Последовательное и параллельное подключение
Для подключения сабвуферного динамика используют последовательное или параллельное соединение. Если же стоит такая задача, как подключить два сабвуфера и более, может применяться одновременно и последовательное, и параллельное соединение.
При последовательном подключении номинальная мощность катушек умножается на два. Например, имеется сабвуфер с двумя катушками по 2 Ом. Подключив их последовательно, на выходе мы получим сопротивление 4 Ом. Само подключение выполняется следующим образом: от усилителя «плюс» подаётся на «плюс» первой катушки, а «минус» – на «минус» второй катушки. Остаётся незадействованным «минус» первой катушки и «плюс» второй катушки, между ними устанавливается перемычка. Более наглядно это продемонстрировано на схеме ниже.
При параллельном подключении катушек сабвуфера номинальная мощность будет делиться на два. Например, у нас есть двухкатушечный сабвуфер, каждая из катушек имеет сопротивление 2 Ом. Используя параллельное подключение, на выходе мы получим сопротивление 1 Ом. Подключение происходит следующим образом: «плюс» от усилителя подаётся на «плюс» первой катушки, затем устанавливается перемычка, которая передаёт «плюс» от первой катушки на вторую, «минус» подключают на «минус» второй катушки. Также устанавливается перемычка, которая передаёт «минус» со второй катушки на первую. Для лучшего понимания ознакомьтесь со схемой параллельного подключения, расположенной ниже.
Измерения параметров ОУ
При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:
Блок-схема изолированного усилителя
В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).
Базовые сведения об операционном усилителе ОУ
Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp – неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:
Основные параметры ОУ:
Ku – коэффициент усиления.
Vos – напряжение смещения нуля.
Диапазон входных и выходных напряжений.
GBW – частота единичного усиления.
CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.
Noise – собственный уровень шума усилителя
Iin – входной ток.
+PSRR – устойчивость к помехе по питанию.
-PSRR – устойчивость к помехе по земле.
V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.
P – потребляемая мощность.
Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.
Схема подключения усилителя
Подключение двухканального и четырёхканального усилителя
Данный раздел мы объединили, т. к. эти усилители имеют очень похожую схему подключения, даже можно сказать проще, четырёх канальный усилитель — это два двухканальных. Подключение двухканального усилителя мы рассматривать не будем, но если вы разберётесь как подключить четырёхканальный, то с подключением двухканального у вас не возникнет проблем. Большинство автолюбителей для своих инсталляций выбирают именно этот вариант, т. к. к данному усилителю можно подключить 4 колонки, или 2 колонки и сабвуфер. Давайте рассмотрим, подключение четырёх канального усилителя используя первый и второй варианты.
Подключение 4 канального усилителя к аккумулятору рекомендуется при помощи толстого кабеля. Как выбрать правильные силовые провода и подключить межблочные это всё мы разобрали выше. Подключения усилителя , как правило, указывается в инструкции от производителя. Когда производится подключение усилителя к акустике, то он работает в режиме стерео, в данном режиме такой тип усилителя может работать под нагрузкой от 4 до 2 ом. Ниже представлена схема подключения четырёхканального усилителя к колонкам.
Теперь разберём второй вариант, когда к четырёхканальному усилителю подключаются колонки и сабвуфер. В данном случае усилитель работает в режиме моно, он берёт напряжение сразу с двух каналов, поэтому старайтесь подбирать сабвуфер имеющий сопротивление 4 ома, это сбережёт усилитель от перегрева и ухода в защиту. Подключить сабвуфер не составит проблем, как правило производитель указывает на усилителе откуда брать плюс для подключения сабвуфера, а откуда минус. Взгляните на схему как осуществляется мостовое подключение 4 канального усилителя.
Подключение моноблока (Одноканального усилителя)
Одноканальные усилители используются лишь для одной цели – подключению к сабвуферу. Примечательной характеристикой усилителей такого плана является повышенная мощность. Моноблоки также способны работать с сопротивлением ниже 4 Ом, что называется низкоомной нагрузкой. Моноблоки относят к усилителям класса D,при этом в них есть специальный фильтр для обрезки частот.
Установка одноканального усилителя не потребует много сил, так как схемы его подключения весьма простые. Всего имеется два выхода – «плюс» и «минус», и если у динамика только одна катушка, то достаточно лишь подключить его к ней. Если речь идет о подключении двух динамиков, то они могут подключаться либо параллельным, либо последовательным способом. Конечно, необязательно ограничиваться только двумя динамиками, но перед тем как подключить усилитель и сабвуфер к магнитоле, справится ли последний с большим уровнем сопротивления.
Работа узла УМЗЧ
Усилитель мощности построен на базе популярной микросхемы U7 (TDA2050). Это наверное самый распространённый аудио усилитель, работающий в классе AB. При общих гармонических искажениях на уровне 0,5% он позволяет достичь мощности порядка 30 Вт. Конденсатор C8 (1uF) отсекает постоянную составляющую сигнала и в то же время представляет собой фильтр высоких частот на входе. R20 (22k) определяет сопротивление на входе усилителя мощности.
Цепь обратной связи – резисторы R21 (680R) и R22 (22k), изменение их соотношения приводит к изменению усиления, причем снижение R22 или увеличение R21 вызывает уменьшение усиления. В даташите микросхемы TDA2050 производитель рекомендует чтоб оно было больше 24 дб. Конденсатор C29 (22uF) отсекает постоянную составляющую на входе усилителя. Резистор R19 (2,2 Ома) и конденсатор C32 (470nF) предотвращает самовозбуждение усилителя. Питание УМЗЧ фильтруют конденсаторы С26-C27 (2200uF) и C30-C31 (100nF). Остальные два канала работают аналогично.
Работа темброблока
Регулировка частот построена классическим образом, элементы, вносящие изменения в характеристики сигнала, находятся в петле отрицательной обратной связи микросхемы U4A. На сопротивлении X1 состоят конденсаторы C17 (4,7 nF), C20 (33nF) и резистор R7 (10k), “половина” потенциометров P1A (100k), P2A (100k) и элементов R8 (10k) и R13 (3,3 к). Сопротивление X2 представляет собой конденсаторы C18 (4,7 nF), C21 (33nF), резистор R9 (10k), “половина” потенциометров P1A, P2A и элементов R8 и R13. Помочь понять может рисунок далее:
Когда любой из ползунков потенциометров P1A или P2A будут переведены со своего среднего положения – это приведет к изменению значения X1 и X2, а, следовательно и значение усиления становится отлично от -1 и начинает зависеть от частоты
Обратите внимание то, что значения X1 и X2 всегда зависят от частоты, поэтому фиксируется только в случае X1=X2
Потенциометр P1A отвечает за регулировку низких частот. Для высоких частот сигнала конденсаторы C20 и C21 являются проводниками, так что регулировка с помощью потенциометра не дает никакого эффекта для этих частот. Потенциометр P2A позволяет регулировать высокие частоты, а благодаря конденсаторам C17 и C18 он не влияет на регулировку баса. Для низких частот конденсаторы C17 и C18 представляют собой размыкание из-за чего потенциометр отключается от схемы и его влияние на регулирование становится незначительным.
Сигнал с выхода темброблока поступает через R12 (4,7 k) на потенциометр для регулировки громкости P3A (100k) и далее еще на ОУ U5A (NE5532). Элементы R14 (15k) и R15 (33k) задают усиление около -2 (-33k/15k). С выхода U5A сигнал через фильтр R17 (100Р), C3 (1uF) и R4 (100k) попадает на вход усилителя мощности УМЗЧ.
Граничную частоту фильтра для сабвуфера можно рассчитать с помощью программ или изменяя значения элементов экспериментально.
Второй канал предусилителя работает аналогично, пассивные элементы в нем, возникающие обозначены дополнительно буквой “а”, а потенциометры и операционные усилители имеют маркировку “Б”.
Дополнительным модулем является сумматор и активный фильтр низких частот, изготовленный с помощью операционного усилителя U6 (NE5532). Выделенный в этой части цепи сигнала используется после соответствующего усиления для раскачки сабвуфера. Сигнал с обоих выходов предусилителя попадает через C22-C23 (220nF) и R2-R3 (100k) на вход U6A. Потенциометр P4 (220k) позволяет регулировать усиление по отношению к главному регулятору громкости P3. P4, R2 и R3 вместе с U6A образуют усилитель с регулируемым коэффициентом усиления в диапазоне 0-2,2. Второй операционный усилитель (U6B) – это активный фильтр низких частот. Значения элементов подобраны так, что система работает как фильтр Баттерворта второго порядка с граничной частоты в районе 200 Гц. Сигнал с выхода фильтра через цепь C24 (220nF), R5 (100k) попадает на вход усилителя мощности.
Какие усилители в какое сопротивление можно подключать
Понижая сопротивление, мы вынуждаем усилитель отдавать большую мощность. К примеру, при подключении динамика в 4 Ом усилитель будет выдавать 500 Вт, а если этот же динамик переподключить в 1 Ом, мощность составит 1000 Вт.
К минусам низкоомного подключения можно отнести:
- Повышение нагрузки на бортовую сеть автомобиля.
- Увеличение искажения усилителя.
Говоря проще, мы жертвуем качеством звука в пользу громкости. Но не все усилители можно подключать в низкоомную нагрузку. Как правило, производитель указывает в инструкции, при каком сопротивлении усилитель будет стабильно работать, не уходя в защиту и не выходя из строя.
Первое, на что мы обратим внимание, это классы усилителей: AB и D
- Усилители AB класса имеют очень маленький КПД, то есть из 100% мощности, которая на них поступает, в звук преобразуются только 50-60%, остальное превращается в тепло. Как правило, производители рекомендуют использовать такие усилители в 4 или 2 Ом. Если же такой усилитель подключить в 1 или 0,5 Ом, он будет сильно греться. При наличии защиты, он выключится сам. Если её нет, просто сгорит.
- Усилители D-класса имеют КПД более 80%, в результате чего мало греются. Такие усилители не боятся низкоомной нагрузки. Производитель рекомендует подключать их вплоть до 1 Ом. Но многие подключают такие усилители и к 0,5 Ом – здесь всё зависит от питания и надёжности усилителя.
Кроме того, усилители могут отличаться по количеству каналов. Используя двух – или четырёхканальный усилитель для подключения сабвуфера, вы будете подключать его мостовым соединением. В этом режиме устройство уже работает на свою максимальную нагрузку. Если ваш усилитель, подключённый мостом, AB класса, то его можно использовать в нагрузку только 4 Ом. При подключении в более низкую нагрузку, даже 2 Ом, он будет сильно греться и, возможно, уходить в защиту, или просто сгорит.
Если усилитель, который вы хотите подключить, имеет D-класс, скорее всего, он более пригоден для низкоомной нагрузки, и его можно подключать в 2 Ом. Но сначала стоит всё же уточнить в инструкции, допускает ли это завод-изготовитель.
Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR
Уравнение идеального ОУ можно записать так:
Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:
CMRR определяется как отношение Ad к Acm.
Рассмотрим схему для измерения CMRR:
Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:
G1 = U1, Uxi = Ux1, Vi=V1;
G1 = U2, Uxi = Ux2, Vi=V2;
Найдем формулу, которая будет определять CMRR:
Входной ток Iin1, Iin2
Рассмотрим схему для измерения входных токов:
Схема измерения входных токов ОУ
Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:
R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux1. ключи S2, S1 – замкнуты.
-
R3 – активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux2.ключ S1 – разомкнут, S2 – замкнут.
R4 – активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux3. ключ S2 – разомкнут, S1 – замкнут.
Найдем формулу, которая будет определять CMRR:
Хорошее питание залог успеха
Процедура подключения усилителя начинается c силовых проводов. Проводка – это важнейший элемент автомобильной аудиосистемы, от неё зависит громкость и качество звука. Для усилителей нужно стабильное питание, т. к. в противном случае мощности будет недостаточно, из-за этого звучание станет искаженным
Чтобы разобраться в том, зачем нужно обращать внимание на качество проводки и как она влияет на воспроизводимый громкоговорителем звук, необходимо узнать, что из себя представляет музыкальный сигнал
Некоторые предполагают, что он представляет собой синус, однако, музыкальный сингал характеризуется большой разницей между обычным и пиковым значением. Если для динамиков автомобильной акустики резкие всплески сигнала не принципиальны, то в случае с усилителем ситуация совершенно иная. Если сигнал хотя бы на секунду (или даже миллисекунду) превысит допустимую мощность, то эти «аномалии» будут слышны даже для тех, кто не может похвастаться хорошим музыкальным слухом.
Если подключение автомобильного усилителя было выполнено должным образом, то сигнал будет идти по проводам в неискаженном виде. Небрежно сделанная работа или неправильно подобранное сечение проводов приведет к тому, что звук будет более зажатым, грубым и вялым. В некоторых случаях также могут отчетливо быть слышны хрипы.
Как выбрать сечение провода?
Провод – это самый обычный метал, обладающим определенным уровнем сопротивления. Чем толще провод, тем ниже сопротивление провода. Чтобы избежать искажения звука во время сильных перепадов напряжения (например, во время воспроизведения мощного баса), необходимо установить провод нужного калибра.
Усилитель принято считать довольно электроемким устройством. Для его эффективной работы необходимо качественное заземление, чтобы была возможность получать нужную энергию от АКБ.Чтобы правильно выбрать сечение проводов необходимо сделать некоторые расчеты. Для начала посмотреть в инструкцию к усилителю (или прямо на коробку от производителя, если документации нет воспользуйтесь интернетом) и найти там значение номинальной мощности (RMS). Номинальная мощность – это мощность сигнала усилителя, которую он может выдавать на протяжении продолжительного периода времени на один канал в 4 Ома.
Если рассматривать четырехканальные усилители, то они обычно имеют мощность от 40 до 150 Вт на канал. Допустим, что усилитель, который вы приобрели, выдает мощность 80 Вт. В результате несложных математических операций выясняем, что суммарная мощность усилителя составляет 320 Вт. Т.е. как мы это посчитали? всё очень просто умножим номинальную мощность на число каналов. Если у нас двухканальный усилитель имеющий номинальную мощность (RMS) 60 Вт., то суммарная составит 120 Вт.
После того как вы посчитаете мощность желательно ещё определить длину провода от АКБ до вашего усилителя и можете смело воспользоваться таблицей для подбора нужного сечения провода. Как пользоваться таблицей? С левой стороны указана мощность вашего усилителя, справа выбираете длину провода, поднимаетесь наверх и узнаете какое сечение вам необходимо.
В таблице указаны сечения медных проводов, помните что большое количество продаваемых проводов сделаны из алюминия покрытым медью, данные провода не долговечны и имеют больше сопротивление, рекомендуем использовать тока медные провода.
Выбор предохранителя
Для того чтобы обезопасить подключение автомобильного усилителя, необходимо обеспечить защиту силовой подводки от АКБ до усилителя с помощью предохранителя. Предохранители должны быть размещены как можно ближе к аккумулятору
Важно различать предохранитель, который защищает само устройство (будет ли это усилитель или магнитола), и предохранитель, установленный на силовой провод
Последний нужен для того, чтобы защитить именно кабель, т. к. по нему идет немалый ток.Убедитесь, чтобы номинал предохранителей совпадал, так как если номинал предохранителя проводки будет очень большой, то в результате короткого замыкания может сгореть провод. Если номинал, наоборот, будет меньше, то предохранитель в момент пиковых нагрузок может легко сгореть и тогда не будет другого выхода, как покупать новый. В таблице ниже указано сечение провода, и необходимый номинал предохранителя.
Запуск и настройка схемы
При первом запуске не вставляйте в панельки операционные усилители и после включения питания проверьте, что на каждой панельке имеются правильные напряжения питания. Потом уже можно всунуть их по местам. Потенциометр громкости должен быть закручен на минимум (до упора влево), а на вход надо подать сигнал с mp3-плеера или компьютера. Усилитель хорошо работает как с динамиками (колонками акустических систем) с сопротивлением 4, так и 8 Ом.
В роли выходных усилителей мощности работают микросхемы TDA2050, TDA2030 или TDA2040, обеспечивая выходную мощность, соответственно 14, 20 или 30 Ватт на канал. Не обязательно все микросхемы усилители должны быть одинаковые. Вы можете установить те что слабее в роли УНЧ стерео, а более мощный усилитель оставить для сабвуфера.
Стабилизаторы напряжения U1 и U2 обеспечивают симметричное двухполярное напряжение на уровне +/-15 В. Можно с успехом применить стабилизаторы на напряжение 12 В или даже 9 В. Это не вызовет изменений в работе предусилителя. Такая процедура будет необходима в случае, если мы хотим питать усилитель меньшим напряжением, чем +/- 18 В. Стабилизаторы 7815 и 7915 могут не хотеть нормально работать с малым падением напряжения. Скачать файлы печатных плат можно тут.
Форум по обсуждению материала СТЕРЕО УСИЛИТЕЛЬ С САБВУФЕРОМ И ФНЧ
|
| ||
|
|
