 до –20 В как в штатном режиме, так и в режиме перегрузки, горел только один из светодиодов (или зелёный, или красный). Если не устанавливать стабилитрон, то транзистор Т1 сборки будет запираться не до конца, что приведёт к появлению слабого свечения красного светодиода, искажению чисто зелёного цвета и сделает его почти неотличимым от свечения светодиода LED3,4. Установка стабилитрона поднимает напряжение эмиттера Т1 сборки на 7,5 В, что приводит к надёжному запиранию транзистора Т1 при любом входном напряжении и чистому зелёному свечению светодиода LED1,2 в штатном режиме работы стабилизатора. Таким образом, при работе обоих стабилизаторов в штатном режиме цвет свечения светодиода, индицирующего напряжение –12,5 В – зелёный, а цвет свечения светодиода, индицирующего напряжение +12,5 В, – светло-оранжевый. При возникновении перегрузки по какому-либо напряжению цвет свечения соответствующего двухцветного светодиода становится красным.

Схема с транзисторной сборкой разведена на плате, которая имеет размер всего 8 × 8 мм. Резисторы R1, R2 и стабилитрон VD1 установлены на плате навесным монтажом вертикально. Резисторы R3 и R4 припаяны непосредственно к достаточно жёстким и прочным выводам светодиода LED3,4. Во избежание случайного замыкания на центральный вывод на резисторы надета изолирующая трубка из ПВХ.

Выходное напряжение стабилизаторов можно легко повысить, например, в два раза – до 25 В. Для этого требуется лишь изменить номинал одного резистора R7 (см. рис. 13а,в) [1], руководствуясь следующими соображениями. Во-первых, необходимо сохранить ток через делитель R7, R8 и R9 близким к 2,5 мА. Во-вторых, необходимо сохранить напряжение, снимаемое с движка резистора R8 в его среднем положении, близким к 2,5 В. Разделив 25 В на 2,5 мА, получим 10 кОм, а вычтя из 10 кОм сумму R8 (500 Ом) и R9 (750 Ом), получим 8,75 кОм. Ближайший номинал к этому значению из ряда Е24 (5%) – 9,1 кОм, из ряда Е96 (1%) – 8,66 кОм. Если, например, R8 = 9,1 кОм, то напряжение на движке R8 в его среднем положении составит 2,42 В, что вполне допустимо.

Выходное напряжение можно сделать и ещё выше, однако следует учесть, что максимальное напряжение питания ОУ TCA0372 составляет 40 В, а MC33072 – 44 В. Если и этого напряжения недостаточно, то можно использовать двухканальный ОУ ADA4522-2 (rail-to-rail output) с более высоким напряжением питания (до 55 В). Для того чтобы не переразводить платы стабилизаторов достаточно сделать платы-переходники ADA4522-2ARMZ/TCA0372DP1 и ADA4522-2ARMZ/MC33072 (их разводка приведена далее). Однако при питании ±12,5 В ADA4522-2 преимуществ перед TCA0372DP1 и MC33072 не имеет.

По габаритам вместе с радиатором (235 × 110 × 70 мм) ИП, применённый в данном усилителе, значительно меньше описанного в [2] (255 × 220 × 85 мм). Кроме того, он существенно легче, дешевле и тише. Для сравнения фотографии обоих ИП показаны на рисунке 15. Поскольку в мостовом включении ОУ отсутствует силовая «земля», то для питания усилителя вместо двуполярного ИП с напряжениями ±12,5 В вполне можно использовать однополярный ИП, например, с напряжением +25 В (или, что лучше, с напряжением –25 В), а среднюю точку создать искусственно с помощью маломощного транзистора (как показано на рисунке 4 справочного листка ОУ LM4780). В этом случае конструкция ИП существенно упрощается, т.к. требуется всего один стабилизатор 25 В.

Разводка печатных плат и фотографии устройств

Разводка печатных плат всех устройств выполнена в программе Sprint Layout 6.0, а изготовление плат и их фотошаблонов кратко описано в [3].

Разводка платы предварительного усилителя приведена на рисунке 16а, её размер составил всего 25 × 30 мм. Фотография платы, сделанная со стороны проводников, показана на рисунке 16б. Плата крепится тремя винтами М2 к днищу корпуса.

Плата одного канала усилителя мощности на базе LM3886 имеет размеры 20 × 30 мм и показана на рисунке 17. Плата не имеет крепёжных отверстий, поскольку она держится как консоль на всех 11 выводах микросхемы LM3886. Сама микросхема LM3886 крепится винтом М3 к радиатору через теплопроводящую керамическую изолирующую прокладку с использованием теплопроводной пасты (например, КПТ-8).

В связи с тем, что в мостовом включении отсутствует силовая «земля», т.к. нагрузка подключена исключительно к выходам обоих ОУ, контурные токи по «земле» сильно снижены. К «земле» подключены только конденсаторы и RC-цепочки, токи в которых на один-два порядка меньше токов в земляном контуре при стандартном включении. В результате различные наводки существенно уменьшены.

Разводка платы пик-детектора приведена на рисунке 18. Плата имеет размер 30 × 26 мм. Как ни странно, применение ОУ TL052 в корпусе DIP8 существенно экономит место, поскольку сами эти микросхемы расположены на стороне, противоположной расположению дорожек. В связи с этим на стороне проводников остаётся достаточно места для расположения компонентов поверхностного монтажа. В данном устройстве применены триггеры Шмитта 74LVC2G14GW в сверхминиатюрном корпусе SOT363 (2,5 × 2,5 мм). Однако плата разведена таким образом, чтобы в ней можно было использовать микросхему триггера Шмитта в корпусе SOT23-6 (3,5 × 3,5 мм, 74LVC2G14GV).

Размеры платы стабилизаторов +12,5 В и –12,5 В составили всего 11,5 × 32,5 мм (см. рис. 19а,б) благодаря использованию двухканальных ОУ в корпусе DIP8 и ИОН на стабилитроне и полевом транзисторе с p-n-переходом в корпусе TO-92. Платы защиты от превышения тока для стабилизаторов положительной и отрицательной полярности (см. рис. 20а,б) имеют размеры 11 × 16 мм, а плата индикации питания –12,5 В на двухцветном светодиоде (см. рис. 21) – 8 × 8 мм. Разводка плат-переходников для ОУ ADA4522-2 очень проста и показана на рисун-ке 22. О внешнем виде устройств можно судить по рисункам 23–25.

Разводка платы регулятора громкости размером 22 × 25 мм приведена на рисунке 26а. Компоненты для поверхностного монтажа расположены на стороне проводников (см. рис. 26б), а разъёмы и катушки индуктивности 3,2 Гн – на противоположной стороне. Эти катушки крепятся к небольшим макетным платам винтами М2 с полиэтиленовыми шайбами. Сами макетные платы припаяны к плате ТКРГ с помощью отрезков медного провода диаметром 0,8 мм. Плата крепится к корпусу двумя пластмассовыми стойками и винтами М2 через крепёжные отверстия, расположенные по диагонали. Подключение переменных резисторов и сигнальных кабелей к ТКРГ показано на рисунке 27 [3]. Экранированные кабели, соединяющие переменные резисторы с ТКРГ, обёрнуты несколькими слоями фум-ленты.

Разводка платы регулятора громкости на Ш-образных ферритовых сердечниках приведена на рисунке 28. Плата имеет размер 20 × 36 мм (см. рис. 29). Разводка платы ТКГР на кольцах R16 × 9,6 × 6,3-3E12 и его фотография показаны на рисунках 30 и 31 соответственно. Катушки индуктивности 3 Гн укреплены вертикально на двух макетных платах. Для того чтобы не повредить обмотки, при закреплении колец использованы резиновые прокладки и полиэтиленовые шайбы.

Конструкция усилителя

Усилитель размещён в корпусе размером 180 × 110 × 70 мм, состоящим из скреплённых половинок (см. рис. 32).

На задней стенке одной половины корпуса размещены два радиатора, на каждом из которых закреплены по 2 платы (см. рис. 17) с ОУ LM3886 для каналов А и B. С целью уменьшения нагрева корпуса от радиаторов на крепёжные винты установлены шайбы, вырезанные из фторопластовой ленты толщиной 0,5 мм. Платы предварительного усилителя (см. рис. 16б) и пик-детектора (см. рис. 18) закреплены в нижней части этой же половины корпуса. Плата регулятора громкости (см. рис. 31) установлена в нижней части второй половины корпуса, оба переменных резистора (регулятора громкости и регулятора НЧ-коррекции) – в середине той же половины корпуса, ручки регулировки выведены на его лицевую поверхность. Кабели питания и входных сигналов пропущены через резиновые втулки, установленные на боковых сторонах корпуса, и припаяны к клеммникам, от которых отходят кабели питания на платы мощных ОУ, платы предварительного усилителя и платы пик-детектора, а также сигнальный кабель от платы регулировки громкости. Два выходных разъёма для подключения кабелей АС расположены на боковой поверхности корпуса. Силовые кабели питания и выходных сигналов для АС представляют собой коаксиальные кабели, экран которых заземлён, а провода имеют сечение не менее 1 мм². Эти кабели дополнительно обёрнуты двумя слоями ленты из тонкого фторопласта (фум-ленты). Слаботочные сигнальные кабели и кабели питания также экранированы, а сечения проводов могут быть уменьшены до 0,1…0,2 мм². К нижней части корпуса липкой двусторонней пористой лентой приклеены резиновые ножки.

Собранный в корпусе усилитель показан на рисунке 33. Два кабеля от АС подключаются к выходным разъёмам. Входной кабель от источника звука пропущен через резиновую втулку. На лицевой поверхности корпуса справа вверху можно заметить два окна с прозрачными вставками из оргстекла, через которые проходит свет от светодиодов, индицирующих наличие питания (зелёный для –12,5 В и жёлтый для +12,5 В). Ниже расположены два светодиода красного свечения, закреплённые на корпусе в специальных оправках и сигнализирующие о превышении выходных сигналов заданного порога соответственно для каналов A и B.

Настройка усилителя

Для настройки усилителя необходимо установить «нули» у двух выходных сигналов.

Процедура эта очень проста и сводится к следующему. Во-первых, необходимо заземлить оба входных сигнала. Для этого на два двухконтактных цанговых штыревых разъёма, расположенных на плате предварительного усилителя (X2 и X5 на рис. 5) [4], надеть две двухконтактные перемычки из двух двухконтактных цанговых гнёзд. Далее к выходным разъёмам, предназначенным для подключения к АС (XoutA и XoutB на рис. 6) [5], подключить два резистора номиналом 3,9 Ом мощностью 50 Вт. К одному из резисторов (например, для канала А) подключить цифровой вольт-метр. После этого необходимо включить питание и подстроечным резистором для канала А (RA2, см. рис. 5) [4] на плате предварительного усилителя, выставить напряжение около 1 мВ.

Полный «ноль» выставлять не рекомендуется во избежание перекрытия прямого и инверсного сигналов.

Аналогично выставляется напряжение для канала B. Номиналы подстроечных многооборотных резисторов RA2 и RB2 (100 Ом) позволяют выставить необходимое напряжение с точностью до 0,1 мВ. На этом настройка заканчивается, питание выключается, перемычки снимаются, регулятор громкости соединяется с предварительным усилителем.

Испытание усилителя

Испытание усилителя проводилось автором «на слух» на двух АС: 15АС-220 с номинальной мощностью 15 Вт и электрическим сопротивлением 4 Ом, в которой был установлен современный ВЧ-твиттер, и на 35АС-016 «Орбита» с номинальной мощностью 35 Вт и электрическим сопротивлением 4 Ом.

Звучание сравнивалось со звучанием усилителя на ОУ LM4780 [3], в котором оба мощных ОУ включены по обычной инвертирующей схеме.

Испытание показало идентичность звучания мостового усилителя на ОУ LM3886 и звучания усилителя на LM4780 [3] при напряжениях питания ±20 В. При таком питании на максимальной громкости нагрев мостового усилителя на LM3886 был выше, чем нагрев усилителя на LM4780. При питании напряжениями ±12,5 В мостовой усилитель на LM3886 показал превосходные результаты даже на максимальной громкости, а его нагрев был существенно меньше, чем нагрев усилителя на LM4780 при питании его напряжениями ±20 В.

В обоих случаях ухудшения звучания мостового усилителя замечено не было.

Кроме того, применение стабилитрона VD1 (см. рис. 5) [4] совместно с повторителем на ОУ взамен специализированной микросхемы ИОН ADR291 в качестве источника опорного напряжения V_ref для установки выходных «нулей» усилителя привело к существенному снижению шума в АС при отсутствии сигнала. Если в усилителе на LM4780 [3] при отсутствии сигнала и максимальной громкости шум можно было услышать на расстоянии 20–25 см от АС, то в настоящем усилителе шум был слышен только в непосредственной близости от динамика АС.

При испытаниях усилителя на современных более мощных и качественных АС было отмечено очень чистое звучание с отличной детализацией.

Заключение

Применение ИУ AD8295 при конструировании мостового усилителя позволяет:

включать оба мощных ОУ, работающих в мостовом режиме, как два абсолютно идентичных классических инвертора с одним и тем же коэффициентом усиления, что кардинально снижает КНИ+Ш;

снизить коэффициент передачи УМЗЧ до минимального значения, т.е. реализовать максимальную глубину ООС;

использовать низкое напряжение питания (до ±12,5 В), что даёт возможность применить источник питания с существенно меньшей мощностью, удвоить его КПД, уменьшить нагрев БП и самого усилителя, его массогабаритные параметры и цену;

подключать к усилителю регулятор громкости с высоким выходным сопротивлением;

полностью избавиться от разделительных конденсаторов, которые добавляют собственный шум на средних и, особенно, на высоких частотах и «заваливают» АЧХ на низких.

Литература

1. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 3. Современная электроника. 2017. № 6. С. 77.
2. Кузьминов А. Активный фильтр на мощном полевом транзисторе и ОУ с защитой от превышения тока. Современная электроника. 2016. №3.
3. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя в усилителе низкой частоты. Современная электроника. 2016. № 6.
4. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 1. Современная электроника. 2017. № 4. С. 79.
5. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 2. Современная электроника. 2017. № 5. С. 50.
6. Кузьминов А. Использование мощных полевых транзисторов и операционных усилителей в регуляторах и стабилизаторах напряжения. Современная электроника. 2012. № 7.
7. Кузьминов А. Сверхминиатюрные изолированные DC/DC-преобразователи со стабилизированным выходом и ультранизким уровнем пульсаций. Современная электроника. 2012. № 8.
8. Кузьминов А. Импульсный ИП со стабилизированным выходом и низким уровнем пульсаций. Часть 3. Современная электроника. 2015. № 5.
9. Пахомов A. Тонкомпенсированный регулятор громкости с активной бас-коррекцией. Радио. 2003. №6.
10. Демченко Б. Тонкомпенсированный регулятор громкости с переменным резистором без отводов. Радио. 2015. № 12.

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!