УНЧ встроенный в ПК или чем заменить LM3886

При конструировании усилителя низкой частоты (УНЧ) одной из самых больших проблем на конечном  этапе работ  для радиолюбителей обычно является изготовление красивого корпуса. Его в настоящее время, конечно же, можно купить. Однако не у всех есть такая возможность, он не так уж дёшев, да и «подгонять» под свои нужды его всё равно придётся. В то же время почти у каждого дома сейчас есть стационарный компьютер, а в нём есть достаточно места для размещения усилителя. И вполне возможно сделать это так, чтоб УНЧ и компьютер друг другу не «мешали». К тому же многие используют в качестве источника звука аудио-карту компьютера для прослушивания музыки, игр или просмотра фильмов.   В этом случае встроенный   УНЧ избавит от необходимости использования внешнего усилителя. А сам УНЧ можно изготовить с гораздо лучшими параметрами и значительно дешевле, чем, например, обычно используемые активные акустические системы  для компьютера, даже если говорить об активной акустике неплохого качества.

Схема УНЧ может быть любая на ваш вкус. Её сложность ограничена лишь вашими возможностями, умением и небольшим объёмом свободного пространства в корпусе компьютера. Мне же нужен был стерео усилитель с простой схемой, невысоким уровнем искажений, с хорошим звуком и  мощностью 50….100 Вт на канал. Сначала выбор пал на LM3886.  Причина проста – малая цена, хорошие параметры (по даташиту), неплохой звук (не уступает дорогим STK на полевых или биполярных выходных транзисторах  и превосходит TDA), простая схема включения и очень грамотная (по всем классическим канонам конструирования УНЧ) внутренняя схема, чем не могут похвастать многие другие производители.  Усилитель на  LM3886 был собран и помещён в корпус компьютера, но вскоре был заменён на простой и более мощный УНЧ собственной конструкции схема которого приведена на рисунке 1, который при сравнении по всем параметрам показал гораздо лучшие результаты.

Рис. 1. Схема УНЧ с источником питания и блоком защиты акустики.

Для моделирования УНЧ использовалась программа Multisim14.01.  Параметры усилителя на частотах выше 20 кГц взяты из её данных. На частотах до 20 кГц параметры собранного в «железе» усилителя измерялись также и с помощью  звуковой карты и программы RMAA6.4.5. Естественно, при работе также использовался генератор звуковых частот и осциллограф.

Краткие характеристики усилителя под нагрузкой (для ОУ  NE5532) таковы:

- полоса частот  по уровню    0 dB –  35   кГц

   - 3 dB – 135 кГц (с входным фильтром)

- мощность номинальная на нагрузке   4 Ом – 80 Вт

   8 Ом - 40 Вт

- гармонические искажения   1 кГц,   8 Ом – 0,015 %

   1 кГц,   4 Ом – 0,025 %
   20 кГц,   8 Ом – 0,065 %
   20 кГц,   4 Ом – 0,090 %

- интермодуляционные искажения   8 Ом – 0,023 %

   4 Ом – 0,05 %

- шум не более   - 85 dB

Спектральный анализ данного УНЧ показывает превалирование второй гармоники.

Странно то, что по даташиту  усилитель на LM3886 имеет гораздо лучшие параметры. Однако, сравнительные измерения описываемого в данной статье УНЧ  и  УНЧ  на фирменной LM3886 показали при всех равных условиях  полное превосходство (почти в 2 раза) данного усилителя над  LM3886.  В чём можно убедиться в таблице испытаний на рис.2.

Рис.2. Таблица испытаний

В таблице 4-й столбец – это искажения используемой звуковой карты. Первые 3 столбца – это испытания УНЧ под разными нагрузками. Из этих данных необходимо вычесть показания самой карты, тогда получатся примерно правильные данные «чистого» УНЧ. Последние  4 столбца – это сравнение искажений данного УНЧ с LM3886. 

УНЧ практически полностью линейный до 35 кГц, о чём свидетельствует и частотный отклик, снятый с рабочего усилителя и представленный на рисунке 3.

Рис.3. Частотный отклик

Некоторый спад на НЧ и завал выше 20 кГц наблюдается исключительно из-за того, что используемая звуковая карта ограничена этой частотой.

Описание схемы

Входная часть усилителя – операционный усилитель (ОУ) U1, который используется и в качестве усилителя напряжения для выходного каскада. Так как транзисторы выходного каскада Q1 и Q2  включены по схеме с общим стоком и не усиливают напряжение, для получения максимальной мощности я применил вольтодобавку в питании ОУ.   А стабилитроны  D7 и D8 использую с максимальным возможным напряжением  (для данного типа ОУ).

В качестве ОУ можно использовать NJM4558, 4565 или 4580.  Но лучшие результаты дают ОУ, специально  разработанные для аудио. Например, NE5532. Однако в настоящее время появились более современные и быстродействующие операционные усилители для аудио, с которыми параметры этого УНЧ будут в разы лучше. Правда их не везде можно найти, да и цена будет в десятки раз выше.

Цепочка D1 – D4 служит для защиты выходных транзисторов, а цепочка Цобеля  R2,C7 защитит УНЧ от самовозбуждения.  Катушка L1 наматывается витком к витку любым  одножильным лакированным   медным  проводом  диаметром 0,8…0,9 мм  прямо на резисторе R1  в 2 слоя и состоит из 19 витков. Её концы припаиваются к выводам резистора. Разместить катушку можно на плате или у выходного разъёма.

Настройка УНЧ

Перед подачей питания необходимо выставить R11 (он может быть номиналом 1…2 кОм) в положение минимального сопротивления. Затем подать питание и выставить с помощью этого резистора ток покоя выходных транзисторов в пределах 80…100 мА.  После прогрева усилителя необходимо ещё раз проверить и при необходимости скорректировать ток покоя. При работе УНЧ ток как правило изменяется не более чем на 20 %.  R11 желательно использовать многооборотный. Измерять ток удобно по падению напряжения на истоковом резисторе R3 или R4 при отключенной нагрузке и с установленным в «ноль» регулятором громкости R18.  Если, например, на резисторе R3 номиналом 0,1 Ом падает 10 мВ, значит, ток покоя составляет 100 мА. 

Термостабилизация

Выходные транзисторы устанавливаются на радиатор площадью 1200…1600 кв. см.  через изоляторы из тонкой слюды, смазанные термопастой с обеих сторон.  У каждого канала – свой радиатор (и свои предохранители).  Стабилитроны  D5,D6 смазанные термопастой прижимаются к радиатору  маленькой пластиковой скобой рядом с транзисторами. Данные стабилитроны (с маленьким напряжением стабилизации) имеют отрицательный ТКН, поэтому напряжение на них при прогреве уменьшится, что приведёт к стабилизации тока покоя выходного каскада.

Для питания двух каналов УНЧ используется трансформатор мощностью 200 Вт со средней точкой во вторичной обмотке обеспечивающий ток не менее 5 А при действующем значении переменного выходного напряжения 27…30 В. 

Применяемые конденсаторы должны с запасом выдерживать напряжение питания.

Все резисторы с неуказанной мощностью – по 0,25 Вт.

Сетевое питание УНЧ получает прямо с сетевого разъёма блока питания компьютера. Для этого придётся вскрыть блок питания и припаять прямо к разъёму ещё 2 провода.

На рис.4 изображена лицевая панель переделанного компьютера.   В верхней части – сетевой выключатель усилителя, а посредине в бронзовом обрамлении – индикатор входного сигнала под ретро «Magic Eye». На видео показана его работа.  Его схема и реализация может быть любой, но я, например, использовал нечто немного похожее на это (https://vpayaem.ru/indicator.html).  Узел на элементах  Q3,R19,D9,D10,D16,D17   служит для подачи питания (+ 12 В) на индикатор входного сигнала «Magic Eye».  Причём он получает питание либо с компьютера (если УНЧ отключен), либо с УНЧ (если, например, компьютер выключен, а на вход усилителя вы подаёте сигнал с другого устройства), либо и оттуда и оттуда. Если вам индикатор не нужен, то можно удалить элементы данного узла.

Рис.4.

Усилитель довольно прост, поэтому изготовить печатную плату не составит большого труда. Или, например, использовать макетную плату. Свои платы я сделал быстро и не очень аккуратно, к тому же они предусматривают установку нескольких перемычек (без которых при некотором старании можно было и обойтись), поэтому приведу их на рисунке 5 лишь для наглядности.

Рис.5. Вариант платы

Узел стабилизатора напряжения для «Magic Eye» и блок защиты АС я собрал на макетных платах.  На рис.6 видно, что первый установлен над блоком конденсаторов фильтра питания, а второй – слева внизу на задней стенке компьютера.

Рис.6.

Сетевой трансформатор установлен под жёсткими дисками компьютера. Он нагревается совершенно незначительно и не представляет для винчестеров никакой опасности. А выпрямитель с небольшим радиатором – под DVD-приводом.

Размещение усилителя в корпусе компьютера показано на рис.7.

Рис.7.

Из металлической трубки квадратного сечения 1*1 см изготовлена рамка подходящего размера, к которой крепятся радиаторы. К радиаторам крепятся платы усилителя. Всё это надёжно фиксируется в небольшом кожухе из тонкой жести или алюминия, который любым доступным способом жёстко крепится к корпусу компьютера, но так, чтобы было возможно быстро и легко его извлечь (в моём случае необходимо только открутить 4 винта).  Кожух закрывает всю эту конструкцию со всех сторон, кроме лицевой, но не доходит до дна около сантиметра. Между задней частью кожуха и радиаторами должен быть небольшой зазор. Его размер зависит от толщины радиаторов. Задняя часть кожуха не должна касаться каких-либо элементов компьютера. Основная задача кожуха – не допустить тепловой связи компьютера и УНЧ. Детали УНЧ не должны выходить за габариты компьютера, т.е. между ними и боковой крышкой системного блока должен быть разумный зазор.  Над платами установлен вентилятор, который забирает воздух снизу и гонит его наружу. Для питания вентилятора используется напряжение питания УНЧ (+ 40 В через DC/DC преобразователь за 2 $). Можно использовать вентилятор на 48 В, но это будет дороже.

Вторая функция кожуха – защита усилителя от помех.  УНЧ будет нормально работать и без кожуха, и без вентилятора, но если планируется использовать его на большой мощности, то необходимо обеспечить дополнительный отвод тепла из корпуса компьютера, например, установив в системном блоке дополнительный вытяжной вентилятор.

Блок защиты акустических систем

Усилитель уверенно «держит» практически абсолютный ноль на выходе (+- 3 мВ). Но для абсолютной надёжности я дополнил его блоком защиты АС. В качестве К1 используются два автомобильных реле от КАМАЗа с последовательно включёнными катушками на 24 В. Контактная группа этих реле хорошо выдерживает большие нагрузки. Каждое из них подключает свою колонку. Узел защит обеспечивает задержку подключения АС (R21,C17), отключит АС при перегреве УНЧ (на радиаторах установлен термодатчик с замыкающимся при 60…70*С контактом), отключит АС при появлении на выходе усилителя постоянного напряжения любой полярности более 2 В, отключит АС при просадке питания на 10 В (питание станет ниже напряжения удержания данных реле), обеспечивает режим «mute»,  а также быстро отключит АС (до появления переходных процессов) при выключении питания УНЧ (К2,С16).  Для быстрого отключения АС надо использовать сетевой выключатель с независимым нормально замкнутым контактом. Но при отсутствии такового вместо него я использовал контакт малогабаритного реле с катушкой на  48 В постоянного напряжения (К2).   Ёмкость конденсатора С16 для быстрейшего отключения выбирается как можно меньше, но таким  образом, чтобы при подаче питания реле включалось уверенно (без дребезга контактов).  Транзистор Q4 надо установить на небольшой радиатор.

Входные, выходные разъёмы УНЧ, а также регулятор громкости устанавливаются на задней поверхности системного блока как видно на рисунке 8.

Рис.8. Задняя часть компьютера

Данный УНЧ был собран за пять лет до публикации этой статьи и за это время показал себя хорошо. Как минимум два человека повторили эту конструкцию и остались вполне довольны результатом.

Теги:

• УНЧ