Перевод звуковой карты Creative Audio PCI на внешнее питание

Общий принцип переделки прост – нужно разорвать питание, идущие от импульсного блока и подменить его питанием от внешнего трансформаторного блока питания. Синхронность подачи напряжений в материнскую плату компьютера и звуковую карту обеспечивается включением реле, срабатывающем при появлении напряжения 12 В в материнской плате (рис.1). Естественно, на выходе внешнего блока питания (на коммутируемых контактах реле) в этот момент уже должны быть выставлены нормальные напряжения, т.е. внешний блок должен начать работать раньше того времени, когда на «материнку» поступят напряжения от блока питания «системника». Обеспечить это условие можно, запитав трансформатор с разъёма 220 В блока питания «системника».

Рис.1

Доработка была проверена на двух звуковых картах - VIA TREMOR с кодеком VТ1617A и Creative Audio с кодеком CS4297A. Обе карты до этого уже подвергались некоторым переделкам с целью уменьшения шума – установка дополнительных фильтров и стабилизатора питания в первом случае и установкой дополнительных конденсаторов с низким ESR по всем шинам питания во втором случае. После проведённой «подмены» удалось у обеих звуковых карт уменьшить шумы в тракте «выход-вход» ещё на 1-2 dB и, что более важно, частично избавиться от одиночных помех в виде «стоящих палок» или ослабить некоторые из них примерно на 10-20 dB. Карта VIA TREMOR используется в компьютере как осциллограф с открытым входом и эти изменения для неё не критичны, а вот Creative Audio применяется для обработки звука и каждый децибел, выигранный у шума, кажется важным.

Все приведённые ниже графики АЧХ сняты при работе карты Creative Audio. Скриншоты сделаны при работе программы SpectraPLUS с соответствием отметки 0 dBV rms входному сигналу уровнем 1 В (rms) и усреднением значений графиков равному «20».На рисунке 2 показан уровень шума при подключении выхода карты к её же линейному входу при запитке от импульсного блока питания «системника».

Рис.2

На рисунке 3 такое же измерение, но уже при питании кодека от внешнего источника. Видно, что немного уменьшилась шумовая составляющая и хорошо заметны изменения уровней «палок» на частотах от 2,7 кГц и выше.

Рис.3

Затем, в целях проверки «чистоты питания кодека», на линейный вход подавалось постоянное напряжение +5 В, взятое с ножки питания микросхемы. На рисунке 4 – график спектр шумов при стандартном питании, а на рисунке 5 – при внешнем.

Рис.4

Рис.5

На рисунке 1 показан только «общий» принцип переделки, а для каждой конкретной используемой звуковой карты каждый раз требуется индивидуальный подход – нужно разобраться, откуда и куда идут цепи питания, все ли напряжения используются, нет ли на плате дополнительных стабилизаторов. Всё это несложно сделать с помощью тестера и визуального осмотра звуковой карты, начиная с разъёма PCI. На той стороне платы, что с деталями (сторона «В»), на 1-ой контакт разъёма (считать слева) приходит -12 В, на контакты 5,6,19,59,60,61,70 и 88 приходит +5 В. На стороне «А» на 2-й контакт (считается справа) приходит + 12 В. Контактов, к которым подключается «земля» может быть много и их можно «вызвонить» тестером. После того, как станет понятно, что и как запитано, можно решить, какие напряжения нужно «подменять». Например, в карте VIA TREMOR используется только одно напряжение +5 В, поэтому достаточно будет только его подать с внешнего блока питания. А вот при макетировании и проверке работы карты Creative Audio оказалось, что в ней можно не делать «чистое питание» для интерфейсной микросхемы, работающей с шиной PCI и GAME-портом – на шумах это никак не отражается. И что питание +5 В для микросхемы кодека этой карты делается стабилизатором на плате из +12 В. Так же на плате стоит ещё один стабилизатор, делающий -5 В из -12 В для обеспечения двуполярного питания выходного операционного усилителя (+/- 5 В). Получается, что в этом случае достаточно «подменить» только напряжения +12 В и -12 В.

Учитывая возможное разнообразие питания звуковых карт, а так же желание повысить нагрузоспособность выхода карты с одновременным понижением её выходного сопротивления, был собран источник питания «на все случаи жизни», т.е. со всеми требуемыми напряжениями. Первая его часть выполнена отдельным блоком, содержит сетевой трансформатор с двумя выпрямителями и двумя же «электронными дросселями» для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (рис.6). В принципе, это два одинаковых, но раздельных блока питания, а двуполярность образуется соединением на их выходе отрицательного полюса одного блока питания с положительным полюсом другого и получении в этом месте вывода «земля». В схему также введены дополнительные элементы для понижения уровня высокочастотных помех, приходящих по сети 220 В, а также помех, образующихся в выпрямительных мостах в моменты закрывания диодов.

Рис.6

Блок хоть и будет называться «внешним» (рис.7), но конструктивно он расположен внутри корпуса компьютера. В нём применён силовой трансформатор ТС-40, имеющий четыре выходные обмотки, две из которых не используются, а две другие имеют одинаковые выходные напряжения 15 В. Диаметр провода этих обмоток около 0,5 мм, что позволяет нагружать их током до 0,4. Напряжение 220 В на трансформатор поступает через дроссель L1, который совместно с межвитковой ёмкостью первичной обмотки трансформатора образует фильтр низких частот. Параллельно вторичным обмоткам стоят снабберные цепочки из последовательно включенных низкоомных резисторов и конденсаторов (C2R2 и C3R5). Они имеют достаточно низкое сопротивление для всех частот выше 10 кГц и этим дополнительно давят всевозможные ВЧ и РЧ помехи. Резисторы здесь нужны для того, чтобы не возникали резонансы в контурах, образованных индуктивностью вторичных обмоток совместно с конденсаторами C2 и C3. Резисторы R1,R3,R7R8 (R4,R6,R9,R10) стоят для уменьшения токовых импульсов при работе выпрямительных диодов в мостах и для образования совместно с электролитическими конденсаторами C4 и C5 дополнительных фильтров низкой частоты с частотой среза около 1 Гц. Так как электролитические конденсаторы могут иметь большое эквивалентное последовательное сопротивление на ВЧ, то для обеспечения нужного уровня подавления ВЧ помех параллельно их выводам включены керамические конденсаторы С6 (С7). Далее напряжения поступают на стоки полевых транзисторов Т1 и Т2 IRF630 и через делители R11,R12 (R13,R14), через ещё одни фильтры НЧ на C8,R15,C10 (C9,R16,C11) и через резисторы R17 (R18) на их затворы. Диоды VD1 (VD2) нужны для того, чтобы после отключения блока питания от сети, накопленное на конденсаторах С10 и С11 напряжение выравнивалось с потенциалами на С4 и С5 и не «пробивало» переход затвор-исток транзистора. На выходе «электронных дросселей» образован «земляной» вывод «GND», который совместно с напряжениями +16 В и -16 В по проводам подаётся во вторую часть блока питания.

Рис.7

Эта вторая часть выполнена в виде печатной платы, вставляемой в один из PCI слотов (рис.8). На ней организованна подача питания на звуковую карту, сделана дополнительная фильтрация от ВЧ помех в линиях +16 В и -16 В, расположены стабилизаторы напряжений питания звуковой карты +5 В, -5 В, +12 В, -12 В, фильтры НЧ по линии + 16 В для запитывания дополнительных выходных усилителей НЧ и, собственно, сами усилители.

Рис.8

На плате вытравлены некоторые «земляный» и питающие дорожки PCI-ного разъёма и при включении компьютера по ним поступает напряжение -12 В на обмотки реле К1 и К2 (схема на рисунке 9). Реле срабатывают и подают входные напряжения +16 В и -16 В с разъёма Х1 на фильтры НЧ и стабилизаторы напряжений. Помехоподавляющие дроссели L1-L6 – это обыкновенные проводники, пропущенные через ферритовые трубочки длиной около 8 мм и диаметром 3,5 мм. Имеют малую индуктивность, но совместно с конденсаторами С2-С7 обеспечивают фильтрацию радиочастотной помехи, наведённую на входные проводники . Сопротивления R1-R6 с последующими конденсаторами тоже являются фильтрующими цепями и «давят» те ВЧ помехи, что прошли через LC фильтры. Стабилизация напряжений питания для звуковой карты собрана на микросхемах-стабизаторах серий 78хх и 79хх. На рисунке 9 показаны выходные напряжения, нужные именно для звуковой карты Creative Audio, на печатной плате же к выходному разъёму Х2 подведены дорожки от всех стабилизаторов и можно выбирать требуемое.

Рис.9

Теперь про дополнительный выходной усилитель НЧ. Он нужен для того, чтобы облегчить работу операционному усилителю, стоящему на выходе звуковой карты Creative Audio. На самом деле это обыкновенный эмиттерный повторитель, работающий на нагрузку в виде генератора тока. Такой усилитель обладает широкой рабочей полосой и, что более важно, достаточно большой выходной мощностью и низким выходным сопротивлением. Сигналы с выхода звуковой карты через разъём Х3 и конденсаторы С24 и С25 поступают на базы транзисторов VT1 и VT2. Подбором сопротивлений в делителях на резисторах R9R10 (R11R12) на эмиттерах транзисторов выставляется напряжение, близкое к +6…7 В. Эти же резисторы совместно с входными сопротивлениями транзисторов VT1 (VT2) обеспечивают среднее входное сопротивление каскадов около 4-4,5 кОм. Токи покоя, а соответственно и выходные сопротивления усилителей, зависят от номиналов резисторов R13 и R14. При указанных сопротивлениях токи равны 27 мА, выходные сопротивления каскадов около 3 Ом. Токи покоя меняются и при замене светодиодов на другие, так как напряжения падений на них являются образцовыми для генераторов тока, собранных на транзисторах VT2 и VT4. Ёмкость электролитических конденсаторов С29 и С31 на выходах усилителей указана для использования нагрузок сопротивлением более 30 Ом.

На плате установлены четыре разъёма (Х1...Х4). Три из них (Х1…Х3) установлены на обратной стороне платы (рис.10), но не имеют в этих местах гальванического контакта со слоем медной фольги – отверстия раззенкованы, пайка выводов сделана со стороны деталей. Фольга же на этой стороне является «экраном» и соединяется с «землёй» около стабилизаторов через болты крепления радиатора и алюминиевой пластины, прижимающей микросхемы к радиатору. Для того чтобы микросхемы не замыкались между собой через радиатор, под них подложена тонкая слюдяная прокладка. Скоба крепления платы в корпусе "системника" тоже гальванически никак не связана с «землёй» на плате – это всё сделано для уменьшения помех, возникающих при появлении «земляных петель».

Рис.10

Все три разъёма сделаны каждый со своим «ключом» - удалено по одному штырьку в разных местах разъёмов (рис.11 и рис.12) чтобы ответные части нельзя было перепутать - они, соответственно, тоже сделаны со своими «ключами- заглушками» в нужных местах.

Рис.11

Рис.12

Все проводники, идущие к звуковой карте, впаяны в неё «наглухо» и закреплены термоклеем. На рисунке 13 показан ввод напряжений +12 В и -12 В.

Рис.13

«Родные» дорожки питания, идущие с PCI слота, перерезаны (рис.14).

Рис.14

В звуковом кабеле, уходящем на дополнительный усилитель, со стороны звуковой карты подпаяны только сигнальные провода (рис.15). Оплётка на этом конце никуда не подпаивается – она «висит в воздухе» и изолируется термоусадочной трубкой. А к «земле» подключается другой конец оплётки кабеля – через разъём Х3 на входе усилителя.

Рис.15

Четвёртый разъём на плате - «Выход НЧ» (Х4). Он стоит на стороне монтажа деталей, от него идут провода на выходной разъём minijack 3,5”, установленный на передней панели системного блока.

Для конструкции были разведены 2-е печатные платы (файлы в формате программы Sprint-Layout 5 находятся в приложении, вид сделан со стороны печати, для изготовления по лазерно-утюжной технологии нужно включить «зеркальный» режим). На первой плате, размерами 80х65 мм (рис.16), спаяны выпрямители и «электронные дроссели», т.е. всё по схеме на рисунке 6, кроме силового трансформатора и деталей фильтра 220 В. На схеме не указаны, а на плате есть 8 плёночных конденсаторов ёмкостью 10 нФ, установленных в мостовом выпрямителе параллельно каждому диоду – они выполняют ту же задачу, что и снабберные цепочки – подавляют помехи, возникающие при закрывании диодов.

Рис.16

На второй плате, размером 140х90 мм (рис.17) – всё по схеме на рисунке 9.

Рис.17

Детали применяются как в SMD, так и в DIP исполнении, но все они (кроме вышеописанных разъёмов) устанавливаются как SMD элементы – т.е. со стороны дорожек, без сверления отверстий под выводы. Отверстия диаметром 3,5 мм на маленькой плате сверлятся только под крепёжные винты транзисторов IRF630 и по краям платы для её установки в металлическом корпусе внешнего трансформаторного блока питания. Под транзисторы надо подложит медные полоски толщиной 0,3…0,5 мм и размером 20х40 мм, согнутые букой "L" – это будут радиаторы. На большой плате сверлятся отверстия диаметром 1 мм под выводы разъёмов Х1…Х3 и отверстия диаметром 3,5 мм для прижима винтами М3 микросхем-стабилизаторов к радиатору (сверлятся «по месту», а как – видно на рисунке 8). Отверстия под крепёжную планку тоже сверлятся «по месту» после изготовления планки (её чертёж в формате программы sPlan находится в приложении). Разъём Х4 – четырёхвыводный, однорядный, его ножки загибаются под углом 90 градусов и он вертикально к плате припаивается к площадкам.

На рисунке 17 видно, что на месте контактных дорожек PCI-разъёма фольга оставлена целым полем. Сделано это потому, что дорожки лучше прорезать после травления платы, как показано здесь. Так их расположение будет намного точнее. Но можно и вытравить – если в программе LAYOUT удалить полигонную заливку на месте разъёма, то под ней разведены нужные контактные дорожки (-12 В и «земля»).

Красные линии на плате – перемычки из толстого изолированного провода (диаметром более 0,8 мм). Толстая белая линия – тоже перемычка, припаивается так, чтобы корпуса реле не болтались.

Все большие электролитические конденсаторы перед пайкой «укладываются на бок» и после настройки и проверки работоспособности всей конструкции приклеиваются к платам термоклеем.

Обе схемы в настройке не нуждаются – достаточно перед включением проверить правильность монтажа и «прозвонить» тестером все линии питания на отсутствие коротких замыканий с «землёй» и между собой. Если есть лабораторный блок питания, то плату с реле, стабилизаторами и выходным усилителем лучше проверить «на столе» - делать это можно по мере запаивания деталей, т.е. впаяли реле – подать питание на контакты PCI-разъёма и проверить срабатывание, собрали один из стабилизаторов – подать напряжение нужной полярности и проверить наличие выходного напряжения. Так же можно проверить и выходной усилитель – на эмиттерах транзисторов VT1 и VT3 должно быть постоянное напряжение 6…8 В, токи покоя каскадов – в пределах 25…30 мА (рассчитывается по падению напряжений на резисторах R13 и R14).

Возможно, после «запуска» конструкции понадобится «тонкая» настройка для получения минимальных шумов. Например, в описываемом варианте «земля» звуковой карты Creative Audio соединяется с «землёй» встраиваемой платы через разъёмы PCI. И, казалось бы, больше никаких «параллельных» проводников между ними не должно быть (чтобы не создавать «петли», на которые наводятся помехи от электромагнитных полей импульсных преобразователей и разных цифровых сигналов, текущих по проводам). Но на рисунке 13 видно, что вместе с проводниками, подводящими к звуковой карте 12-тивольтовые напряжения, к «земле» карты подпаян и экран кабеля, который также подключен к «земле» встраиваемой платы. Оказалось, что так меньше «стоячих палок». Были проверены и другие вариации соединения «земель», но этот оказался наилучшим. Может быть, потому, что у карты это место пайки относится к аналоговой «земле». Но, скорее всего, это не правило, а исключение, так как в карте VIA TREMOR было лучше без такого соединения (но она очень шумливая и, возможно, я не угадал с местом подключения).

По некоторым деталям:

Помехоподавляющий дроссель L1 на рисунке 6 взят из компьютерного блока питания. Конструкция его может быть любая (рис.18). Конденсатор С1 должен быть на напряжение 1-2 кВ.

Рис.18

На фото внешнего блока (рис.7) видны дроссели, намотанные оранжевыми проводами на ферритовых кольцах. Это провода, по которым поступает переменное напряжение со вторичных обмоток трансформатора на плату. Кольца взяты из дросселей, показанных на рисунке 18 вверху слева . Можно было, наверное, взять не 4, а 2 кольца и впаять их не меняя обмоток, но я не стал разбираться, как там у них с «началом-концом», а просто сделал на каждом проводе по дросселю с 9 витками.

Полевые транзисторы в «электронном дросселе» можно заменить на любые другие подходящие по структуре и расположению выводов - например, на IRF520 или IRF620. Недавно собирал подобную схему на IPB06N03, они тоже хорошо работают и, что удобно, их можно припаять к медному полигону на плате как к охлаждающей поверхности.

Реле с контактами на замыкание, с размерами не более 24х24 мм, на напряжение 12 В. Можно ставить любые, но нужно отдавать предпочтение тем, у которых контакты позволяют коммутировать большие токи (от 5 А и больше хотя бы для того реле, что коммутирует + 16 В). Во время их срабатывания через контакты пойдёт ток заряда всех электролитических конденсаторов на плате. Он хоть и кратковременный и ограничен сопротивлениями резисторов R1-R6, но всё равно это «приличный» импульс.

Все электролитические конденсаторы перед пайкой желательно проверить на соответствие ёмкости и отобрать по минимальному эквивалентному последовательному сопротивлению. Особенно это относится к С12, С13 в питании усилителя и С29 и С31 на его выходе. Конденсаторы С24-С27 – SMD исполнения.

По возможным конструктивным доработкам:

Понятно, что исходя из требуемых для звуковой карты напряжений, можно и не собирать все фильтры и стабилизаторы. Если, допустим, требуется только +5 В, то достаточно будет одного выпрямителя, одного «электронного дросселя», одного реле и одного стабилизатора. В таком случае, на плате остаётся много свободного места, которое можно использовать для установки по шине питания дополнительных электролитических конденсаторов.

Внешний трансформаторный блок можно выполнить совершенно разными способами. Можно сделать и «настоящий внешний», т.е. вынести за пределы корпуса и подавать напряжения на плату по дополнительному разъёму (для этого оставлено место на плате около крепёжной планки). Главное, чтобы блок выдавал хорошо отфильтрованные напряжения – пульсации частотой 50 Гц и 100 Гц должны быть менее 5 мВ. Если звуковой карте не нужен выходной каскад, то его можно не собирать и тогда требования к качеству питания, выходящего с внешнего блока, можно снизить – всё равно ведь все напряжения, кроме Uпит(1) и Uпит(2), идут через микросхемные стабилизаторы. А если дополнительный выходной каскад нужен, то можно ещё более повысить качество, переделав «электронные дроссели» в стабилизаторы напряжений. Для этого надо убрать резисторы R12 и R14, а на их место поставить стабилитроны, подобрав их по нужному выходному напряжению и пересчитав сопротивления резисторов R11 и R13. Такая замена требует немного большего уровня напряжения на конденсаторах С4 и С5, поэтому нужно или увеличить количество витков во вторичной обмотке трансформатора, домотав их прямо поверху катушек (5…20 витков), или заменить низкоомные резисторы R1,R3,R7,R8 и R4,R6,R9,R10 на сильноточные дроссели в SMD исполнении. Результатом переделки будут меньшие изменения уровня выходного питания, связанные с «гулянием» напряжения сети 220 В. Визуально оценивать «чистоту» питающих напряжений достаточно просто – сделать это можно любым компьютерным анализатором спектра (например, SpectraPLUS). Для этого надо источник питания нагрузить током, немного большим, чем оптимальный, соединить «земли» источника и звуковой карты компьютера и подключить линейный вход карты через последовательно соединённые конденсатор, резистор и защитные диоды к контролируемой точке как показано на рисунке 19. При контроле напряжений более 50 В перед конденсатором надо использовать делитель (например, на 10). При входном сопротивлении карты более 20 кОм нижняя граница измеряемой частоты будет около 5-10 Гц.

Рис.19

Можно попробовать другой вариант разводки «земляного провода» - контактные дорожки PCI-ного разъёма не делать, а управлять реле напряжением, взятым, например, с силового разъёма питания 3-дюймового дисковода. Для этого, конечно, нужно будет поставить соответствующую ответную часть разъёма на плату или использовать разъём, крепящийся на проводниках, впаянных в плату. В таком исполнении, как показано на рисунке 20, цифровая и аналоговая «земли» будут соединяться только в одном месте – на звуковой карте. В принципе, этот вариант можно проверить, не впаивая на плате перемычку между GNDA и GNDD (самая нижняя на рисунке 17).

Рис.20

Была проверена схема подключения дополнительного выходного каскада к звуковой карте без конденсаторов на пути звука, т.е выводы кодека через резисторы сопротивлением в 1 кОм напрямую соединялись с базами транзисторов VT1 и VT3 (без каких либо других переделок в звуковом тракте карты). Естественно, из схемы усилителей были убраны R7, R8, C24, C25 и R9…R12 (рис.21). Нижние выводы элементов генераторов тока подключались не к «земле», а к потенциалам -5 В (для каждого канала были собраны свои источники -5 В). В принципе, всё работало, но как-то не очень понравилось звучание такого варианта и он был разобран. Хотя, возможно, следовало поэкспериментировать с фильтрацией входных сигналов, с сопротивлениями 1 кОм и с токами покоя каскадов.

Рис.21

Если провести последующую доработку этого варианта усилителя, то можно избавиться и от выходных конденсаторов, но для этого надо собрать блоки питания отрицательного напряжения, управляемые цепью отслеживания наличия постоянного напряжения на выходе усилителя.

Но это, наверное, будет проверенно нескоро, всё и так устраивает – плата и блок питания уже заняли своё место в «системнике» (рис.22). Толстый чёрный провод – подача сетевого напряжения 220 В в выносной блок (он в нижнем правом углу фото). Белый провод – выходные напряжения +16 В и -16 В. Тонкий чёрный, идущий к звуковой карте – «подмена» её питания. Сиреневые, свитые с чёрным – выход звука (болтается, потому что фотография сделана во время экспериментов).

Рис.22

Андрей Гольцов, г. Искитим

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}