Трехканальный УМЗЧ для автомобиля

В статье описан трехканальный УМЗЧ с выходной мощностью около 60 Вт на канал для фронтальных громкоговорителей и 150 Вт для сабвуфера. В единой конструкции усилители и кроссовер объединены с блоком преобразователя напряжения бортовой сети.
Схема и конструкция платы могут быть использованы при изготовлении дополнительных усилителей для домашнего театра, хотя в этом случае блок сетевого питания (импульсный либо классический) лучше смонтировать отдельно.

Для высококачественного пятиканального варианта воспроизведения звука в движущемся автомобиле необходима выходная мощность УМЗЧ не менее 50 Вт на канал для фронтальных громкоговорителей, Не менее 20 Вт для тыловых громкоговорителей и 100 Вт для сабвуфера. Магнитолы или CD-ресиверы, продаваемые в магазинах, обычно выдают мощность до 15 Вт (до 20 Вт при работающем двигателе), обеспечивая необходимый запас мощности для громкоговорителей средней чувствительности только на стоянке. Таким образом, автор посчитал необходимым дополнить головное устройство внешним усилителем для фронтальных громкоговорителей и сабвуфера, а "тылы" обеспечит УМЗЧ магнитолы.
Усилитель мощности имеет три канала: два — для стереосигналов и один — для сигналов НЧ в полосе рабочих частот пассивного сабвуфера. Для обеспечения требуемой выходной мощности при питании от источника напряжения 12... 14 В применен преобразователь напряжения.Максимальная выходная мощность УМЗЧ канала НЧ достигает 175 Вт, максимальная выходная мощность каждого из двух каналов УМЗЧ — 75 Вт. Оба эти значения достижимы на нагрузке 4 Ом при коэффициенте гармоник не более 1 %. При номинальной мощности коэффициент гармоник УМЗЧ значительно меньше: не более 0,01 % — для двух каналов на микросхемах TDA7294 при мощности 60 Вт и не более 0,1 % — в канале для сабвуфера при мощности 150 Вт.
Напряжение питания для нормальной работы блока преобразования напряжения должно быть в интервале 11 16 В. Потребляемый преобразователем ток в покое (без сигнала) не превышает 1 А. При максимальной выходной мощности всех каналов ток потребления от аккумулятора достигает 40 А!
Размеры блока, конструктивно объединяющего усилители и преобразователь напряжения, — 290x153x63 мм, его масса — 2,3 кг.

Рис.1

Усилитель. Схема трехканального усилителя мощности приведена на рис. 1 Два канала УМЗЧ для фронтальных громкоговорителей выполнены на микросхемах TDA7294. Двухполярное напряжение питания выбрано равным 2x28 В, достаточное при работе усилителя на нагрузку сопротивлением 4 Ом. При нагрузке сопротивлением 8 Ом напряжение питания следует повысить до 2x35 В либо все три УМЗЧ подключить к двухполярному источнику напряжения 2x38 В; это упростит схему преобразователя. На входе стереоканалов есть отключаемые фильтры ВЧ с частотой среза 100 Гц, выполненные на операционных усилителях DA5, DA6 Фильтр нужен для исключения перегрузки встроенных громкоговорителей сигналами низкой частоты, на которые они не рассчитаны. При необходимости фильтр отключают переключателем S2. Из двухполярного напряжения +28 и -28 В на выходах стабилизаторов DA7 и DA8 (соответственно серии 7815 и 7915) получается напряжение +15 и -15 В для питания предварительного усилителя и фильтров.
Для канала сабвуфера пришлось отказаться от применения микросхем TDA7294, так как головка 75ГДН-1 самодельного сабвуфера имела сопротивление 4 Ом. Выходная же мощность требуется не менее 150 Вт, одна микросхема такую мощность не обеспечит. Микросхемы TDA7294 в мостовом включении требуют нагрузку не менее 8 Ом. Для тех, кто располагает головкой сабвуфера сопротивлением 8 Ом, можно рекомендовать применение микросхем TDA7294 в мостовом включении с питанием от двухполярного источника напряжения 2x28 В.
Усилитель выполнен на базе известной схемы на транзисторах серий КТ825, КТ827. Лучшей заменой составных выходных транзисторов, по мнению автора, является пара 2SA1302— 2SC3281 (Toshiba) вместе с парой КТ850—КТ851. Однако для сабвуферного канала не требуется усилителя с коэффициентом гармоник в тысячные доли процента, поэтому в оконечной ступени вполне пригодны транзисторы серий КТ8101, КТ8102
Напряжение питания для достижения требуемой мощности выбрано двухполярным 2x38 В. Это потребовало применения дополнительной обмотки на трансформаторе, дополнительных выпрямителя и фильтра в блоке питания.
На входе канала НЧ установлен выполненный на микросхеме DA4 фильтр срезающий частоты выше 120 Гц. Перестройки фильтра не предусмотрено, частоту среза подбирают под конкретную акустическую систему. Для изменения частоты среза можно установить переключатель на 2—3 положения, коммутирующий соответствующие RC-цепи.
Усилитель не имеет на выходе защиты громкоговорителей от попадания на них постоянного напряжения. Поэтому, если в громкоговорителе дорогостоящая головка, то усилитель полезно дополнить соответствующим устройством защиты.

Рис.2

Преобразователь Самой ответственной частью конструкции этого усилителя является преобразователь напряжения; его схема приведена на рис. 2. Он выполнен по схеме двухтактного каскада с трансформатором. В качестве силовых элементов применены переключательные МОП транзисторы. Схема управления со стабилизацией выходного напряжения выполнена на микросхеме ШИ регулятора TL494, обратная связь по напряжению заведена только с плюсовых выводов источников питания, стабилизация минусовых источников осуществляется косвенным путем. Точность поддержания напряжения плюсовых источников в несколько раз выше, чем минусовых. Для более точного поддержания напряжения на всех выходах преобразователя можно поставить компенсационный дроссель (такой установлен во всех БП компьютеров). Дроссель включают сразу после диодов выпрямителя, он должен иметь четыре обмотки (по числу выходов напряжения). Многие "фирменные" усилители вообще не имеют стабилизации выходного напряжения преобразователя.
Кроме применения в преобразователе полевых транзисторов IRFZ44 (по два в параллель), можно рекомендовать и другие транзисторы: IRF1010, IRFZ48, IRFP150, IRFZ46. При их выборе целесообразно ориентироваться на приборы с минимальным сопротивлением сток—исток.
Преобразователь подключается к аккумулятору контактами реле (на ток до 30 А) по сигналу от магнитолы. Такой выход имеется в большинстве магнитол, он служит для выдвижения антенн,включения активных антенн и внешних усилителей. При включении магнитолы на этом выходе появляется напряжение 12 В. При отсутствии такого выхода можно установить на передней панели автомобиля выключатель, который будет подавать напряжение 12 В на реле включения.
На входе инвертора установлен П-образный  LC-фильтр для подавления помех. Дроссель фильтра 2L1 можно намотать на отрезке ферритового стержня проводом ПЭВ-2 диаметром 2 мм, число витков — 10—20. Хороший дроссель получается на обломке феррита от строчного трансформатора телевизора. В его магнитопроводе использован феррит 2000НМС1.
Магнитопровод трансформатора 2Т1 образован двумя сложенными вместе кольцами К42х28х10 из феррита 2000НМ1. Обмотки лучше наматывать жгутом из нескольких тонких проводов (набрав необходимое сечение), чем одним толстым. Выбрав имеющийся провод, например, диаметром 0,8 мм, рассчитываем число проводов обмотки исходя из среднего тока 20 А. Если принять допустимую плотность тока 5 А/мм*, получим жгут из восьми проводов. Перед намоткой острые грани ферритовых колец обязательно нужно закруглить.
Технология намотки следующая. Набирают жгут из 16 проводов необходимой длины и наматывают первичную обмотку, стараясь распределить обмотку равномерно по кольцу. "Прозвонкой" разделяют жгут пополам, начало одной половины соединяем с концом другой. Вторичную обмотку наматываем аналогично. Число витков первичной обмотки — 2x6, обмотки II — 2x16, обмотки III —2x22 витка.
Диоды выпрямителя обязательно должны быть высокочастотными (например, КД213А, КД2997), еще лучше диоды Шотки. В описываемой конструкции диоды КД213А установлены на плате без теплоотвода и при максимальной нагрузке нагреваются не очень сильно, так как режим максимальной нагрузки бывает кратковременным. В иных случаях эти диоды следует установить на теплоотвод.На выходе преобразователя установлены помехоподавляющие LC-фильтры. Дроссели фильтров 2L2—2L5 можно намотать на отрезках ферритовых стержней диаметром 6 мм проводом ПЭВ-2 0,8, число витков — 20. Емкости конденсаторов на выходах 4700 мкФ и 2200 мкФ вполне достаточны, так как фильтрация происходит на высокой частоте, их можно уменьшить, но не более чем в два раза.
Конструкция. Усилитель и преобразователь смонтированы на одной печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм и размерами 280x120 мм. Плата установлена в алюминиевом П-образ-ном корпусе сложной формы с ребрами. Чертеж, поясняющий размещение платы в корпусе, приведен на рис. 3.

Рис.3

Все мощные транзисторы, интегральные стабилизаторы и микросхемы TDA7294 прикреплены через изолирующие прокладки из слюды к промежуточным алюминиевым панелям толщиной 6 мм, которые крепятся болтами к корпусу (с применением теплопроводящей пасты). Поэтому, отвернув всего несколько болтов М5, плату с панелями можно легко снять с корпуса. Винты, крепящие микросхемы и транзисторы к пластине, не должны выступать за ее плоскость. Для устойчивости к влаге смонтированную печатную плату желательно покрыть лаком (СБ-1с, УР-231 или другим).
Корпус анодирован, а снаружи еще и окрашен. Торцы закрыты пластинами из алюминия толщиной 2 мм, которые прикреплены непосредственно к плате. На одной из пластин смонтированы входные разъемы и сделаны отверстия по ручке переключателя и регулятора громкости. На фото рис. 4 представлен внешний вид конструкции и монтажа основных компонентов блока усилителя.

Рис.4

Налаживание каждого из каналов усилителя целесообразно проводить отдельно, подключив его к внешнему лабораторному блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Если блок питания не имеет защиты от короткого замыкания, то первое включение каждого из каналов УМЗЧ следует проводить, подключив его к источнику напряжения через два резистора сопротивлением по 20...50 Ом. Таким образом, можно сохранить оконечные транзисторы от выхода из строя при ошибках в монтаже.
В усилителях на микросхемах TDA7294 убеждаемся в отсутствии на выходе постоянного напряжения, проверяем ток покоя. Подавая на вход сигнал от генератора 34, проверяем сигнал на выходе с помощью осциллографа. В усилителе канала НЧ также убеждаемся в отсутствии на выходе постоянного напряжения, оно может быть в пределах плюс—минус нескольких милливольт. Резистором R40 выставляем ток покоя транзисторов VT5, VT6 около 20 мА, ток покоя оконечных транзисторов VT9, VT10 должен быть равен нулю. Подавая на вход сигнал от генератора НЧ, проверяем сигнал на выходе с помощью осциллографа, доводя его до ограничения. После этого резисторы можно заменить перемычками. Выходную мощность усилителя измеряем,подключив на выход резистор ПЭВ мощностью 25—50 Вт сопротивлением 4 Ом, помещенный в банку с водой для лучшего охлаждения.
Налаживание преобразователя рекомендуется начинать до установки (пайки) переключательных транзисторов или исключив подачу питания на трансформатор. Проверив работу микросхемы TL494, следует подать напряжение питания около 14 В на трансформатор через мощную лампу накаливания на 12 В (60 Вт). Только полностью отладив работу преобразователя с небольшой нагрузкой, лампу можно заменить на предохранитель. Это позволит сберечь мощные транзисторы от выхода из строя при возможных ошибках. Для налаживания преобразователя нужно иметь мощный блок питания с выходным напряжением 12. .14 В на максимальный ток до 20 А или автомобильный аккумулятор. Окончательное налаживание блока (в части достижения равномерной АЧХ) производят в автомобиле.
Рекомендации по размещению усилителя. Обычно усилитель монтируют в багажнике автомобиля, хотя его можно расположить и в другом месте,например, под сиденьем водителя. Так как усилитель потребляет ток до 40 А, то для подключения к аккумулятору необходимы медные провода сечением не менее 10 мм2. Плюсовой провод питания подключают к плюсовой клемме аккумулятора через предохранитель на 50 А. Нужно стремиться, чтобы провод от держателя предохранителя до клеммы был как можно короче. Провод минусовой цепи питания также прокладывают до аккумулятора или подключают к корпусу автомобиля в ближайшей точке. Сигнальные экранированные провода от магнитолы прокладывают по полу автомобиля под ковром.
В. Горев, г. Кондопога, Карелия