Universalus daugiakanalis galios stiprintuvas „BLASTER A03“

Surinkau pirmąją VFD maitinimo versiją. Plokštėje jau yra darbui nusiteikęs mikrovaldiklis, kuris šiuo metu tik kontroliuoja maitinimo šaltinį. Išėjimo įtampa nustatoma sukiojant rankenėlę (pabandymui). Šis maitinimo šaltinis yra mano kursinis darbas (VGTU, 3 kursas), kurį rytoj ginsiu, o tam pakaks esamo funkcionalumo. Laikinai vietoje VFD kaitinimo siūlų prijungta 6V 5W halogeninė lemputė (keitiklis duoda iki 7.5V), o vietoje VFD anodų — 2.2kΩ rezistorius. Lemputės švytėjimas reguliuojasi visame diapazone: nuo visiško nešvietimo iki labai ryškaus. Bandymai rodo, kad šis transformatorius gali laisvai atiduoti 10W galią. Antroje nuotraukoje prie keitiklio pastatytas tokios pačios galios (10W) 50Hz transformatorius.

Vėliau reikės parašyti paprogrames išėjimo įtampų stebėjimui ir stabilizacijai, taip pat VFD logikos valdymui. Logika ten labai nepatogiai valdoma, taigi teks paplušėti.

Nubraižiau bandomąją VFD modulio plokštę. Liko daug nepanaudoto ploto, kurį tikiuosi užkišti vėlesnėse versijose. Laukit surinkto modulio foto už kelių dienų.

Nubraižiau pirmą VFD bloko versiją. Plokštėje numatytos trys jungtys: 5V maitinimui, sūkių enkoderiui ir UART komunikacijai. Ši plokštės versija skirta tik vakuuminio fluorescencinio ekrano veikimo principams įsisavinti bei impulsinio maitinimo keitiklio tobulinimui. Nauotraukoje matote mažą impulsinį transformatorių (be apvijų) ir šalia pozuojantį SO8 korpusą. Transformatoriaus modelis EPCOS ER-11/5, šerdies medžiaga T38.

Kaip žinia, šis ekranas (Noritake Itrom MN25664K) reikalauja gan nestandartinio maitinimo:

• DC 5V @ 12mA;
• DC 60V @ 40mA;
• AC 6.3V 10..200kHz.

• Dirba atskirai ir visiškai neapkrauna procesoriaus buku darbu;
• Yra visiškai atsparus „pakibimams“. Veikia tol, kol yra taktiniai procesoriaus impulsai.

Čia bus naudojamas gana mažas impulsinis transformatorius (šerdies skersmuo vos 5mm), o bendra ekrano suvartojama galia siekia netgi 5W, todėl transformatoriaus pirminė ir darbinis dažnis (100kHz) buvo parinkti taip, kad dirbtų arti įsisotinimo ribos. Bandymais nustačiau, kad šiomis sąlygomis šerdis gali atiduoti virš 10W galios, ko pilnai pakanka.

Projektavimo stadija neprasilenkė ir su tranzistoriais — buvo labai svarbu išsirinkti tokius tranzistorius, kurie būtų maži, pakankamai greiti, atlaikytų reikiamas įtampas (pavyzdžiui VT4 ir VT5) ir sroves (VT1, VT2 ir VT3). Taip pat dėl mažos maitinimo įtampos labai svarbu kuo mažesnė tranzistoriaus atviro kanalo varža, nes dirbant pilnu pajėgumu vien tranzistoriuje gali kristi apie 10% maitinimo įtampos. VT2 ir VT3 dirba salyginai aukštais dažniais, o mikrovaldiklio išėjimai gana silpni, todėl rinkausi kaip įmanoma mažesnės užtvaros talpos (100pF) tranzistorius.

Tuo problemos nesibaigia — ekranui reikalinga tam tikra maitinimo įjungimo/išjungimo tvarka, t.y. aukšta įtampa negali būti paduota tada, kai nėra 5V. Šią bėdą išsprendžia VT4 ir VT5.

Išėjimo įtampos reguliavimas. Kintamos įtampos efektyvią vertę keisti labai paprasta — keiti impulso plotį ir ta vertė keičiasi. Su pastovia įtampa yra kiek kebliau, nes prie mažų impulso ilgių stipriai išauga momentinė srovė, transformatorius kaista, o įtampa beveik nesireguliuoja. Šią bėdą išsprendžia integratorius, sudarytas iš L1 ir C4. Kitaip tariant tai yra vidurkintojas arba tiesiog aukšto dažnio filtras. Jo dėka keičiant impulso plotį įtampa išėjime keičiasi labai tiesiškai.

Tvarkingam keitiklio darbui užtikrinti būtini filtrai. Visų pirma — maitinimo filtras. Didžiausias triukšmų krūvis tenka kondensatoriui C1, todėl jis parinktas tantalinis. Takelis tarp transformatoriaus pirminės centro ir VT1 daromas kaip įmanoma trumpesnis, taip pat C1 statomas prie pat VT1. Transformatorius turi parazitinį induktyvumą, o jam lygiagrečiai prijungti tranzistoriai — talpą. Tai sudaro gana kokybišką rezonansinį kontūrą, ko dėka tarp persijungimų atsiranda parazitinės generacijos, kurios sklinda maitinimu, eteriu, indukuoja trikdžius gretimuose laidininkuose. Taip pat dėl jų tranzistoriai labiau kaista. Šioms generacijoms nuslopinti naudojamos RC grandinėlės (R3C2 ir C5R10), kurios, tinkamai parinkus, visiškai arba labai stipriai nuslopina nepageidaujamus virpesius. Varžai ir talpai parinkti metodika tokia:

1. Tranzistoriaus aprašyme susirasti jo išėjimo talpą;
2. Pagal parazitinės generacijos dažnį nustatyti transformatoriaus pirminės induktyvumą;
3. C_filtro = 3C_{tranzistoriaus};
4. R_filtro = SQRT(L/C_filtro).

Žodžiu, viskas nėra taip paprasta kaip atrodo, todėl prie šio keitiklio pavargau gerą mėnesį. Per tą laiką išsibandžiau apie penkis keitiklių tipus, kokius 20 kartų pervyniojau transformatorių.. Šiuo metu ši schema (be ekrano) surinkta maketinėje plokštėje ir puikiai veikia.

Pagaliau pakliuvo foto kamera į rankas, taigi galite apžvelgti sūkių enkoderį. Padaryta gan primityviai, tas pats dvipolis žingsninis variklis ir į mygtuką atremta jo slankiojanti ašelė. Lygiagrečiai mygtukui dar teko įstatyti spyruoklę, nes jis vienas nepajėgdavo atstumti variklio ašies.

Išsibadžiau, veikia gerai. Šmito trigeris atlieka savo darbą ir neatsiranda jokių pašalinių „žingsnių“. Variklį pakanka sukti vos vieno žingsniuko per sekundę greičiu, o enkoderio išėjime jau gražūs 90° faze perstumti impulsai.

Nubraižiau ir susimaketavau žingsninio variklio signalų formuotuvo schemutę. Iš esmės nieko sudėtingo: panaudotas žemavoltis rail-to-rail operacinis stiprintuvas, kuris veikia šmito trigerio režimu. Šmito trigeris apsaugo schemą nuo nepageidaujamų išėjimo signalo šokinėjimų kai įėjimo amplitudė lygi nuliui. Tai reiškia, kad schema atspari tam tikram virpesių lygiui, šiuo atveju - 5mV. Pasibandžiau, išėjime idealūs statūs 90° faze perstumti impulsiukai. Šalia matot ir plokštę, kuri bus sukama prie žingsninio variklio galo.

Taip jau nutiko, kad seną stiprintuvo korpusą su visais radiatoriais perleidau kitam elektronikos mėgėjui, o pats viską darysiu iš naujo. Stiprintuvą naudojau kasdien, o be muzikos man liūdna.. Žodžiu, išbandžiau naują transformatorių. Lygintuvas senasis. Taip pat prijungiau seniai padarytą ir nenaudojamą LM4780TA. Ši mikroschema dvikanalė, tarsi į vieną korpusą būtų sukišti du LM3886T kanalai. Privalumas tas, kad abu kanalai dalinasi vienu kristalu, o tai reiškia, kad abu kanalai dirba vienodu temperatūriniu režimu, maitinimo įtampos identiškos. Dėl šių priežasčių toks stiprintuvas žymiai geriau dirba lygiagretaus jungimo režimu. Šiuo metu jis dirba stereo režimu, o išmatuota galia — 2x98W.

Gavau didelius radiatorius, net kelis. Dabar vyksta bendri stiprintuvo vidurių projektavimo darbai, kuriuos baigęs žinosiu tikslius reikalingus radiatorių matmenis. Tuomet radiatoriai bus supjaustyti normaliomis staklėmis (nekartosiu klaidos, kai diskiniu pjūklu rankomis kreivai supjoviau senuosius). Nuotraukoje matomo radiatoriaus matmenys 22x20x4 cm, o svoris net apie 3kg. Stiprintuvui prireiks tokių dviejų.

Jau kurį laiką ant stalo gulėjo pervyniotas toroidinis transformatorius. Pasirinkau toroidinį, nes jis gerokai mažesnis ir galingesnis. Taip pat skleidžia mažiau elektromagnetinių laukų. Iš viso trys antrinės, kad išlyginus ir stabilizavus gautųsi +5V, +15V ir -15V. Transformatorius maitins budinčią ir pagrindinę logikas bei mažų galių analogines grandis.

Padariau lėkštutes transformatorių prispaudimui. Nudažyta specialiais aukštatemperatūriais dažais, kuriuos teko pusvalandį džiovinti orkaitėje. Mažosios lėkštutės paskirtį atskleisiu vėliau :-)

Ikišiol neturėjau dviejų vienodų ir visiškai tinkančių transformatorių. Galiu pasidžiaugti, kad pagaliau gavau du vienodus 400W toroidinius transformatorius, kurių išėjimo įtampa tiksliai tokia, kokios reikia. Iš tinko laisva eiga ima vos 12mA. Nuotraukoje galima įžiūrėti šiandienos datą :-).

O štai ir minėtasis vartotojo sąsajos įrenginys. Čia naudojamas žingsninis variklis, kurio vidurius matote pirmoje nuotraukoje. Stiprintuve jis atliks ne variklio, o labiau generatoriaus vaidmenį. Mintis ta, kad sukamas bipolis žingsninis variklis apvijose generuoja 90° faze perstumtus impulsus. Matuojant fazės ženklą galima gana nesunkiai nustatyti į kurią pusę sukamas variklis. Lygiai tą pačią funkciją atlieka ir tradiciniai sūkių enkoderiai („rotation encoder“), tik šis sprendimas turi eilę privalumų:

• Tinkamas — dėl variklio konstrukcijos ypatybių įmanomas ąšelės slankiojimas;
• Ilgaamžis — viduje nėra jokių dylančių kontaktų;
• Patvarus — garantuotai atlaikys fizines perkrovas transportuojant, taip pat visiškai nėra ąšelės klibėjimo;
• Patikimas — impulsams indukuoti reikalingas tam tikras minimalus kampinis greitis, todėl garantuojamas netyčinių suveikimų nebuvimas;
• Tikslus — tradiciniai sūkių enkoderiai teturi tik 24 žingsniukus per apsisukimą, o šis net 400, todėl patogiau naudotis meniu;
• Solidus — sukiojant rankenėlę jaučiasi malonūs žingsneliai.

Gal kiek sureikšminau, bet, mano manymu, tai idealiausias variantas.

Beje, kad ąšelė slankiotų, reikėjo variklį truputėlį patiuninguoti: mikroniniu švitriniu popieriumi, užvyniotu ant 30'000 RPM besisukančio strypelio ir gausiai tepamu tepalu, papoliruotas guoliukų vidinius žiedelius. Nusiėmė pakankamas sluoksnis kad ąšelė slankiotų, bet dar neklibėtų. Taip pat vienas guoliukas buvo pastumtas apie pusę milimetro į išorę. Ir vuolia, ąšelė slankioja 0.5mm. Iki pilno sąsajos funkcionavimo tereikia prijungti komparatorius ir logiką impulsams skaičiuoti.

Inžinierius nebūtų inžinierius, jei jam patiktų gautas rezultatas. Šiuo metu stiprintuve reikia perdaryti praktiškai viską: atsiradus naujam ekranui nebetinkama priekinė panelė, iš esmės blogas visas valdymas (analoginė ir skaitmeninė dalys sumaltos į vieną vietą), netinkamas garso reguliavimas, išėjimų komutatorius ne vietoje, reikalingas aukštesnės integracijos galinis laipsnis, blogai išdėstytas maitinimas, kreivai išpjauti ir negražūs radiatoriai.. Žodžiu, stiprintuvas bus perdaromas nuo nulio. Stengsiuosi šios klaidos nekartoti ir remtis liaudies išmintimi, kuri teigia: geriau dešimt kartų išmatuoti ir tik tada pjauti. Mano atveju tai skambėtų taip: geriau dešimt kartų perbraižyti autokadu, nei kelis kartus perdarinėti.

Ta proga pateikiu įpusėtą brėžinį. Kaip matote, transformatoriai ir kondensatoriai išdėstyti truputėlį kitaip. To dėka laimėjau nemažą laisvo ploto gabalą, kuris leido sutrumpinti stiprintuvą net 8cm.

Beje, man tos priekinės rankenėlės kažkaip keistai žiūrisi, todėl prašau pasiūlymų, kuriuos galite išdėstyti forume.

Pagaliau, po dviejų metų laukimo, gavau išsvajotąjį VFD ekraną! VFD ekranai pasižymi labai dideliu kontrastingumu, praktiškai 180° apžvalgos kampu, plačiu darbiniu temperatūriniu intervalu ir, aišku, kaina. Tokio ekrano per visą Lietuvą negavau, taigi teko parsisiųsdinti tiesiai iš gamintojo Estijoje. Už jį palikau solidžią sumą, taigi tikiuosi, kad rodys tikrai pakankamai gražiai. VFD ekranai natūraliai šviečia ryškia žalia šviesa, bet ją sudaro labai plataus spektro spinduliai, taigi švietimo spalvą galima labai nesunkiai pakeisti pritaisius paprastą spalvotą plėvelę. Šio ekranėlio rezoliucija — 256x64, ko tikrai per akis. Stiklo matmenys: 172x53mm, aktyvios zonos matmenys: 141x35mm. Kaip matote, ekranas puikuosis beveik per visą stiprintuvo priekį. Stikle yra interguoti puslaidininkiniai draiveriai, taigi jo valdymui tereikia kontrolerio ir poros maitinimo kaitiklių: 5->60V (taškų aktyvacijai) ir 5->7V 50kHz (katodo kaitinimui).

Susiklosčius palankioms aplinkybėms nepraleidau progos ir išsitekinau garso rankenėlę. Taip pat turiu mintį stiprintuvo valdymui nenaudoti mygtukų bei atsisakyti valdymo IR pulteliu. Dėl to nebereikalinga mygtukų plokštė bei raudona akutė stiprintuvo priekyje. IR pultelį pakeis savadarbis RF pultelis su LCD ekranu, na o visus mygtukus pakeis garso rankenėlė. Mintis ta, kad garso rankenėlės ašis bus atremta į mygtuką, kurį paspaudus iššoks meniu, per kurį bus naviguojama sukiojant rankenėlę. Man patinka minimalizmas, todėl stiprintuvo priekyje bus tik ilgas ekranas ir garso rankenėlė.

Turimos plokštės jau sudėtos į korpusą, vienos pusės keturi kanalai jau veikia, garsas reguliuojasi. Nuo šiol techninė stiprintuvo dalis keisis nežymiai, nes bus rašomos programos. Dabar su pulteliu galima valdyti tik prie stiprintuvo prijungtą kompiuterį, taigi liko dar daug darbo su stiprintuvo mikrovaldiklių programomis. Taip pat dar neveikia stiprintuvo priekyje esantys mygtukai ir išėjimų komutatorius. Daugiau atskirų mazgų nuotraukų rasite forume.

Akivaizdu, kad šis ekranas netinkamas buitinei aparatūrai: tragiški apžvalgos kampai, labai blogas kontastas. Dėl to ieškosiu normalaus ekrano ir laikinai pristabdysiu darbus, nes pakeitus ekraną reikės perdaryti visą priekį ir valdymą. Įsigijus tinkamą ekraną darbai bus tęsiami. Na o kol kas atliktas nežymus centrinio mikrovaldiklio (ATmega8) programos pakeitimas: dabar garso lygio kodas į reguliatorius siunčiamas ne nuolat, o tik pasukus rankenėlę. Šis pakeitimas stipriai sumažino triukšmų lygį.

Pradėjau viską surinkinėti į korpusą. Su šiuo stiprintuvu, ekvalaizeriu, programatoriumi ir savadarbėmis akustinėmis sistemomis sudalyvavau Nacionalinio jaunųjų mokslininkų konkurso pirmąjame etape ir užėmiau pirmąją vietą. Konkurso metu stiprintuvas buvo nebaigtas (žr. nuotrauką) ir tesugebėjo šalia padėtame akranėlyje rodyti nejudantį vaizdą, nes dar nebaigtas garso reguliavimas. Akivaizdu, kad pirmai vietai to pakako.

Visos plokštės jau išėsdintos ir sulituotos. „Protą“ gręžioti labai pabodo, visgi keli šimtai 0.5mm skylučių.. Taip pat pagaminta mygtukų-klaviatūros plokštė, kurioje įmontuotas IR imtuvas. Ši plokštelė skirta stiprintuvo valdymui ir navigacijai po meniu.

Nubraižiau „proto“ plokštę. Tai ne galutinis variantas, todėl šiam kartui naudoju mikroschemas DIP korpusuose. Neįsivaizduoju kaip reikės išėsdint ir sulituot...

Pagaminau išėjimų komutatorių, kuris skirtas stiprintuvo išėjimams lygiagretinti. Tai realizuojama kokybiškomis relėmis ir 0.33Ω 3W rezistoriais. Reles valdo centrinis mikrovaldiklis.

Pagaliau nubraižiau stiprintuvo „Proto“ schemą. Teko nemažai paplušėti. Dabar braižau jo plokštę.

Nubraižiau galios stiprintuvų maitinimo dalį. Schemą, plokštę ir aprašymą rasite forume.

Nubraižiau išėjimų komutatorių. Schemą, plokštę ir aprašymą rasite forume.

Nulupau poliarizuojančias plėveles nuo savo LCD ir vietoj jų priklijavau kitas, nuluptas nuo gautos LCD matricos. Gavosi „invertas“, t.y. ekrano fonas juodas, o taškai formuojantys vaizdus — raudoni. Taškų spalva priklauso nuo difuzorių apšviečianšių šviesos diodų spalvos.

Gavau skilusią LCD monitoriaus matricą su difuzoriumi, kuris EL lempos šviesą tolygiai paskirsto po visą ekraną. Pats difuzorius yra organinio stiklo gabalas, kurio galinėje pusėje yra daug matinių taškelių (jie tankėja tolstant nuo šviesos šaltinio). Taipogi yra dar kelios plėvelės, kurios pagerina šviesos perdavimo tolydumą. Už LCD matricą dėkoju „DAINe“.

Perrašiau programą (v1.1). Dabar stulpelių rezoliucija padidėjo dvigubai. Vienas stulpelis turi 16 padalų, jautrumas padidėjo iki -45dB, o viena padala atitinka 3dB. Taipogi lygio indikatoriams padariau detektorių (kol kas tik vieną) su mikroschema K157DA1. Dar reikės kiekvieno kanalo indikatoriams padaryti po paprastą „ekvalaizerį“, kuris kontroliuos signalo pikus. Galite atsisiųsti trumpą filmuką (45 sekundės, 1.7MB). Dėkoju Drasiui už naudingus patarimus.

Programa v1.0 jau baigta. Šie 8 stulpeliai jau šokinėja pagal muziką. Vienas stulpelis turi 8 padalis, jo jautrumas — -42dB, viena padala atitinka 6dB. Kol kas prijungtas tik vienas kanalas, įsitikinimui kad veikia. Skalė logaritminė, dirba gražiai ir gana plačiame intervale. Dėkoju „UnknownError“ už pagalbą ieškant klaidos programos kode.

Rašau LCD kontrolerio programą ir projektuoju būsimus vaizdus. Programa turės realiu laiku analizuoti į aštuonių kanalų ADC ateinančius signalus ir atvaizduoti jų logaritmines skales.

Padariau veikiantį USB sąsajos maketą. Lietuvos parduotuvėse nėra USB-serial keitiklių mikroschemų, taigi ši sąsaja realizuota programiškai. To pagrindas — mikrovaldiklis AT90S2313. Greitis nedidelis, vos 115kb/s, bet mano reikmėms to pilnai pakanka.

Supjausčiau tris radiatorius ir iš jų padariau du man tinkamus. Vėliau ieškosiu būdo juos anoduoti arba padengti kuo plonesniu juodų dažų sluoksniu, kad pagerėtų šilumos išspinduliavimas.

Padariau 8 stiprintuvėlius su mikroschemom LM3886T. Šie stiprintuvėliai pasižymi aukšta kokybe ir lengvu lygiagretinimu. Viena tokia mikroschema su tinkamu maitinimu apkrovoje kuria apie 100W galią.

LCD jau rodė užrašą „Dex7er electronics“ (ekranėlyje užrašytas e-paštas NEmano). Dėkoju Dmitrijui už veikimo principo nupasakojimą.

Užgimė mintis išardyti ~1992 metų Japonų gamybos užrašų knygutę CITIZEN ir jos LCD panaudoti stiprintuve. Šis ekranas dinaminis, t.y. neturi kontrolerio. Jį sudaro tik pati LCD matrica ir draiveriai, keičiantys loginius lygius į kristalams reikalingas įtampas. Dėl šios priežasties į ekraną duomenys turi būti siunčiami nuolat: taškas po taško, eilutė po eilutės, kadras po kadro. Nustojus, ekranas pamažu išblanksta. Blogiausia, kad dėl to kristalai nusėda ant elektrodų ir ekranas nergįžtamai sugadinamas. Dėl to šiam ekranui reikalingas kontroleris, kurį teks pasidaryti pačiam.