• Index
• Elektronika

Malý audio zesilovač 2×18W s TDA2009

Protože každoročně pořádáme sraz v několika lidech z VŠ na chatě, rozhodl jsem se zajistit poslech hudby tak, aby někdo z nás nemusel pořád nějaké reproduktory doma vypojovat a vozit je tam a zase zpátky. Asi před rokem jsem na Aukru velmi levně zakoupil dva starší reproboxy Jamo, bylo jen potřeba vyměnit kondenzátory v sérii s výškovými měniči (= horní propusti). Ty původní již byly vyschlé s téměř nulovou kapacitou, v reproboxech tak hráli v podstatě jen basové repro. Zbývalo postavit nějaký maximálně jednoduchý zesilovač, vzhledem k tomu, že spolu s reproboxy již na chatě zůstane.

Výběr

Požadavkem bylo napájet zesilovač externím 24V adaptérem a výkon alespoň 15W do zátěže 8 Ω. Zesilovač v single-ended zapojení je ale při napájení 24V schopen teoreticky dodat jen: $$\frac{\left( \frac{24\,\color{blue}{[V_{p-p}]}}{2 \cdot \sqrt{2}} \right)^2}{8\,\color{blue}{[\Omega]}} = 9\,\color{blue}{[W]}$$ Reálně je to ale méně kvůli limitovanému rozkmitu výstupního stupně cca -2V na kladé i záporné půlvlně. Při rozkmitu výstupního signálu peak-peak 20V je pak maximální možný dodaný výkon do 8 Ω jen 6,25W. Řešením je tzv. můstkové zapojení výstupu, kdy se zapojí dva single-ended výstupy tak, aby pracovaly v protifázi a výsledkem je zdvojnásobení rozkmitu výstupního napětí oproti napájecímu. Při napájení +24V je tak rozkmit 48V peak-peak, což teoreticky znamená výstupní výkon až 36W do 8Ω, reálně samozřejmě méně.

Zesilovač s diskrétními tranzistory jsem stavět nechtěl (a ani by mi to co do jednoduchosti nepomohlo), zbývalo tak vybrat vyhovující integrovaný obvod - jako integrované zesilovače používám obvody TDA (Philips/ST Micro) a LM (National Semiconductor). Známý TDA2030A zde bohužel nepřipadá v úvahu - do 8Ω nemá dostatečný výkon a navíc vyžaduje symetrické napájecí +/-16V popř. jednoduché +36V. Při výběru jsem tak v podstatě listoval obvody TDA počínaje TDA200x dál. Brzy jsem narazil na TDA2009A, který umožňuje jak single-ended tak zejména můstkové zapojení. Je určený pro napájení právě +24V, v můstku dodá dle katalogového listu do zátěže 8Ω výkon 18W při THD=1%. Obvod jsem zakoupil v GM, jeden kus stojí jen 26,- Kč

Vybraným obvodem je TDA2009A v můstkovém zapojení.

Modul zesilovače

Schéma a DPS jsem nakreslil v EAGLU. Použil jsem jak klasické tak SMD součástky. IO je umístěn na kraji desky, tak aby jej bylo přímo možné uchytit na chladič. Konstrukce je samonosná, moduly jsou připěvněny jen přes IO k chladiči. Deska zesilovače vč. IO je velmi malá - pouze 24×36 mm. Výsledkem je mono modul, je potřeba samozřejmě vyrobit 2 ks. Při výrobě posloužila fotocesta.

Poznámka: ve schématu nejsou vstupní vazební kondenzátor, předpokládám jejich přítomnost na předřazeném korekčním stupni.

Stavba

Moduly spolu s chladičem a regulátorem hlasitosti jsem chtěl zadělat do nějaké krabičky - posloužila plastová 4-dílná z řady U-KM z GM. Jako chlazení pousloužil pasiv cca 5,5×5 cm ze starého asi Pentium procesoru, připravený pro montáž 50mm ventilátoru. Aktivní chlazení u zesilovačů většinou nepoužívám kvůli hlučnosti, tady to ale vzhledem k účelu nevadilo (navíc je pasiv samotný pro dva 18W zesilovače malý). Zakoupil jsem proto 50mm ventilátor na 24V a přišrouboval jej na chladič dvěma vruty.

Zadní panel

Zadní panel nese chladič, napájecí a RCA konektory a výstupní terminál pro repro. Chladič jsem zamontoval maximálně jednoduchým způsobem - pasiv má vespod ze stran výstupky, do zadního plastu jsem tak jen vyřízl o na šířku o něco menší otvor, tak aby do něj pasiv šel jakoby nasunout a z druhé strany plastové destičky za zmíněné výstupky zafixovat. Napoprvé jsem nejdříve chladič zafixoval jen tavnou pistolí, což sice šlo rychle a drželo to, ale jen do chvíle, než se pasiv zahřál - lepidlo se začalo opět tavit a chladič nedržel. Nakonec jsem všechno lepidlo odstranil a chladič za výstupky upevnil jen pomocí dvou plastových proužků a až ty zafixoval tavnou pistolí.

Dále jsem vyřízl otvory pro terminály na připojení repro a vyvrtal díry pro RCA a napájecí konektor. Chcete-li, aby panel vypadal trochu k světu, přelepte jej pomocí oboustranné pásky celý bílým tvrdším papírem. Lámacím nožem pak vyřežte do papíru otvory podle těch v plastu. Já jsem toto v podstatě udělat musel, krabička nebyla nová a zadní i přední panel již měly nějaké otvory vyvrtány z dřívějšího použití - papírem jsem je jednoduše zamaskoval.

Instalace modulů je triviální, do pasivu jsem vyvrtal dva 2,5mm otvory a následně vyřezal M3 závity pro přišroubování IO. Pro připojení repro jsem použil kousek DPS s připájenými obyčejnými násuvnými terminály (ARK). Zabírají málo místa a stojí pár korun. Otáčky ventilátoru jsem chtěl řídit v zavilosti na teplotě, v blízkosti IO jsem přišřouboval obyčený termistor NTC (typ K164NK010 - 10k). Vlastí řízení je provedeno na samostatné male destičce.

Přední panel

Přední panel je jednoduchý, nese jen regulátor hlasitosti na distačních sloupkách, vypínač a LEDku. Použil jsem stejný trik s přilepeným papírem.

Regulace hlasitosti

Původně jsem měl hotový modul s IO LM1036N, ovšem ten mi zde nefungoval dobře - bylo slyšet silné zkreslení až "chraptění" zejména při poslechu rockové hudby. Pro regulaci jsem použil jen obyčejný stereo logaritmický potenciometr v jednoduchém zapojení fyziologické regulace hlasitosti (známé také jako loudness), dle schématu na stránkách (obr. 2) p. Belzy. Celé zapojení je realizováno na malém kousku univerzální DPS (abych pravdu řekl, asi by bylo jednodušší nakreslit schéma a desku a vyrobit fotocestou, ale už je to hotové). Hudba bude přehrávána z tabletu, ostatní korekce zvuku budou případně nastaveny v přehrávači na něm.

Oživení modulu a měření

Zesilovač doporučuji při prvním zapnutí napájet ze zdroje s proudovým omezením. Připojte zátěž a prozatím nepřipojujte vstup zesilovače. Pro TDA2009 nastavte na zdroji 24V s omezením proudu na 500mA a zapněte jej. Proud by se měl ustálit na cca 50mA. Na zátěži by jste měli v klidu multimetrem naměřit maximálně řádově jednotky až desítky mV. Před připojením vstupu do PC se multimetrem ujistěte, že na něm není žádné napětí (mohlo by poškodit zvukový výstup PC). Je-li proud v klidu výrazně vyšší nebo přejde-li zdroj do limitace, pak máte na desce nejspíše zkrat. Mě se toto stalo, důvodem byl zmíněný chybějící vazební kondenzátor na modulu zesilovače, který jsem zapomněl přidat na kontaktní pole za potenciometr - zesilovač byl tak trvale vybuzen stejnosměrnou složkou. Připojit zesilovač rovnou k reproduktorům a ke zdroji bez limitace, tak by reproduktory nejspíše zničil. Je-li vše vpořádku, nastavte na zdroji omezení proudu na asi 2A.

Před prvním připojením ke zdroji nastavte proudové omezení na 500mA.

Provedl jsem krátké měření výstupního výkonu. Není to nic složitého, dá se to snadno změřit i v domácích podmínkách, jek tomu ale potřeba osciloskop, který né každý doma má. S trochou snahy by se namísto něj dal vyrobit přípravek s AVR procesorem s integrovaným ADC převodníkem, navzorkovat několik set vzorků a přenést po sériové lince do PC, kde lze hodnoty zobrazit např. v OpenOffice Calc nebo Excelu - jednou jsem tento postup použil, když jsem potřeboval zjistit zvlnění za filtrem usměrňovače a neměl jsem k dispozici osciloskop.

Zátěž

Jako zátěž používám několik výkonových drátových rezistorů v keramickém pouzdře, vhodně řazených do série (pro 8Ω např. 3,3 + 4,7). Rezistory se v závilosti na výkonu zesilovače hodně hřejí, nedoporučuji je mít přímo na dřevěné desce stolu. Položte je např. na hliníkový profil popř. na porcelánovou podložku. Drátové rezistory mají tu výhodu, že je lze s rozumným chlazením i krátkodobě hodně přetěžovat, vydrží to (s např. jen 5W intenzivně ofukovaným odporem není problém změřit 20W zesilovač).

Zdroj signálu

Pro měření potřebujeme zdroj sinusového signálu na 1kHz (při této frekvenci se nejčastěji měří RMS výstupní výkon). Máte-li doma generátor, máte o něco jednodušší život. Já jako zdroj signálu používám obyčejnou zvukovou kartu PC s vhodným programem. Použít se dá např. SweepGen, který v reálném čase generuje na zvukovou kartu potřebný průběh. Alternativou je zvukový freeware editor Audacity, ve kterém si necháte vygenerovat sinusový tón v délce několika minut, které posléze přehrajete.

Doporučuji si vyrobit nebo alespoň postavit na kontaktním poli malý regulátor s potenciometrem a nezapojovat vstup zesilovače přímo do výstupu zvukové karty. Jednak se snáz reguluje amplituda a zvukový výstup PC je odporem potenciometru v sérii alespoň částečně chráněn.

Vlastní měření

Osciloskopem budeme sledovat průběh napětí na zátěži. Protože máme můstkové zapojení, nemůžeme osciloskop připojit jen jedním kanálem (krokosvorkou sondy nemůžeme jeden pól zátěže uzemnit - zkratovali bychom výstup zesilovače), ale musíme použít oba kanály osciloskopu se zemí sond připojenou na zem napájení zesilovače a každou sondou připojenou na jeden pól zátěže. Na osciloskopu pak uvidímě dvě sinusovky v protifázi, které si odečtením signálů (matematická funkce osciloskopu) spojíme do jediného průběhu, odpovídající celkovému napětí na zátěži. Toto napětí budeme sledovat.

Nejdříve stáhněte amplitudu vstupního na nulu. Poté postupně zvyšujte amplitudu a sledujte výstupní signál zesilovače na osciloskopu. Cílem je najít maximální rozkmit výstupního napětí, které ještě není zkreslené - tj. sinusovka má stále hladký průběh bez zdeformovaných vrcholů. V mém případě jsem naměřil maximální rozkmit 35,2V, což odpovídá cca 19,4W při 8Ω zátěži.

Zároveň jsem také měřil teplotu v místě čidla a odpovídající odpor NTC termistoru. Na základě toho jsem pak navrhl jednoduché řízení otáček ventilátoru.

Řízení otáček ventilátoru

U většího projektu bych použil 4-drátovou variantu ventiláru s PWM vstupem a řízení by obstaral jednočip. Tady jsem chtěl opět maximálně jednoduché řešení. Ventilátor na 24V je obyčejný se dvěma přívody, jednočip jsem použít nechtěl. Vyhovělo řízení pomocí obyčejného variabilního stabilizátoru LM317L (pouzdro TO-92) v katalogovém zapojení, postaveném na kousku univerzální DPS. Výstupní napětí je rovno \(V_{REF} \left(1 + \frac{R2}{R1} \right)\), kde V_REF = 1,25V. Cílem bylo nastavit regulaci tak, aby se ventilátor roztočil okolo 60°C a teplota IO nepřesáhla teplotu asi 75°. Ventilátor jsem měl před instalací připojen na regulovatelný zdroj. Pokusem jsem zjistil, že se samovolně roztočí při napětí asi 6,5V a při asi 12-13V jsou otáčky dostatečné na to, aby byl ofukovaný pasiv schopen při běžném provozu uchladit IO na požadovanou teplotu. V katalogovém listu použitého termistoru je uveden výchozí odpor (10kΩ) při 25°C a poté koeficienty pro výpočet odporu při dalších teplotách (např. při 55°C je to ×0.27243, při 75°C už jen ×0.12755). Při 60° vychází odpor asi 2,3kΩ, volba odporů okolo LM317 tedy musí být taková, abychom při R1=2,3kΩ dostali na výstupu asi 6,5V - odtud volba R2=10kΩ, kdy výstupní napětí vychází cca 6,7V. Při 70°C vychází napětí asi 9,4V, při 75°C 11V a při 80°C skoro 13V. U regulátoru LM317 je důležitý zátěžový rezistor R3 (1k), zajišťující minimální odebíraný proud regulátor cca 3mA (dle katalogu, IO jej potřebuje pro svoji činnost, je napájen jen rozdílem vstupního a výstupního napětí).

Řízení otáček výše uvedeným primitivním způsobem je věcí kompromisu. Jediné co jsem počítal je přibližná velikost R2, která ale už zase napevno určuje ostatní parametry vzhledem k použitému termistoru - tedy zejména minimální výstupní napětí při 25°C, které vychází 3,125V. Zároveň jakmile se ventilátor roztočí, tak už mu stačí i hodně malé napětí, aby se udržel v chodu - asi 3,5 až 4V, v podstatě se tak bude po zapnutí nejspíše točit trvale (i když hodně pomalu), což mi tady ale nevadí. Výstupních 13V při 80°C je také ve výsledku daný parametr. Pokud bych chtěl nějaké výrazně lepší řešení, např. aby se při 50° opět vypnul a znovu se zapnul až v 60°C, vyřešil by to nějaký komparátor, který by spínal napájení LM317. Nejspíše bych se ale analogovým řešením už nezabýval a nasadil bych malý jednočip s ADC a PWM výstupem, ve kterém si realizujete jakékoliv řízení dle libosti.

Hotový zesilovač

MADE IN CZECH REPUBLIC

Set hraje vcelku slušně, pro daný účel naprosto vyhovuje. Stavba byla jednoduchá a cena minimální. Pro napájení lze použít téměř jakýkoliv 24V adaptér s výstupním proudem asi 3A (může být nižší, 3A celkově jsou špičkové). Já jsem použil obyčejný spínaný adaptér Sunny 24V/2,7A (měl jsem ho v domácích zásobách). Při nákupu počítejte s cenou asi 300-500 Kč. S ruše-ním spínaného zdroje jsem s tímto adaptérem neměl problém.