Семен Галкин
г. Барнаул
Описываемый в данной статье усилитель представляет собой монофонический (одноканальный) вариант современного высококачественного усилителя мощности звуковой частоты «D» класса и содержит цифровой процессор звука и цифровой оконечный усилитель «D» класса мощностью 315 Вт.
Сегодня никого не удивишь цифровыми устройствами звуковоспроизведения - будь то MP3-плеер, CD/DVD-система домашнего кинотеатра, персональный компьютер и т.д. Времена массовой аналоговой звукозаписи уходят в далекое прошлое. Аудио и видеокассеты все реже и реже встречаются на полках магазинов. Можно с уверенностью сказать, что мир вошел в мир цифровых технологий хранения и воспроизведения звука. Еще несколько лет назад радиолюбители увлекались конструированием традиционных HI-FI линейных усилителей мощности, выходные каскады которых работали в режимах AB, реже A или B. Но, как правило, подобные устройства имели большие габариты, низкий КПД, высокое тепловыделение. Снижение стоимости и доступность высоко-разрядных АЦП, сигнальных процессоров поспособствовали появлению высококачественных усилителей мощности D-класса, основанных на широтно-импульсной модуляции. Работа в ключевом режиме выходных каскадов транзисторов таких усилителей позволяет в разы, а порой и в десятки раз увеличить КПД, тем самым, снижая тепловыделение усилителя и, в конечном счете, его габариты и стоимость. Среди усилителей большой мощности устройства класса D являются непревзойденными по экономичности. Цифровая обработка сигналов исключает возможность появления искажений и шумов в предварительных трактах усилителя, упрощает и облегчает всевозможные линейные и нелинейные преобразования сигнала без использования механических регулировочных элементов, расширяет функциональность усилителя.
Предлагаемый читателю цифровой процессор сигналов - модулятор совместно с четырьмя оконечными силовыми усилителями-демодуляторами дает возможность собрать 4-канальный Hi-Fi усилитель звукового сигнала «D» класса с максимальной выходной мощностью до 315 Вт на канал. Элементная база усилителя основана на базе современных чипов Texas Instruments TAS5261 (мостовой цифровой усилитель) и TAS5504 (цифровой звуковой ШИМ-процессор).
Технические характеристики цифрового процессора звука
- Количество каналов: 4
- Диапазон частот по электрическому каналу: 10 - 40000 Гц
- Диапазон регулировки громкости: -100..+17 дБ
- Напряжение питания стабилизированное: +12 В
- Номинальное входное напряжение: 1 В
- Номинальный уровень выходных ШИМ-сигналов (PWM_P, PWM_N): 3,3 В
- Уровень входных/выходных логических сигналов управления (OTW, SD, RESET -TTL совместимые): 5 В
- Частота дискретизации входного сигнала: 96 кГц
- Частота ШИМ (PWM): 384 кГц
- Соотношение сигнал/шум: -99 дБ
- Уровень гармонические искажения + шум: -93 дБ
- Ток потребления в ждущем режиме, не более: 10 мА
- Габаритные размеры печатной платы: 38x113 мм
Процессор сигналов является неотъемлемой частью усилителя мощности, количество каналов и мощность которого, в конечном счете, определяются Вашими потребностями: числом подключенных оконечных силовых модулей (не более четырех) и напряжения питания оконечных каскадов. Высокий КПД усилителя достигает 96%, способствует непривычно низкому тепловыделению и компактности усилителя, несмотря на высокую выходную мощность. Функциональность усилителя делает его доступным для использования в различных областях - начиная от построения высококлассного стационарного усилителя высокой мощности для систем цифровых домашних кинотеатров и заканчивая автомобильным усилителем мощности.
Процессор сигналов усилителя предназначен для предварительного аналогово-цифрового преобразования звукового сигнала, последующей его цифровой обработки и модуляции в ШИМ-сигнал. Цифровая обработка позволяет избежать появления дополнительного шума, фона, искажений и щелчков при переключениях режимов работы. Кнопочное управление совместно с цифровым индикатором реализуют удобство и комфортность использования основных режимов работы процессора: регулировка громкости, режим "MUTE", управление защитой. Функция запоминания установленного пользователем уровня громкости усилителя позволяет избежать повторной его настройки при возникновении перебоев в питании процессора. Режим контроля и управления защитой от перегрузок, подключенных оконечных модулей, предопределяет высокую надежность и отказоустойчивость усилителя.
Оконечные силовые модули усилителя представляют собой ШИМ усилители-демодуляторы с мостовой схемой включения нагрузки (акустической системы).
Технические характеристики усилителя D-класса
- Напряжение питания силовой цепи: +(5..50) В
- Напряжение питания сигнальной цепи (поступает из процессорного блока) +12 В
- Диапазон частот по электрическому каналу: 10 - 40000 Гц.
- Выходная мощность:
- 125 Вт при Rн=8 Ом КНИ<0.09%
- 220 Вт при Rн=6 Ом, КНИ<10%
- 235 Вт при Rн=4 Ом, КНИ<0.15%
- 315 Вт при Rн=4 Ом, КНИ<10%.
- Соотношение сигнал/шум: 110 дБ
- Номинальный (максимальный) уровень входных/выходных логических сигналов управления (OTW,SD,RESET -TTL совместимые ): 3,3(5) В
- Номинальный уровень входного ШИМ сигнала (PWM_P, PWM_N) 3,3 В
- Частота ШИМ (PWM): 192..384 кГц
- Сопротивление нагрузки: 4..16 Ом
- Ток потребления в ждущем режиме, не более: 10 мА
- Габаритные размеры печатной платы: 38x113 мм
Рис.1. Общий вид 4-х канального цифрового процессора звука и одноканального усилителя «D»-класса BM2071.
Описание работы
Функционально усилитель мощности разделен на сигнальный процессор и отдельные модули усилителей-демодуляторов. В зависимости от потребностей пользователя к процессору можно подключить от одного до четырех оконечных усилителей, тем самым определив число каналов усиления.
Подаваемый на вход процессора сигнал со звукового источника попадает на 24-разрядные двухканальные АЦП U2, U3 где оцифровывается с частотой дискретизации 96 кГц. Сформированные пакеты данных по последовательной шине передаются в цифровой ШИМ-процессор U4, выполняющий функции регулировки громкости и ШИМ преобразования оцифрованного сигнала для последующего его усиления в оконечных усилителях-демодуляторах, выполненных на основе интегральной микросхемы TAS5261 с металлическим теплоотводом. Мостовая схема включения нагрузки в сочетании с однополярным питанием оконечных каскадов упрощают источник питания усилителя, позволяя питать схему напряжением от +5 до +50 В.
Генератор U1 обеспечивает схему необходимыми тактовыми сигналами нужной частоты.
Для управления режимами работы усилителя и их индикации использован микроконтроллер фирмы ATMEl Atmega8 (IC1). К нему непосредственно подключены кнопки управления усилителем, дисплей с динамической индикацией и ШИМ-процессор.
Рис.2. Основные органы управления.
Рис.3. Цифровой оконечный усилитель «D» класса. Схема электрическая принципиальная.
Дисплей – четырех-разрядный цифровой дисплей отображает общий для всех каналов уровень громкости в децибелах. Уровень 0 Дб соответствует номинальной выходной мощности усилителя при номинальном входном напряжении 1 В.
DOWN – кнопка уменьшения уровня громкости. При удержании кнопки уменьшение громкости ускоряется.
UP – кнопка увеличения уровня громкости. При удержании кнопки увеличение громкости ускоряется.
MUTE – кнопка временного приглушения звука. При повторном нажатии процессор переходит в нормальный режим.
ON/OFF – кнопка выключения/включения усилителя. В выключенном состоянии процессор переходит в режим пониженного энергопотребления, сигналы на выходах отключаются, индикация на дисплее отключается.
Светодиод, зажигающийся в выключенном состоянии процессора (усилителя).
Регулировка громкости усилителя осуществляется с помощью кнопок "UP" и "DOWN", соответствующим образом изменяется ее значение на дисплее в диапазоне -100..+17 дБ
Конструкция
Конструктивно усилитель выполнен на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита. Компактная конструкция предусматривает установку платы процессора сигналов усилителя совместно с платами силовых модулей внутри корпуса размером не менее 15,5х4,5х14 см с вентиляционными отверстиями. Подключение процессора к блоку питания, оконечным модулям производится посредством гибких проводов к соответствующим выводам разъемов XS4...XS7. К источнику звукового сигнала подключение производится экранированными проводами.
Рис.4. Реализация 4-канального цифрового HiFi усилителя.
Для питания процессора необходим стабилизированный источник питания, подключаемый к разъему XS2 и обеспечивающий ток нагрузки не менее 500 мА и напряжение +12 В.
Источник аналогового звукового сигнала амплитудой не более 1,5 В подключается к разъему XS3. Так как процессор поддерживает работу одновременно от одного до четырех каналов усиления, то в зависимости от числа используемых каналов требуется подключать соответствующие выходным модулям входные сигналы.
В целом, несмотря на высокую надежность и неприхотливость предлагаемого усилителя, в ряде случаев возможно возникновение случаев срабатывания защиты от перегрузок. Встроенная система контроля и управления защитой выходных силовых каскадов, подключаемых к разъемам XS4-XS7, основана на анализе получаемых от них информационных сигналов перегрева и срабатывания защиты от электрических перегрузок. При получении сигнала перегрева процессор плавно снижает громкость на выходе усилителя, тем самым, предотвращая его дальнейший нагрев. Одновременно в правом нижнем углу дисплея начинает мигать точка, сигнализирующая пользователя о переходе процессора в режим защиты усилителя от перегрева. После того, как силовой модуль перейдет в нормальный режим работы, процессор плавно вернет уровень громкости к значению, установленному пользователем. Важно отметить, что процессор переводит в режим защиты все подключенные силовые модули усилителя в независимости от того, с какого из них был получен сигнал перегрузки.
Подключение усилителя к блоку питания и акустической системе производится посредством гибких проводов сечением не более 2,5 мм через соответствующие выводы зажимов разъемов XS1, XS2. В силу природы ШИМ-модуляции и использования в схеме усилителя низкочастотного LC-фильтра низкого порядка на выходе усилителя, не лишним будет во избежание появления радиопомех применить витую пару при подключении громкоговорителей. Так же не помешают фильтрующие дроссели в выходной цепи блока питания +50 В. К плате модулятора подключение оконечных модулей усилителя рекомендуется производить многожильным гибким проводом типа «лапша» длиной 5-50 см.
После сборки усилителя какой-либо наладки устройства не требуется. Необходимо лишь убедиться в правильности подключения модулей между собой, полярности сигналов и питающих напряжений.
Заключение
Чтобы избавить Вас от поиска электронных компонентов, изготовления печатных плат и проведения монтажа, МАСТЕР КИТ предлагает готовый конструктор BM2072 (4-х канальный процессор сигналов и одноканальный оконечный цифровой усилитель «D» класса с выходной мощностью 315 Вт).
Цифровой усилитель «D» класса мощностью 315 Вт BM2071 предназначен для создания дополнительного аудио канала современного усилителя мощности звуковой частоты и используется совместно с конструктором BM2072 МАСТЕР КИТ.
Связка конструктора BM2072 и трёх блоковBM2071 позволит радиолюбителю без особых трудностей в течение короткого времени изготовить 4-х канальный высококачественный Hi-Fi усилитель «D» класса с суммарной выходной мощностью 315 х 4 Вт.
Материал опубликован в журнале Новости электроники 2007`20.
Рекомендуем обратить внимание на квадроусилитель 4х80 Вт:
