wzmacniacz prądowy do subwoofera, Elektronika abc, ELEKTRONIKA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Projekty AVT
Wzmacniacz
prądowy
do
subwoofera
2 6 5 2
Wielu melomanów posiada − z racji ogra−
niczeń mieszkaniowych − niewielkie zesta−
wy głośnikowe − tzw. monitory, dlatego
uzupełniają oni dolną część pasma aku−
stycznego subwooferem − kolumną odtwa−
rzającą tylko najniższe częstotliwości. Ci
wszyscy, dla których muzyka jest w życiu
ważna, chcieliby słuchać basu takiego ja−
kim on jest naprawdę, a nie buczenia i du−
dnienia. Z kolei, aby się do tego stanu zbli−
żyć, potrzebny jest dobry system: filtr −
wzmacniacz − zestaw głośnikowy, którego
cena przyprawia o ból głowy. Ja też lubię
posłuchać kontrabasu i perkusji, a szastać
pieniędzmi nie powinienem; zrobiłem więc
pewne doświadczenie...
do fazy sygnału wejściowego oraz opóźnie−
nia w związku z istnieniem rury bass−refle−
ksowej. To wszystko powoduje, że odczuwa−
my bas jako rozmyty, rozlazły, dudniący,
a mimo pozornie dużej dawki mocy ciągle
brakuje tego solidnego, najniższego basu.
Rys. 1
Fot. 1 Zastosowanie dwóch jedna
kowych głośników w układzie
„tandemu”
Rys. 2 Charakterystyka głośnika
Idea
Zróbmy taki eksperyment: zbadajmy kształt
prądu płynącego przez głośniki. W tym celu
trzeba wstawić szeregowo z głośnikami nie−
wielki rezystor, na którym spadek napięcia
świadczyć będzie o płynącym prądzie. Przy−
najmniej tak mówi prawo Ohma, a dlaczego
mielibyśmy je kwestionować?
I tutaj ci, którzy dysponują oscyloskopem
2−kanałowym, będą zadziwieni. W układzie
z rysunku 1, tylko z dodanym opornikiem rzę−
du 0,47
W „normalnym” systemie subwoofera,
według
rysunku 1
, mamy filtr dolnoprzepu−
stowy i wzmacniacz zasilający głośnik umie−
szczony w obudowie. Ponieważ, jak pokazu−
je
rysunek 2
, charakterystyka głośnika opada
w stronę niższych częstotliwości już od ok.
100Hz, stosuje się kilka różnych systemów
akustycznych, które służyć mają przesunięciu
możliwie nisko punktu załamania charaktery−
styki częstotliwościowej. Powszechnie stoso−
wanym rozwiązaniem jest układ „bass−re−
flex”, czyli odpowiednich wymiarów rura
promieniująca najniższe częstotliwości w fa−
zie z membraną głośnika. W ten sposób tro−
chę sztucznie można wzmocnić częstotliwo−
ści w okolicy 30−100Hz. Za to poniżej często−
tliwości rezonansu mechanicznego głośnika
w obudowie charakterystyka spada już „na
łeb, na szyję” i właściwie nic się już nie da
z tym zrobić. Pokazuje to charakterystyka
b
na rysunku 2. Ponadto w okolicy częstotli−
wości rezonansowej wzrasta wielokrotnie
wartość impedancji cewki głośnika i w związ−
ku z tym maleje prąd płynący w cewce.
A mniejszy prąd − to mniejsze wychylenia
membrany i mniejsze ciśnienie akustyczne.
Aby uzmysłowić sobie, co się dzieje w tym
zakresie basu, trzeba jeszcze dodać zmiany
fazy fali ciśnienia akustycznego w stosunku
Niektórzy ratują się w tym momencie
podkręcaniem regulatora basu do maksi−
mum, ale to przeważnie tylko pogarsza spra−
wę. Basu nie da się wymusić, jeśli nie ma go
na płycie. Możemy starać się jedynie mniej
lub bardziej prawidłowo odtworzyć to, co zo−
stało zapisane na krążku CD.
Z punktu widzenia poprawności odtwa−
rzania fazy lepsze jest rozwiązanie kolum−
ny subwoofera jako zamkniętej. W tym
przypadku jednak mamy do czynienia
z charakterystyką częstotliwościową
a
na
rysunku 2. Pewną poprawę daje zastosowa−
nie dwóch jednakowych głośników w ukła−
dzie „tandemu”, co pokazuje charakterysty−
ka
c
oraz
fotografia 1
.
Mamy więc w miarę mocny bas, kolumna
szybko reaguje na impuls (brak otworu), ale
w dalszym ciągu przydałoby się więcej naj−
niższego basu z zakresu 20−30Hz. I tu doszli−
śmy do sedna sprawy.
między głośnikiem a masą, podaje−
my na wejście sygnał sinusoidalny i oglądamy
przebieg napięcia na tymże rezystorze na tle si−
nusoidy wejściowej. Okazuje się, że w okolicy
odczuwanej jako niski bas, czyli powiedzmy
20−60Hz, prąd płynący przez głośniki wcale
nie odzwierciedla sygnału podanego do wej−
ścia wzmacniacza. Inne jest wszystko: ampli−
tuda, faza i kształt! Pokazuje to
fotografia 2
.
Głośnik to dość skomplikowany instru−
ment i nie podejmuję się wytłumaczyć do
końca zjawisk, które się tam pojawiają. Wy−
daje się jednak, że powinno nam bardziej za−
leżeć na jak najlepszym odwzorowaniu prądu
w cewkach głośników. Bardziej niż na
odwzorowaniu napięcia na ich zaciskach.
W końcu to prąd powoduje wychylenie
membrany, a nie samo istnienie napięcia na
zaciskach cewki głośnika.
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002
13
Projekty AVT
W całym tym eksperymencie chciałem
uzyskać właśnie to − aby odwzorowaniem na−
pięcia wejściowego wzmacniacza był
prąd
głośników
, a nie napięcie na głośnikach.
aby spadek napięcia na rezystorze pomiaro−
wym był równy sygnałowi wejściowemu co
do amplitudy, fazy i kształtu, mimo wszelkich
przeciwności ze strony głośnika i jego obudo−
wy, które chciałyby temu przeszkodzić.
W zależności od zasilania, jakie najwygo−
dniej będzie użyć dla dodatkowego wzmacnia−
cza, trzeba zaprojektować odpowiedni układ
rzeczywisty. Najbardziej prawidłowym wydaje
się symetryczne zasilanie napięciem ±15V. Po−
nieważ na początku użyłem do subwoofera sta−
rego wzmacniacza 50W firmy Braun z demo−
bilu, z jednym napięciem +65V i kondensato−
rem na wyjściu, musiałem nieco przekompo−
nować układ polaryzacji wejść, aby nie robić
dodatkowego symetrycznego zasilacza. Zo−
stańmy jednak przy prostym i przejrzystym za−
silaniu symetrycznym. Rzeczywisty układ bę−
dzie wyglądał jak na
rysunku 4
.
Dwa rezystory wejściowe (z obu kanałów
stereo) i kondensator 330nF tworzą odpowie−
dni filtr górnozaporowy, którego charaktery−
stykę (
rysunek 5 −
b
) dobrałem tak, że po zło−
żeniu jej z opadającą w kierunku małych czę−
stotliwości charakterystyką akustyczną całej
reszty systemu subwoofera (rysunek 5
−
a
) usi−
łuje ona zbliżyć ją do moich potrzeb. Jedno−
cześnie w kierunku wyższych częstotliwości
odcina ona wyższe partie basu i resztę pasma
z nachyleniem 6dB/okt. − w zakresie gdzie
charakterystyka głośnika jest już płaska. Trze−
ba poświęcić trochę czasu, aby dobrze „zestro−
ić” ten filtr z resztą systemu akustycznego,
czyli aby charakterystyka systemu subwoofe−
ra wspólnie z charakterystyką np. monitorów
zlewały się w jeden dźwiękowy obraz, że
tak malowniczo to ujmę. A wspomniana
„reszta systemu” to nie tylko wzmacniacz
i głośniki, to również pomieszczenie odsłu−
chowe z całym jego wyposażeniem w firan−
ki, dywaniki, meble itd.
I jeszcze coś na temat filtru: ponieważ
jego charakterystyka jest jednostajnie opa−
dająca w zakresie słyszalnych częstotliwo−
ści (rysunek 5 −
b
), strojenie może polegać
wyłącznie na regulacji wzmocnienia
wzmacniacza operacyjnego za filtrem za
pomocą potencjometru P. Nie potrzeba
zmieniać elementów R i C w samym filtrze,
bo przesuwamy charakterystykę
b
w pionie.
Na to samo by wyszło, gdybyśmy zmieniali
elementy RC i krzywa ta przesuwałaby się
w poziomie. Można stosować tu wymyślne
filtry n−tego rzędu, ale uważam, że znacznie
ważniejszą sprawą na tym etapie jest uzyska−
nie prądowego sterowania głośników.
Fot. 2 Prąd płynący przez głośniki
nie odzwierciedla sygnału
podanego do wejścia wzmacniacza
Rys. 5
Opis układu
Zastosowałem zatem układ przedstawiony
w postaci poglądowej na
rysunku 3
.
Sygnał wejściowy (z filtru dolnoprzepu−
stowego) podany jest nie bezpośrednio na
wejście naszego klasycznego wzmacniacza
mocy, tylko na wejście nieodwracające do−
datkowego wzmacniacza operacyjnego. Do
jego wejścia odwracającego doprowadziłem
sygnał będący spadkiem napięcia na dodatko−
wym rezystorze połączonym szeregowo z gło−
śnikiem (głośnikami). Rezystor ten wtrącony
został w obwód głośnika, aby można było na
bieżąco mierzyć jego prąd. Teraz dodatkowy
wzmacniacz musi wypracować taki sygnał,
/5W.
Układ przy źle dobranych parametrach lubi się
wzbudzić na częstotliwości kilku herców, co
może się okazać zabójcze dla głośników.
Oczywiście ten rezystor powinien być włączo−
ny między wyjście wzmacniacza a głośnik,
aby jego wartość − dla pomiaru prądu − nie do−
dawała się do rezystora pomiarowego 0,47Ω .
Trzeba zwrócić dużą uwagę na stabilność
układu − należy zacząć od niewielkiego wzmoc−
nienia dodatkowego wzmacniacza. Można ją re−
gulować wartością rezystora R6. Małe wzmoc−
nienie daje gorsze parametry sygnału wyjścio−
wego, ale zapewnia bardziej stabilną pracę. Po−
tem można zwiększyć wzmocnienie tego stop−
nia aż do granicy stabilności, po czym zmniej−
szyć je dla bezpieczeństwa o ok. 30%.
Jak widać z
fotografii 3
, podczas pierw−
szych prób i pomiarów zastosowałem montaż
„wisząco−pajęczynowy”, ale tak mnie intere−
sowały wyniki, że nie myślałem o estetyce.
Po dobraniu wzmocnienia możemy podać
na wejście całego układu sinusoidę o częstotli−
wościach w zakresie 10−100Hz i zaobserwo−
wać, jak na jej tle zachowuje się napięcie na
rezystorze 0,47
Rys. 3
Rys. 4
. Satysfakcja gwarantowana!
Moim zamysłem było to, aby pozostawić
dotychczas używany wzmacniacz basowy
Fot. 3 Montaż „wisząco – pajęczynowy”
14
Listopad 2002
Elektronika dla Wszystkich
Wracajmy zatem do meritum. Po zbudo−
waniu układu z rysunku 4 możemy przystąpić
do zbadania jego działania. Na wszelki wypa−
dek proponuję na początku podłączyć głośnik
przez dodatkowy rezystor rzędu 33
Projekty AVT
bez żadnych zmian. Na schematach jest on
obwiedziony przerywaną linią. Sprzężenie
zwrotne (napięciowe) uwzględniłem w jego
symbolu, bo ono prawie zawsze istnieje −
w takiej czy innej postaci. Nie musimy się
jednak nim zajmować, bo traktujemy wzmac−
niacz mocy jako odrębne, autonomiczne urzą−
dzenie, które wzmacnia swój sygnał wejścio−
wy. Wzmacnia i napięcie, i prąd, ale w taki
sposób, że jego
napięcie wyjściowe
odwzo−
rowuje kształt
napięcia wejściowego
. My zaś
− dla celów naszego doświadczenia − potrze−
bujemy, aby napięcie wejściowe odwzorowa−
ne było przez
prąd wyjściowy
, ponieważ
przypuszczamy, że tak będzie lepiej
.
Ocenę właściwości tego układu pozosta−
wiam Czytelnikom, którzy na pewno zechcą to
sprawdzić. Ja w każdym razie nie wracam do
poprzedniego − klasycznego − układu. Według
mnie nareszcie mam niski bas, odtworzony
bardziej precyzyjnie, bez niekontrolowanych
„dodatków” ze strony głośników i obudowy.
Warto sprawdzić, na ile obecne zasilanie
głośnika odbiega od poprzedniego. Zobacz−
my zatem kształt napięcia na głośniku przy
zmianach częstotliwości w okolicach rezo−
nansu głośnika.
Jak widać z
fotografii 4a,b,c,d,e
jest on
zdecydowanie inny niż sygnał wejściowy.
Jest inny, niż był w układzie „normalnym”.
I musi taki być, jeśli chcemy, aby kształt prą−
du w głośnikach pozostawał taki, jaki jest
kształt napięcia zapisany na płycie. Krótko mówiąc: teraz nasz stary wzmacniacz jest
zmuszony do produkowania napięcia wyj−
ściowego o takim kształcie, aby prąd w gło−
śniku wyglądał tak, jak chce tego producent
płyty. Uzyskane przebiegi przedstawione są
na oscylogramach − fotografia 4a,b,c,d,e.
Na początek − dla sprawdzenia działania
samego układu sterowania prądowego, poda−
łem jednak sygnał (sinusoidę) za filtrem. Na
wszystkich zdjęciach sinusoida o stałej am−
plitudzie przedstawia sygnał zdjęty z oporni−
ka 0,47/5W w obwodzie głośnika, czyli jest
to kształt prądu, jaki płynie przez cewkę gło−
śnika. Jego kształt, amplituda oraz faza są
stałe dla zakresu częstotliwości 10−100Hz,
tak samo jak w sygnale podanym na wejście
+ dodatkowego wzmacniacza operacyjnego
(za filtrem dolnoprzepustowym na
rysunku
4
). Zmieniający się sygnał − to napięcie na
wyjściu wzmacniacza mocy.
Ustawienia oscyloskopu: Kanał 1: napię−
cie na rezystorze 0,47
Montaż i uruchomienie
Po testach wykonałem nieco solidniejszy mon−
taż dodatkowych układów na płytce uniwer−
salnej (
fotografie 5 i 6
) zamkniętej w małej
obudowie z tworzywa sztucznego i podłączy−
łem do „prawdziwego” wzmacniacza mocy.
Fot. 5 Montaż na płytce uniwersalnej
Fot. 6
Jak widać na
fotografii 7
, jest to wybitnej
urody i dobrej jakości piecyk firmy Mitsubi−
shi Electric. Duży rezystor 0,47Ω umieści−
łem we wnętrzu wzmacniacza mocy, aby nie
prowadzić dość długich przewodów głośni−
kowych do dodatkowej obudowy.
Prosty układ dodatkowy według rysunku
4 można zmontować na niewielkiej płytce
drukowanej, pokazanej na
rysunku 6
. Moż−
na w niej wykorzystać różnego typu wzmac−
niacze operacyjne, np. TL072, niekoniecz−
nie typ podany na schemacie.
Ciąg dalszy na stronie 23.
Wykaz elementów
R1,,R2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220k
R3,,R5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1k
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
R6,,R7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10k
/5W
PR1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k
ΩΩ
C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..330nF
C2,,C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF ceramiiczny
C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47µF
C5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF
C6,,C7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF ceramiiczny
C8,,C9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100
F/25V
/5W; 0,2V/dz. Kanał
2: napięcie wyjściowe wzmacniacza mocy;
2V/dz. Podstawa czasu: 5ms/dz.
Po tych pomiarach nastąpił kilkutygo−
dniowy okres słuchania muzyki w nowym
układzie subwoofera.
/50V
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..4558
U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..7815
U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..7915
Fot. 4 a, b, c, d, e
Kształt napięcia na głośniku
przy zmianach częstotliwości
okolicach rezonansu głośnika
Komplet podzespołów z płytką jest dostępny
w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT−
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002
15
R8 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..0,,22
C10,,C11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10
Ciąg dalszy ze strony 15.
z praktyką (chyba tylko pozornie, przez na−
szą niekompletną wiedzę), tak jak np.
w przypadku anten telewizyjnych.
Następnym etapem powinno być zbadanie
rzeczywistego ruchu membrany głośnika, bo−
wiem dopiero jej wychylenia powodują zmiany
ciśnienia akustycznego. Najlepiej byłoby, aby
fala akustyczna generowana przez głośnik była
pod względem amplitudy, fazy i w ogóle kształ−
tu zgodna z napięciem wejściowym wzmacnia−
cza. Bywają do tego celu stosowane specjalne
przetworniki przyklejane do membrany, np.
optyczne, które badają rzeczywisty ruch mem−
brany i dają sygnał sprzężenia zwrotnego. Na
razie jednak wydaje mi się, że opisany w arty−
kule sposób przynosi już pozytywne efekty.
Stoi przede mną pokusa, aby do badania
wychyleń membrany użyć światła (może
wiązki podczerwieni albo światła laserowe−
go), ale zdaje się, że jest to zadanie nieco prze−
rastające możliwości domowego warsztatu.
Marek Klimczak
matik1@poczta.onet.pl
Podsumowanie
Ciekaw jestem Waszych opinii na ten temat,
zarówno teoretycznych, jak praktycznych.
Bo teoria może się tu lekko „rozchodzić”
Fot. 7 Piecyk firmy Mitsubishi Electric
Rys. 6 Schemat montażowy
Elektronika dla Wszystkich
Listopad 2002
23
[ Pobierz całość w formacie PDF ]