Wzmacniacz mocy MOSFET do kina domowego

Prezentowany projekt sześciokanałowego wzmacniacza mocy audio do kina domowego powstał dosyć dawno, bo w 2005 roku. Od tego czasu urządzenie jest podłączone do komputera i pracuje bezawaryjnie, napędzając dwie dwudrożne kolumny głośnikowe. Sam układ jest dosyć prosty w wykonaniu, jedyną trudnością była ilość modułów wzmacniaczy, jaką trzeba było pomieścić w obudowie. Wewnątrz można znaleźć transformator toroidalny o mocy 200VA, zasilacz główny, 6 płytek wzmacniaczy, sterownik mikroprocesorowy wraz z elektronicznymi potencjometrami PGA2310. Końcówki mocy w stopniu końcowym posiadają popularne i tanie tranzystory MOSFET.

Zasilacz główny

Jest to najprostsza część całego wzmacniacza: klasyczny zasilacz transformatorowy, dostarczający napięcia symetryczne – niestabilizowane dla stopni końcowych wzmacniaczy oraz stabilizowane, zasilające układy pomocnicze. Transformator o mocy 200VA został wykonany na zamówienie, dostarczane przez niego napięcia to 2x22V 2×1,9A oraz 2x13V 2x5A. Mostek prostowniczy dołączony do uzwojeń o niższym napięciu został zamontowany do obudowy poza płytką drukowaną, co pozwala lepiej rozpraszać wytwarzane przez niego ciepło.

Schemat układu wygląda następująco:

Napięcie symetryczne +/-16V zasila stopnie końcowe 5 wzmacniaczy, +/-30V jest doprowadzone do wzmacniacza subwoofera, pozostałe napięcia, już stabilizowane, zasilają układy w 5 wzmacniaczach kanałów przednich, tylnich i centralnego.

Elementy, głównie duże kondensatory elektrolityczne, zostały zamontowane na sporym kawałku laminatu. Z uwagi na natężania prądu, kluczowe ścieżki są dosyć grube:

Szczegóły wykonania tego modułu można zobaczyć na zdjęciach w dalszej części tego wpisu.

Sterownik mikroprocesorowy i cyfrowe potencjometry

Wzmacniacz nie posiada typowego przedwzmacniacza z regulacją tonów czy balansu, ale nie chciałem rezygnować z regulacji głośności. Zastosowanie potencjometrów mechanicznych przy sześciu kanałach nie wchodziło w grę, zdecydowałem się na regulację elektroniczną. Przeprowadziłem próby z różnymi układami, aż natrafiłem na PGA2310 o wysokich parametrach. Sporo pozytywnych opinii o tych układach znalazłem na forach miłośników audio. Układy są sterowane magistralą szeregową SPI, co wymagało zastosowania mikrokontrolera – tu zdecydowałem się na dosyć tani wtedy AT90S2310. Pełni on w zasadzie dwie role – ruch gałki impulsatora zamienia na dane, które wysyła do PGA2310 oraz włącza/wyłącza zasilacz główny za pośrednictwem przekaźnika.

Schemat układu:

Nieco dziwne może się wydawać zastosowanie dwóch odrębnych zasilaczy – już tłumaczę. W pierwszej wersji potencjometry były zasilane z zasilacza głównego wzmacniaczy, niestety podczas włączania na głośniki szła spora szpilka generując głośny strzał. Nie udało się tego zniwelować wykorzystując sprzętowe wyciszenie (specjalny pin mute w pga2310). Wniosek był taki, że najpierw muszą zostać włączone potencjometry, a później wzmacniacze mocy. W czasie budowy najoptymalniejszym dla mnie rozwiązaniem było dorobienie na szybko dodatkowego zasilacza symetrycznego na małym, 2VA transformatorku.

Z uwagi na brak miejsca w obudowie, układy PGA2310 zostały zmontowane na oddzielnych płytkach, które wpina się pionowo w złącza J4-J6. Schemat takiego modułu można zobaczyć poniżej:

Sterownik został zmontowany na w sumie czterech jednostronnych płytkach drukowanych – główna PCB i trzy jednakowe z PGA2310:

Projektując PCB nie udało się uniknąć kilku zworek – oznaczonych kolorem czerwonym.

Do płytki sterownika dołączony jest enkoder (impulsator) oraz mikroswitch i dwie diody led poświetlające guzik, zależnie od stanu zasilania (praca/standby):

Mikroswitch i ledy zostały zamontowane na małym kawałku laminatu, który jest przykręcony do przedniego panelu obudowy:

Zastosowałem diody o średnicy 3mm, kolor biały świeci, gdy wzmacniacz jest w trybie standby, zasilając tylko sterownik i potencjometry, niebieskie podświetlenie przełącznika sygnalizuje pracę wzmacniacza.

Program sterujący, z uwagi na brak czasu, został napisany w języku Bascom Basic i skompilowany demontracyjną wersją Bascom-AVR. Kod to zaledwie kilkanaście linijek – włączanie/wyłączanie, obsługa impulsatora, wysyłanie danych do PGA2310 (te same wartości do 3 układów) oraz zapisywanie nastaw do pamięci EEPROM podczas przechodzenia do trybu standby. W dalszej części wpisu znajduje się link do archiwum z plikiem binarnym.

Pięć wzmacniaczy kanałów przednich, tylnich i centralnego

Do zasilania zestawów głośnikowych lewych oraz prawych umieszczony z przodu i z tyłu, oraz kanału centralnego, zastosowałem nieco zmodyfikowany układ wzmacniacza, opublikowany w Elektronice dla Wszystkich nr 3/2002. W oryginale całość była zasilana z transformatora z pojedyńczym uzwojeniem dającym 12V a wymagane napięcia były uzyskiwane przez zastosowanie m.in podwajacza napięcia. U moim układzie miałem odpowiedni transformator i nie musiałem stosować tych rozwiązań. Schemat układu prezentuje poniższy rysunek:

Do układu dochodzi sporo napięć – wynika to z zastosowania stopnia końcowego pracującego w układzie wspólny dren. Jeśli dren mosfeta jest zasilany napięciem 16V i taką samą wartość przyłożymy na bramkę, to na żródle otrzymamy około 11V, co znacznie ograniczy moc maksynalną wzmacniacza. Z tego względu zostały zastosowane źródła prądowe na T2 i T3, wstępnie polaryzujące bramki mosfetów. Ich wydajność prądową wyznacza napięcie zasilania (24V), napięcie podane na bazy (22,75V) i rezystory R9, R10, wynosi więc ona 10mA. Prąd spoczynkowy wzmacniacza ustala się potencjometrem PR1, u mnie jest to 70mA. Tranzystor T1 kompensuje zmiany tej wartości wskutek zmian temperatury tranzystorów końcowych i musi być zamontowany do radatora. Napięcie stałe na wyjściu wzmacniacza nie przekracza w żadnym z 5 sztuk 10mV, przy wejściu zwartym do masy.

Wzmocnienie układu wyznaczają rezystory R3 i R4 – wynosi ono 22x czyli 27dB.

Układy zostały zmontowane na jednakowych płytkach, rozmieszczenie elementów wygląda następująco:

Pojedyńczy laminat wymusił zastosowanie kilku zworek (kolor czerwony). Tranzystor T1 został zamontowany na odcinku przewodu i wciśnięty w otwór w radiatorze, co zapewnia sprzężenie termiczne i pozwala na stabilizację prądu spoczynkowego. Poniżej można znaleźć zdjęcia zmontowanych modułów jak i rzeczywiste, zmierzone parametry wykonanych wzmacniaczy.

Wzmacniacz MOSFET do subwoofera

Głośnik niskotonowy (popularnie subwoofer), zwany w systemie Dolby Digital LFE (Low Frequency Effect) powienien być napędzany wzmacniaczem o mocy, która pozwoli wiernie oddać wszelkie grzmoty, uderzenia, eksplozje i inne dźwieki o bardzo niskich częstotliwościach. Znalazłem kiedyś w Praktycznym Elektroniku (nr 1/98) układ, który wydawał się być idealnym do takiej roli – spora moc i do tego MOSFETy w stopniu końcowym.

W tym układzie tranzystory końcowe pracują w konfiguracji wspólne źródło, do tego są sterowane w dość ciekawy sposób. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest obciążone rezystorem R14, co powoduje że amplituda wejściowego sygnału audio przekłada się na prąd pobierany przez wzmacniacz operacyjny. Prąd ten, przepływając dla dodatnich połówek przez R4 i ujemnych przez R5 powoduje proporcjonalne spadki napięć, które są podawane na bramki MOSFETÓW, sterując nimi. Rozwiązanie takie uniezależnia całkowicie zasilanie wzmacniacza operacyjnego i stopnia końcowego. Prąd spoczynkowy ustala się za pomocą potencjometru PR2, u mnie wynosi on 50mA. Brak tu co prawda stabilizacji termicznej, ale po dosyć mocnym nagrzaniu odchyłka nie przekracza 7%, więc nie ma tragedii. Tranzystory T3 i T4 zabezpieczają wzmacniacz przed zbyt dużym prądem wyjściowym, obcinając w razie konieczności amplitudę sygnału wyjściowego.

Wzmocnienie układu zostało ustalone na wartość 29dB (27x). Na wejściu zatosowałem dodatkowo potencjometr montażowy, który umożliwia zmniejszenie aplitudy sygnału, gdyby okazało się, że niskie częstotliwości są zbyt głośne.

Układ tradycyjnie został zmontowany na jednostronnym laminacie:

Ścieżki udało się zaprojektować w miarę sprawnie – konieczna okazała się tylko jedna zworka.

Montaż modułów w obudowie

Z uwagi na sporą liczbę płytek drukowanych, zdecydowałem się na zakup dużej obudowy metalowej, o oznaczeniu T-444. Mimo sporej, dostępnej powierzchni, wzmacniacze trzeba było montować w “kanapkę”, jeden nad drugim.

Z powodu gniazda bezpiecznika w tylnej ściance, transformator musiałem zamontować nad nim, używając płytki z aluminium jako podstawy. Wszystkie tranzystory stopni końcowych są przykręcone do radiatora za pośrednictwem podkładek izolujących. Przewody masy są prowadzone z jednego miejsca – śruby znajdującej się między sterownikiem a wzmacniaczami.

Płytka z mikroswitchem i diodami została przykręcona do plastikowych kawałków, które z kolei przykleiłem poxipolem do metalowego panelu przedniego. Impulsator również został wlutowany w płytkę i przykręcony do obudowy.

Radiatory jak i transformator toroidalny zostały dobrane na wyrost, trzeba naprawdę się natrudzić, by całość osiągnęła 60ºC przy wszystkich 6 głośnikach.

Dla większego porządku, wszystkie kable zasilające zostały przypięte trytkami do dna obudowy, a te przewodzące prąd o napięciu 230V posiadają podwójną izolację – obudowa jest metalowa i najmniejszy błąd w sekcji napięć sieciowych może być tragiczny w skutkach.

Radiatory starałem się przykręcić pod i nad otworami wentylacyjnymi, by chłodziło je swodobnie przepływające powietrze.

Panel tylni to wejściowe gniazda cinch i wyjściowe zaciski laboratoryjne oraz gniazdo bezpiecznika:

Opis gniazd:

W całym układzie stosowałem połączenia skręcane (listwy ARK) lub goldpiny z gniazdkani, tak by dało się szybko wyciągnąć dany moduł bez konieczności używania lutownicy. Podczas budowy i testowania takie rozwiązanie świetnie się sprawdzało.

Wrażenia odsłuchowe i pomiary parametrów

Na wstępie zaznaczam, że nie jestem audiofilem :), ale też nie zadowole się byle czym. Budując wzmacniacz, wiedziałem czego mogę się spodziewać po pięciu modułach na mosfetach, gdyż wcześniej złożyłem układ z Elektroniki dla Wszystkich, niewiadomą była część z Praktycznego Elektronika, odpowiedzialna za subwoofer. Okazało się, że całość gra bardzo ładnie, zarówno na dwu jak i trzy drożnych zestawach głośnikowych. Słabsze wzmacniacze lubią impedancję 4Ω, która jest nawet wskazana z uwagi na niskie napięcie zasilania stopnia końcowego. Podobnie z kanałem niskotonowym LFE.

Pierwsze, poważne próby odsłuchowe przeprowadziłem jeszcze przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów oscyloskopowych. Dzięki uprzejmości znajomych skompletowałem sześć odpowiednich zestawów głośnikowych, zlutowałem 3 zestawy przewodów jack 3,5mm->chinch na metalowych, drogich wtykach. Zasiadłem przed komputerem z zainstalowanym AC3Filter (kto to jeszcze pamięta 🙂 ) i uruchomiłem z płytki DVD film “Helikopter w ogniu”. Mimo, że widziałem go wcześniej, to przez otaczające mnie efekty dźwiękowe miałem wrażenie, że oglądam ten film po raz pierwszy. Do tego subwoofer robił naprawdę dobrą robotę. Podobnie pozytywne wrażenia z filmu “Pan i Pani Smith” oraz “Kill Bill”.

Jako student miałem możliwość skorzystania z profesjonalnych oscyloskopów i generatorów sygnałowych będących na wyposażeniu laboratorium Politechniki.

Podłączając sztuczne obciążenie, generator i oscyloskop wyliczyłem moc skuteczną na podstawie pomiarów:

Wzmacniacze L, R, Ls, Rs, C – wejście sinus 240mV RMS, f=1kHz, dla obciążenia 4Ω uzyskałem 27,5W, dla 8Ω 13,8W

Wzmoacniacz LFE – wejście sinus 320mV RMS, f=1kHz, dla obciążenia 4Ω uzyskałem 60W, dla 8Ω 47,5W, ale przy sygnale 355mV RMS na wejściu.

Przy dzisiejszych chwytach marketingowych i mocach PMPO rzędu 200 czy 500W na plastikowych kolumienkach z zasilaczem wtyczkowym, uzyskane wartości mogą wydawać się śmieszne. Jednak przy odpowieniej jakości kolumnach głośnikowych rozmieszczonych w salonie o powierzchni ~40m², mocy jest zdecydowanie za dużo, a i sąsiadom w bloku też można uprzykrzyć życie.

Równie istotny parametr to pasmo przenoszenia. Zdjęta charakterystyka dla wzmacniacza o mniejszej mocy wygląda tak:

Warunki pomiaru to sinus 24mV RMS podany na wejście i obciążenie 4Ω na wyjściu. Spadek -3dB wystąpił w paśmie 24Hz-66kHz, czyli całkiem nieźle.

Dla wzmacniacza LFE zasilającego subwoofer:

Na wejście podany sinus 32mV RMS, obciążenie wyjścia 4Ω. Pasmo -3dB to 7,5Hz-43kHz. Już wiedziałem, skąd to mocne dudnienie :). Mimo, że jest to wzmacniacz kanału niskotonowego, nie stosowałem odcięcia wyższych częstotliwości – zarówno z komputera jak i odtwarzacza DVD z sygnał na wyjściu LFE był odpowiednio obcięty.

Jak to często bywa, życie okroiło wykorzystanie wzmacniacza do dwóch dwudrożnych kolumn, stojących na podłodze, po lewej i prawej stronie biurka z komputerem. Może wrócę do pomysłu sprzed kilku lat, by zmostkować po dwa identyczne wzmacniacze i dołożyć jakąś skrzynię z subwooferem :).

Dla zainteresowanych udostępniam pliki graficzne pozwalające wytrawić płytki (np. tą metodą) oraz wsad do mikrokontrolera: wzmacniacz_mosfet_5_1.zip.