понедельник, 25 декабря 2017 г.

О том как я "бегал по кругу", собирая схему управления для усилителя.


Цифровой модуль управления усилителем

Добрый день!

В записи Вы найдете, кроме моей болтовни, пару схем, помогающих побороть щелчки в наушниках и акустических системах, возникающие при включении и выключении усилителя. Приведенные схемы подходят для применения в любых усилителях. Нужно будет только подобрать подходящие к случаю реле). 

Главными героями записи станут модули, недавно примененные в одном из наших усилителей для наушников. Чуть-чуть расскажу о том, как они собирались.

Если Вы посчитаете, что что-то стоило сделать иначе или просто пожелаете обсудить запись - напишите, пожалуйста, об этом в комментариях. Я буду очень рад и благодарен, если Вы поделитесь своим опытом, идеями и мыслями.


А теперь к делу:)

Задумал я поставить в усилитель две вспомогательные системы.

Первая состоит из трех реле. Одного «силового», управляющего питанием (об этом я рассказывал ранее), и двух «сигнальных», подключающих (с задержкой) наушники к выходу усилителя и входной сигнал к его входу. Этим они оберегают уши слушателя от неприятных щелчков при включении и выключении устройства.

Для большей наглядности хочу показать структурную схему усилителя:


Примечание: я постарался сделать ее понятной и подписал все модули и сигналы. Но если это не получилось - пишите. я все поясню и отвечу на вопросы :) 

Как видно из схемы, выходное реле включено обычно - в разрыв проводов, и по управляющей команде подключает или отключает наушники от усилителя. Несколько иначе установлено входное реле. Оно не рвет линию, а "притягивает" к "общему" проводу. Выгода очевидна: контакты реле исключены из пути протекания сигнала и не могут его портить.

Вторая система должна была контролировать температуры радиатора и воздуха внутри корпуса, и в случае перегрева отключать всю систему. Корпус усилителя полностью закрытый и не имеет вентиляции, а установленный в него усилительный модуль и силовой трансформатор сильно греются, именно это заставило задуматься о возможном перегреве.


Первая схема:

Включать реле с задержкой несложно. Можно обойтись простой схемой, вроде этой:

Простая схема задержки подключения нагрузки к выходу усилителя

Ее можно использовать в любых усилителях, регулируя задержку срабатывания изменением емкости конденсатора C1 и сопротивления резистора R1.

Основное и, наверное, единственное ее слабое место - зависимость времени задержки включения реле от напряжения питания.

Проиллюстрирую. 

Для этого я смоделировал схему и получил графики изменения напряжений на времязадающем конденсаторе C1 и на реле, при трех разных напряжениях питания (25 В, 30 В, 35 В) и неизменных номиналах элементов схемы:

Графики напряжений в простой схеме задержки подключения нагрузки к выходу усилителя

На всякий случай, хочу немного пояснить то, что изображено на рисунке.

Все процессы в схеме стартуют в тот момент, когда на нее подается напряжение питания. Это напряжение отображают оранжевые кривые верхнего графика (для трех разных случаев: 25 В, 30 В и 35 В), а "ступеньки" на них - это и есть начало работы схемы. Все задержки в схеме отсчитываются от этого момента (отметка 2 секунды).

Семейство синих кривых на верхнем графике показывает динамику изменение напряжения на конденсаторе С1. Каждая кривая соответствует одному из трех уровней питающего напряжения. Самый быстрорастущий график получен при напряжении 35 В, самый медленный - при 25 В. Закономерность очевидна: с увеличением напряжения увеличивается ток через резистор R1, и быстрее заряжается конденсатор C1.

На нижнем, красном, семействе графиков кривые отображают напряжение на реле. Пока напряжение нулевое - реле выключено. Но как только напряжение скачком увеличивается - реле включается. Происходит это в тот момент когда напряжение на конденсаторе С1 достигает порогового уровня, примерно равного 14 В (определяется как сумма напряжения стабилитрона VD1 + и напряжения между базой и эмиттером транзистора VT2, которое можно принять равным 0,65 В). 

Хорошо видно, что при разных питающих напряжениях, время включения реле так же разное. При напряжении 35 В - задержка от момента подачи питания до включения реле составляет 8 секунд, при 30 В - 10 секунд, а для 25 В - 13 секунд.

Печальный итог: разброс времени очень большой. 


Выбор:

Описанная схема - это первое, что пришло в голову, когда я начал думать над реализацией модуля задержки подключения наушников ко выходу усилителя. Но я ее почти сразу отбросил.

И дело не в ее нестабильности (побороть ее совсем не сложно)... Я не увидел смысла в ее применении. По заданию мы должны не только управлять реле, но еще и температуру мерить. Городить для этого аналоговую схему желания не возникло. Показалось что проще сделать всю систему цифровой: С этим нет никаких сложностей: возьмем модуль Arduino ProMini, добавим к нему ключи для управления реле, светодиоды для индикации, датчики температуры (DS18B20), запитаем все это от простого импульсного понижающего стабилизатора и для надежности поставим на входе ограничитель напряжения... Вот и готов блок защиты. 

Точную схему пока не покажу, как и программу: хочу написать о них чуть позже отдельную заметку :)

Тут приведу только неполную модульную схему:

Структурная схема цифровой системы управления усилителем на базе Arduino

Кстати: первое фото в статье, это и есть собранный цифровой модуль).

С программой все оказалось просто: ни каких требований к размеру и скорости кода, а задачи поставленные перед ней несложные: дергать ножками, зажигать светодиоды, считать время и работать с цифровыми датчиками. Поэтому обошелся стандартными средствами ардуино и быстро все написал. Прошил, запустил и проверил. Все отлично работало. Модуль был готов.


Поворот на 180 градусов:

Закончив модуль управления, я заполучил все необходимое, для финальной сборки и тестирования усилителя. Но приступив к проверке, неожиданно, во время тепловых испытаний, обнаружил, что просчитался с системой охлаждения. Она оказалась значительно эффективнее чем ожидалось. Даже в самой критической (с точки зрения нагрева) нештатной ситуации, в которую специально был загнан усилитель, температура радиатора даже близко не подбиралась к опасной отметке. 

Как это ни странно, но я расстроился: вся система контроля температуры потеряла свой смысл. Она просто не могла сработать ни при каких условиях..:( Разве что усилитель будет играть, стоя в прогретой духовке.... Так к чему тогда контроллер и цифровые датчики, которые ничего полезного не делают и при этом генерируют ВЧ помехи? 

Нужно было срочно что-то решать, тем более что время, отведенное для постройки усилителя стремительно заканчивалось. Борьба между желанием оставить все как есть и стремлением воспользоваться случаем и избавится от источника ВЧ помех, была скоротечной. С разгромным счетом победило желание сделать все правильно. 

Так как время поджимало, я за один вечер собрал новый, теперь уже аналоговый, модуль управления. Он не умел почти ничего из того, что умел его более интеллектуальный предшественник. Всех его способностей хватало только для управления парой реле). 

Вторая схема:

За основу взял схему забракованную в самом начале статьи, но внес кое-какие изменения. :) :

Простая схема задержки подключения нагрузки к выходу усилителя

В первую очередь заменил времязадающий резистор (R1 на самой первой схеме) на источник тока (VT1, VT2 и элементы рядышком). В результате этой нехитрой манипуляции время срабатывания реле почти полностью перестало зависеть от напряжения питания. На графиках это хорошо видно:

Графики напряжений в простой схемы задержки подключения нагрузки к выходу усилителя

Теперь, при любых уровнях напряжения питания, переключение реле (ступеньки на нижних графиках) происходят в одно и тоже время. И я очень этим доволен :)

Вторым изменением схемы стало объединенное управление двумя выходами, между срабатыванием которых имеется небольшая пауза. Вот графики это демонстрирующие:


Красные нижние графики соответствуют выходному реле, черные - входному. Видно что выходное реле сработает чуть раньше чем входное. Это то, что нужно: сначала подключаются наушники и только после этого сигнал к входу усилителя.

Работа по сборке аналогового модуля и замены на него цифрового заняла два вечера. Так как аналоговый модуль я сделал таких же размеров как и старый цифровой, "пересадка" блока прошла очень быстро и без каких либо проблем.

Но в срок я все же чуть-чуть не уложился, впрочем за разумные пределы все же не вышел.... 


Вот как-то так я собирал модуль управления :).

Так как сейчас начинаются работы по созданию модуля управления для будущих "серийных" усилителей, я буду рад, если Вы поделитесь своими идеями и опытом касательно того, каким он мог бы быть и какие стоит в него добавить функции.

С уважением, Константин М.

Приглашаю в гости:) :

Мой профиль в G+
Моя страничка на Facebook'е

Общий блок "Философии звука"
Сообщество на Facebook'е
Сообщество ВКонтатке