Wzmacniacz samochodowy o mocy 400W. Oparty o przetwornicę push-pull na układzie KA7500 (TL494), o mocy do 500W pozwalającej na pracę czterech końcówek mocy TDA7294. Wzmacniacz na przednim panelu posiada trzy trzy-cyfrowe wyświetlacze LED, wyświetlające aktualne napięcie zasilania wzmacniacza, jego temperaturę, oraz szacunkową oddawaną przez niego moc.
Przetwornica napięcia:
Całość zbudowana na podstawie kitu AVT2732 („przetwornica Irka”, LINK), sprawdzony i ceniony układ. Przetwornica oparta na sterowniku KA7500 (TL494), częstotliwość pracy to 30KHz (1.5nF +10K). Układ ten steruje kluczami IRFP064N o dopuszczalnym prądzie ciągłym aż do 110A, niestety klucze te mają dużą pojemność bramki i niezbędne jest użycie wtórników. W roli takich wtórników pracują dwie pary tranzystorów bipolarnych BD140 oraz BD139 – jak się okazało są one dostatecznie szybkie i wydajne aby sprostać zadaniu. Diody prostownicze to szybkie diody FES16, a za nimi bateria kondensatorów. Początkowe założenie było takie że wykorzystam dwa transformatory z zasilaczy ATX (stąd też takie wycięcie na PCB), lecz po kilku próbach i kilkunastu zasilaczach, doszedłem do wniosku że nic dobrego z tego nie wyniknie. Co zasilacz to inna bajka, każdy jeden transformator był jeszcze bardziej dziwnym wynalazkiem od poprzedniego i nie mogłem znaleźć i wykorzystać dwóch identycznych – i tak musiałbym te transformatory przewijać. Tak więc wybór padł na rdzeń toroidalny TX42 (TX42/13/26) – koszt jedyne 11zł. Trafo nawijane drutem o średnicy 0.7mm. Uzwojenie pierwotne: 4 zwoje, 20 drutami, bifilarnie. Uzwojenie wtórne: 11 zwoi, 6 drutami, bifilarnie. Taka konfiguracja pozwala na osiągnięcie na wyjściu napięcia jałowego na poziomie +-40V, przy napięciu wejściowym 14.5V. Zrezygnowałem ze stabilizacji napięcia wyjściowego, +-40V jest to jeszcze bezpieczne napięcie dla pracującego TDA7294, a w miarę pobierania większej mocy napięcie przetwornicy będzie siadać zmniejszając tym samym prąd końcówki mocy co zapobiegnie jej uszkodzeniu. Przekroczenie napięcia wejściowego powyżej ok 15V spowoduje zadziałanie zabezpieczenia nadnapięciowego i wyłączenie przetwornicy. W ogóle wystąpienie takiego napięcia jest oznaką awarii układu ładowania w samochodzie. Dolnym progiem zadziałania zabezpieczenia jest wartość 9V, chroni to przed zbyt dużym rozładowaniem akumulatora. Transformator nawijany na podstawie mądrości zawartych w tym temacie (LINK). Kierowałem się także poradami zawartymi w tym temacie (LINK) – jest to niezła kopalnia wiedzy i polecam lekturę. Sterownik przetwornicy jest zasilany z linii REMOTE z radia samochodowego – pobór prądu z tej linii wynosi ok 45mA.
Płytka przedstawiona na zdjęciach sporo różni się od tej z załącznika. Pojawiło się wiele problemów podczas uruchamiania i testowania, więc praktycznie całą część z przetwornicą musiałem przeprojektować i poprawiać – w załączniku wersja końcowa. Ostatecznie sprawność przetwornicy wynosi 90% co jest całkiem niezłym wynikiem.
Końcówki mocy:
Końcówki mocy to układy scalone TDA7294, proste, tanie, ogólnodostępne. Moc każdej z nich, w teorii, wynosi 100W. Zmierzona przeze mnie moc (skuteczna) to równe 85W na kanał – przy zniekształceniach na poziomie 1%. Końcówki pracują w standardowej aplikacji z nieco zmienionym sterowaniem linii ST-BY oraz MUTE, tak aby końcówki szybciej się wyłączały po odcięciu zasilania. W tym celu dodano diodę 1N1418 na linii MUTE. Kostki są sterowanie parami, kanał A i B oraz C i D maja wspólne linie ST-BY oraz MUTE. Dlaczego? Otóż dlatego że mogą one pracować w konfiguracji mostkowej, i dobrze jeśli włączą się lub wyłączą jednocześnie. Na płytce obok złącz pinowych do podania sygnału wejściowego, znajdują się jumpery za pomocą których szybko można przekonfigurować końcówki do pracy mostkowej, można mostkować kanały A z B oraz C z D. Aby tego dokonać, sygnał należy podać jedynie na pierwszy kanał (A lub C), a w drugim kanale (B lub D) należy umieścić dwie zworki na oznaczonych jumperach („bridge A+B”, „bridge C+D”), jedną na pinach które były wejściem sygnału, a drugą na dwóch sąsiednich przez które popłynie odwrócony sygnał z wyjścia pierwszej końcówki na wejście drugiej. Oczywiście po takim zabiegu należy odpowiednio podłączyć głośnik.
Dodatkowo na płytce znajduje się filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości odcięcia ok 80Hz. Można go wykorzystać dowolnie, przykładowo sygnał z jego wyjścia podać na zmostkowane kanały a tych użyć jako wyjścia subwoofera. Jest on zasilany napięciem +12V -12V.
Miernik na przednim panelu oraz pomiar prądu:
Miernik oparty o mikrokontroler Atmega8 z programem napisanym w bascomie. Mikrokontroler steruje wyświetlaczami LED poprzez multipleksowanie – czyli w jednej chwili świeci się tylko jeden wyświetlacz. Z tego względu wyświetlacze świecą się słabo więc opory ograniczające prąd segmentów powinny być możliwie małe – na schemacie bezpieczna wartość 100ohm, u mnie 39ohm. Dobrze jest je dobrać wg maksymalnego prądu chwilowego jaki może przyjąć nasz wyświetlacz – patrz nota. Pomiar temperatury zrealizowany na cyfrowym czujniku, popularnym DS18B20 – miałem pewne problemy z pogodzeniem multipleksowania i komunikacji 1wire dla tego czujnika, bowiem przerwanie często zakłócało transmisję, ale „jakoś” to działa
Pomiar napięcia poprzez potencjometr precyzyjny 100K pracujący w roli dzielnika napięcia wpięty tuż przy zaciskach zasilania, a wraz z kondensatorem 100uF tworzy filtr RC uśredniający wynik pomiaru. Dzielnik ustawiony tak że przy 17V na wejściu, otrzymujemy 5V dla przetwornika ADC. Pomiar prądu zrealizowany poprzez pomiar spadku napięcia na ścieżce pomiarowej, pomiar na masie (ścieżka masy pomiędzy kondensatorami C11 i C12):
Opór ścieżki ustawiłem eksperymentalnie dolutowując doń kolejne miedziane druty, i na każdy 1A prądu przypada 1mV odkładającego się napięcia. Tak więc dla prądu 50A spadek napięcia na tej ścieżce wyniesie jedyne 50mV. Nie będzie to powodowało jej grzania a co za tym idzie dryftu temperaturowego. Tak mały spadek jest również znaczący dla pracy samego wzmacniacza, każdy najmniejszy spadek oznacza 2,75 raza większy spadek po stronie wtórnej. Wzmacniacz operacyjny LM358 wzmacnia napięcie ścieżki pomiarowej 100 krotnie, tak więc dla 50A mamy 50mV spadku, i 5V na wyjściu dla przetwornika ADC mikrokotrolera. Dodatkowo wzmocnienie możemy skalibrować za pomocą potencjometru precyzyjnego 100K, a umieszczony dalej filtr RC (100K i 100uF) uśrednia wynik tak że cyfry nie skaczą jak szalone przy każdym uderzeniu basu. Wzmacniacz ten posiada na wejściu tranzystory bipolarne PNP, tak więc może pracować z napięciami wejściowymi równymi 0V (ujemne napięcie zasilania wzmacniacza, tutaj GND). Przy tak niskich napięciach wzmacniacz pracuje trochę nieliniowo, ale pominąłem tutaj ten problem bowiem pomiar prądu służy jedynie do oszacowania oddawanej mocy która i tak nigdy dokładnie oszacowana nie będzie. Sprawność końcówek założyłem na 70%, najpierw program mnoży wartość prądu przez napięcie wejściowe, uzyskując pobieraną moc, następnie doliczana jest sprawność samych końcówek mocy. Sprawność przetwornicy została na razie pominięta. Program nie liczy także średniej wartości – uśrednianie wyników jest zrealizowane analogowo filtrami RC. Program był kalibrowany przy obciążeniu stałym – 4 żarówki 60W/12V – dołączone przy drugim kondensatorze filtrującym na końcu ścieżki pomiarowej. Miernik niemal idealnie wskazywał pobieraną moc – jednak gdy obciążenie zostało dołączone na wyjściu przetwornicy – wynik był zawyżany. Widać że pomimo dobrego filtrowania, zakłócenia z przetwornicy robią swoje. Panel przedni zasilany przez stabilizator typu 7805, załączany z kolei tranzystorem BD135 linią remote. Z tranzystora tego także płynie prąd na wewnętrzny wentylator.
Obudowa:
Dawcą obudowy był wzmacniacz samochodowy pioneer GM-1000. Wykorzystałem z niego także kilka części pasywnych. Cała ramka z płytką PCB została wycięta, w przednim panelu przy pomocy dremelka i tarczek tnących wycięte zostały otwory na wyświetlacze 7-segmentowe, z drugiej strony nowy otwór na gniazdo bezpiecznika oraz otwór na gniazdo zaciskowe dla głośników i dwa gniazda chinch. Przedni panel osłonięty został czarnym naciągniętym materiałem, dzięki czemu wygląda jednolicie i dopiero po włączeniu okazuje się że wzmacniacz posiada ukryte wyświetlacze – może nie są zbyt dobrze widoczne w świetle dziennym ale za to wieczorem wyglądają rewelacyjnie. (Kto zgadnie co to za materiał?) Wszystkie końcówki mocy, klucze przetwornicy, oraz diody prostownicze zostały dokręcone do środkowego kształtownika aluminiowego przez podkładki silikonowe. Kształtownik ten oddaje następnie ciepło do górnej pokrywy wzmacniacza – połączenie termiczne poprawione pastą silikonową.
Dochodzimy do zasadniczej wady tego wzmacniacza – A RACZEJ OBUDOWY – pokrywa jest gruba i masywna, ale nie jest w stanie oddać całego wydzielanego ciepła (liczmy co najmniej 40W z każdej końcówki mocy + do 50W z przetwornicy). Wzmacniacz potrzebuje dobrego aktywnego chłodzenia, w tym celu na zewnątrz zamocowany został 120mm wentylator (nie ma go jeszcze na zdjęciach). Wewnątrz obudowy pracuje dodatkowy wentylator 40mm. Niestety to za mało aby wzmacniacz pracował ciągle przy pełnej mocy. Przy 75% mocy i ciągłej pracy, po pół godzinie obudowa zagrzewa się do 91*. Powyżej tej temperatury w końcówkach mocy zaczyna działać zabezpieczenie termiczne i amplituda sygnału wyjściowego zaczyna być zmniejszana. Sądzę że to bez znaczenia, bo i tak kto by usiedział w samochodzie przy takiej mocy
? A poważnie – sam układ został dokładnie przetestowany i nieźle dostał po rzopie – żadnych problemów – tak więc wystarczy umieścić w większej obudowie/poprawić chłodzenie i voila
Uwagi:
Przewód prądowy z akumulatora powinien być o przekroju MINIMUM 20mm2. Bezpiecznik zewnętrzny – 50A. UWAGA! Przy zabawie z takimi prądami nie daleko do pożaru instalacji w samochodzie! Pamiętaj że przy takich konstrukcjach amatorskich na pierwszym miejscu stawiać należy bezpieczeństwo. Wykonując kopię tego wzmacniacza, zapoznaj się z tematami na forum do których linki znajdują się opisie. Wzmacniacz nie może przylegać spodem do podłoża, zablokuje to otwory wentylacyjne. Wzmacniacz został porządnie przetestowany przed zamontowaniem w samochodzie. Wszystkie wyjścia zostały obciążone drutem oporowym 200W/4ohm a sam wzmacniacz pracował przez godzinę przy 75% mocy – na więcej nie pozwoliło chłodzenie. Na płytce należy wykonać kilka połączeń przewodami – oznaczono je na czerwono.
W załączniku niezbędne pliki, wraz z kodem źródłowym. Program był pisany "na kolanie", a że działa dobrze, to nie był już poprawiany - proszę się nie czepiać
Pliki eagle udostępniam indywidualnie.
Jest to natomiast pierwsza moja konstrukcja tego typu, jestem ciekaw wszelkich uwag od osób które już konstruowały typowo samochodowe wzmacniacze mocy.
Cool? Ranking DIY
