Автомобильный усилитель с отрицательным выходным сопротивлением.

     

    Выходное сопротивление усилителя является одной из самых распространенных причин, почему одни и те же электродинамические громкоговорители (динамики) могут звучать по-разному, в зависимости от используемого усилителя (акустическое оформление и провода при этом одинаковые).

Конечная задача любого конструктора аудиосистемы - задемпфировать динамик (в данном случае речь будет идти о мидбасах) так, чтобы собственные колебания затухали как можно быстрее, то есть чтобы динамик не "подгуживал" (варианты: не бубнил, не гудел, а бас не был: тяжелый, рыхлый, несобранный, кашеобразный, вальяжный, жирный, бухающий, тупой, сдавленный, трубный, дряблый, медленный, грязный, худосочный, монотонный, унылый, бледный, заунывный, .. и т.д.и т.п.)

Однако средств для этого не так уж много. Возможны три основных способа демпфирования электродинамического громкоговорителя:

- механическое демпфирование, определяемое потерями на внутреннее трение в подвесе

- акустическое демпфирование, определяемое особенностями акустического оформления

- электрическое демпфирование, определяемое выходным сопротивлением УМЗЧ.

В этой  статье будет описана практическая реализация третьего способа, то есть подгонка оптимального демпфирования связки усилитель/динамик (без пассивных фильтров), с помощью оперативной регулировки выходного сопротивления УМЗЧ.

Косяки инсталла (акустические эффекты - резонансы дверей и салона авто, не оптимальное акустическое оформление, "туннель" сзади динамика..., электрические эффекты - тонкие силовые и акустические провода, плохой контакт.....  и т.д и т.п.) - это уже отдельная тема.

Вот здесь я делал небольшой анализ разных динамиков:

http://halin-af.blogspot.com/2014/07/blog-post.html

Как видно из анализа, есть динамики, которые хотят обыкновенного низкого выходного сопротивления усилителя - это стандартная ситуация. 

Есть динамики, которые хотят положительно выходного сопротивления усилителя, и это я уже  успешно делал и применял - http://halin-kvdam.blogspot.com/2013/11/genesis-stereo-100.html

А есть динамики, которые хотят именно отрицательного выходного сопротивления усилителя,... вот этим мы сейчас и займемся.

Задача:  посмотреть как УМЗЧ с регулируемым отрицательным выходным сопротивлением будет демпфировать (контролировать) динамик FOCAL UTOPIA 7W2 (а также 6W3....или другие подобные динамки, которые требуют отрицательного выходного сопротивления усилителя). 

Думаю, что это будет первый автомобильный усилитель с отрицательным выходным сопротивлением.

Электрическое демпфирование не изменяет КПД динамика. Снижение его отдачи на резонансной частоте достигается уменьшением амплитуды подводимого напряжения, что приводит к снижению рассеиваемой на звуковой катушке мощности, а значит, к расширению динамического диапазона динамика и работающего с ним УМЗЧ.

Таким образом, при использовании УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением достигается не только оптимальное демпфирование мидбаса, но и снижение нелинейных искажений звукового сигнала вблизи резонансной частоты мидбаса в акустическом оформлении, т. е. именно в той области частот, где они максимальны, что позволит ему работать на больших мощностях без гудежа.

Для экспериментов взят простой бюджетный усилитель JBL GTO 2000.

Вначале его доработаю в полный директ, а затем установлю платку каналов формирования ПОСТ и ООСН, которая позволит регулировать выходное сопротивление каждого канала усилителя примерно от минус 0,2 до минус 1,2 Ом (можно сделать диапазон регулирования и меньше и больше, но для начала остановлюсь на таком).

Затем, если эксперимент удастся, буду дорабатывать уже усилитель, который планируется использовать в конкретной инсталляции.

Принцип,  по которому будет дорабатываться усилитель,  очень доходчиво изложен в статье А. Фрунзе "УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением" и заключается в совместном использовании положительной обратной связи по току (ПОСТ) и  отрицательной обратной связи по напряжению (ООСН).

http://samakustika.ru/umzch-s-otricatelnym-vyxodnym-soprotivleniem/ 

Правда, я не буду использовать ОУ, а сделаю это на двух транзисторах, как это делали Салтыков Олег и Александр Сырицо еще в семидесятые годы (статья  "Звуковоспроизводящий комплекс", Радио, 1979, № 7, с. 28; № 8, с. 34.).

Не вижу смысла использовать почти сотню транзисторов, когда для решения задачи достаточно всего четыре транзистора....., даже не это главное - просто не хочется еще добавлять на входе усилителя еще один ОУ (хотя из-за некоторых нюансов применение варианта с ОУ предпочтительнее).

Усилитель JBL GTO 2000.

Ток холостого хода - 0,82 А

Вторичное напряжения не стабилизированное:

При входном 14,7 - ± 33,5 вольта

При входном 12,4 - ± 28,28 вольта

Частота работы преобразователя БП - 51,24 кгц

Напряжение питания для ОУ и дифкасакадов УМ (при 14,4 входных) -  +16,8 и -16,1 вольта (а конденсаторы в стоке стоят на 16 вольт!)

Наводки во вторичке - 80 мВ рр

Наводки на выходе - 40 мВ рр

Шум с выкрученными на минимум гейнами и в полную полосу - 10 мВ, на максимальной чувствительности - 100 мВ  !!!

Чувствительность выходного каскада УМ составляет примерно 1 вольт RMS. 

Индикация уровней на верхней крышке усилителя работает как положено - как только светодиод 0 дБ зажигается полностью  - как раз в этом момент происходит начало ограничения верхушек (клипп) выходного сигнала УМ. 

Печатная плата усилителя - гетинаксовая.

Довольно шумный усилитель с провальными высокими, невнятной серединой, рыхлым и несобранным басом. В стоке он достаточно хорошо может потянуть мостом сабик 4 Ом на

200 Вт.

Максимальное напряжение  питания во вторичке составляет ±33,5 вольта, так что даже теоретически, на нагрузке 4 Ом усилитель выдаст всего около 70 Вт, а реально измеренное составляет только 62 Вт RMS. 

На нагрузке 2 Ом все гораздо лучше и свои 110 Вт усилитель спокойно отрабатывает... это я к тому, что при доработке двух каналов в синфазные, на нагрузке 4 Ома усилитель, как выдавал, так и будет выдавать честные 60 Вт RMS на канал. 

Перечень работ по доработке усилителя JBL GTO 2000:

1. В обратной связи УМ вместо стоковых 100 мкФ (С152 и С252), ставлю 220,0*25v и меняю их местами с резисторами R272 и R172 (замена местами - так нужно для подачи обратной связи с каналов формирования ПОСТ и ООСН).

2. С52 и С67 - устанавливаю 270,0*50v

3. С51 и С61 - устанавливаю 1000,0*50v

4. К конденсаторам вторички С52 и С62 добавляю ещё два конденсатора  3300,0*50v

5. На входе бортового питания устанавливаю  2200,0*25v (потом поставил лежа аксиальный 3300 мкФ, так как стоя в этом месте конденсатор упирается в плату индикации) и после дросселя 2 штуки 4700,0*25v. 

6. В питании ОУ и дифкаскадов УМ, конденсаторы С181 и С182 - устанавливаю 1000,0*25v

7. Меняю балластные двухватные резисторы R186 и R180 в параметрическом стабилизаторе на 15 вольтовых стабилитронах - 220 Ом на трёхватные номиналом 330 Ом.

8. На выходных землях УМ разрезаю дорожки и устанавливаю резисторы 0,1 Ом 5 Вт, которые будут выполнять роль датчика тока для канала формирования ПОСТ.

9. Переносим резисторы R164 и R264 (потом я их все таки переставил обратно - после резисторов 0,1 Ом) и цепочки RC: R165, C161 и R265, С261 на выходе УМ до места подключения резисторов 0,1 Ом.

10. Разделительные конденсаторы С130 и С230 перед входами УМ - устанавливаю неполярные Nichicon Muse ES номиналом 10,0*50v

11. На входе не будет никаких разделительных конденсаторов, каждый вход канала будет усиливаться одним ОУ в инвертирующем включении, усилением 0,4-2,4, входное сопротивление 25 кОм. Чувствительность усилителя будет от 0,9 до 5 вольт, (на входе УМ поставил 3,6 кОм, в обратной связи вместо 18кОм поставил 10 кОм).

12. Входной ОУ устанавливаю LME49860, а так как стоковые ОУ были в корпусах L, и чтобы использовать ОУ в корпусе DIP делаю небольшую переходную платку.

13. Гейны делаю раздельные... место под второй потенциометр использую место потенциометра бастбуста, устанавливаю линейные потенциометры 50 кОм... по типоразмеру там нужны R12, но можно приспособить и R16.

14. Делаю платку каналов формирования  ПОСТ и ООСН, которую устанавливаю на свободном месте в усилителе около выходных клемм УМ.
15. Во вторичных цепях питания ставлю керамические блокировочные конденсаторы 0,1*250v
16. Дополнительно в питании предварительного каскада на  ОУ, ставлю конденсаторы 220,0*25v и около ОУ блокирую пленкой 0,15 мкФ.
17. Оставшиеся ОУ фильтров обесточиваю, ненужные связи - или выпаиваю элементы, или прорезаю дорожки.

Фото почти доработанной платы усилителя:

 Обратная сторона платы усилителя:

Включаем усилитель:

Напряжение питания ОУ при максимальном входном напряжении (14,7 вольта) становится не выше 15,8 и 15,2 вольта, то есть 15 вольтовые стабилитроны уже не выходят из режима стабилизации.

Наводки во вторичке уменьшились до 20 мВ, на выходе УМ наводки становятся 10 мВ.

Усилитель теперь шумит на максимальном гейне 5 мВ, на минимуме гейнов - 1 мВ.

При максимальной мощности на нагрузку 4 Ома и одновременной работе 2 каналов, напряжение питания с 33,5 вольт просаживается до 31 вольта, на выходе УМ имеем неискаженную синусоиду размахом 61 вольт, что соответствует мощности 58 Вт на канал.

Звучание теперь цельное, стали хорошо и слитно звучать басы, появилась внятные верха.... не хайэнд, конечно, но по крайней мере теперь усилитель однозначно не будет слабым звеном в в хайфайных инсталляциях,.... а может даже и выше.

Теперь о платке каналов формирования ПОСТ и ООСН.

За основу беру схему каналов ООСН и ПОСТ из статьи О. Салтыкова и А. Сырицо "Звуковоспроизводящий комплекс", ....... лень перерисовывать, а вот так это все выглядит в оригинале:

Некоторые номиналы входных цепей я изменил, так как в оригинальной схеме датчик тока 0,5 Ом, а я использовал резистор 0,1 Ом, немного сдвинул ниже по диапазону начало действия ПОСТ и ООСН... ну и так далее.

Получилась вот такая платка для двух каналов формирования ПОСТ и ООСН :

Земли левого и правого каналов намеренно разделены.

Подключаем теперь платку каналов формирования ПОСТ и ООСН к нужным точкам в усилителе.

Включаем и немного регулируем:

На вход усилителя подаем сигнал 50-150 Гц.

Лучше всего подстраивать резистором R34 равенство ПОСТ и ООСН - двухканальным осциллографом по самому минимуму синусоиды на базе транзистора V7.... сравнивая синусоиды на выходе УМ и на базе V7, регулируем так, чтобы минимум синусоиды на базе V7 был посередине начала увеличения в фазе/противофазе по отношению к выходному сигналу.

Грубо можно настроить и так: без нагрузки (с отсоединенным каналом формирования ПОСТ и ООСН) подаем на вход сигнал 50-150 Гц и измеряем напряжение Vo на выходе УМ.

Затем подсоединяем канал формирования ПОСТ и ООСН, подключаем резистивную нагрузку (уже как положено после датчика тока и номинал нагрузки должен соответствовать электрическому сопротивлению конкретного динамика, в данном случае для 7W2 это составляет 3,7 Ом), и подстроечным резистором R34 добиваемся, чтобы на выходе УМ напряжение стало равным Vo.

Установив таким образом равенство глубины ПОСТ и ООСН, далее можно резистором R24 устанавливать требуемую величину отрицательного выходного сопротивления УМЗЧ.

Проще всего это сделать «на слух». Для этого желательно выбрать трек с большим содержанием низкочастотных составляющих в сигнале. После этого, отключив громкоговоритель одного из каналов и прослушивая фонограмму через второй, перемещением движка резистора R24 добиваются максимального контроля и естественности звучания этого мидбаса в автомобиле. Затем то же самое повторяем для другого мидбаса и в самом конце корректируем звучание при совместной работе мидбасов в салоне автомобиля. Слышимый эффект - уходит горбик на 100-120 Гц, вроде как басов становится меньше, но на самом деле появляются совсем не гудящие, а четкие басы - уменьшение добротности происходит четко согласно импеданса мидбаса - сопротивление растет, а выходная мощность именно на низких частотах уменьшается. то есть динамик контролируется усилителем.

Обнаружилась небольшая ложка дегтя - при включении, когда еще идут переходные процессы, с каналов формирования ПОСТ и ООСН в обратную связь УМ поступает "типа" сигнал положительной обратной связи, из-за чего выходной каскад УМ увеличивает свое усиление практически до максимума. Почему "типа" - напряжение на транзисторах V7 и V8 устанавливается не сразу, из-за разных параметров фильтрующих цепочек питания R30C9, R22C11.... разная скорость зарядки конденсаторов - в минусовых цепях резисторы но номиналу больше, чем в плюсовых, вот плюс раньше всего и выскакивает.

Если аудио сигнала на входе нет, то ничего страшного не происходит, только лёгенький пук, а вот если сигнал на входе есть, то громкость возрастает и через несколько секунд устанавливается на свой номинальный уровень.

Есть два основных решения - поставить реле на выходе УМ с задержкой на 3-4-5 секунд, или на такое-же время разрывать аудиосигнал со входа.

Планируемый усилитель под доработку уже с релюшками на выходе, там этот вопрос считай уже решен, а здесь пока думаю, какой вариант проще сделать. Чтобы гарантированно избавиться от пуков, конечно, лучше поставить реле на выходах УМ.

Использовал реле RM84-P-24V на 24 вольта, номинальный ток через катушку реле примерно 14-17 мА. Контакты реле рассчитаны на номинальный ток нагрузки 8 ампер. Схема задержки срабатывания - самая обыкновенная на одном транзисторе, запитываю её от VCC2 (28-33 вольта), номиналы получились 200 кОм и 2200 мкФ, ограничивающий резистор 510 Ом. На катушке реле, при таком раскладе (в зависимости от входного питающего напряжения), падает 21-25 вольт. Реле срабатывает при входном напряжении питания от 10,8 вольт.

 Саму платку с транзистором разместил .. где можно было примостить, там и разместил.

Вот другой ракурс:

Для оперативной регулировки уровня отрицательного выходного сопротивления в верхней плексигласовой панели (над красными ручками) просверливаю отверстия 4 мм .

Усилитель в сборе:

И вот, наконец, слушаем - при работе даже (хотя, почему даже - результат работы усилителя с отрицательным сопротивлением будет слышен с любым динамиком) на обыкновенные динамики очень хорошо слышно, что в зависимости от положения регулятора выходного сопротивления R24 изменяется уровень низких частот - чем больше в минусе выходное сопротивление усилителя, тем меньше басов, что нам и требовалось.

Если посмотреть измерения, то при увеличении нагрузки с 3,7 Ом до 40 Ом (резистор R24 в максимальном положении) выходной сигнал на низких частотах уменьшается в 1,5 раза, что соответствует отрицательному выходному сопротивлению 1,24 ома.

Значит с технической точки зрения всё получилось и работает.

Осталось испытать на реальном динамике в реальной машине.

Если даже с фокалами и пойдет что-то не так, то в любом случае этот усилитель пригодится кому-то, у кого уж очень сильно гудят миды .. можно будет не трогая инсталл, просто поставить этот усилитель и избавиться от гудежа.

10.09.2014 года.

Зафиксирую дату.

Результаты прослушки (независимыми и уважаемыми мной экспертами в области автозвука) динамиков FOCAL UTOPIA 7W2 с этим усилителем таковы: усилитель полностью контролирует фокалы!

Самый лучший контроль над 7W2 получается при выходном сопротивлении усилителя примерно минус 0,2-0,4 Ом. Ясно, что хотелось-бы еще добавить мощи на динамики, но усилитель больше 60 Вт выдать не может.....

Сами собой напрашивающиеся выводы: не беря во внимание окрас, который вносит в звучание тот или иной усилитель, а говоря только о контроле усилителя над динамиком - получается такая картина: если у нас уже есть конкретный динамик, в конкретном акустическом оформлении, которое требует нулевого (низкого) выходного сопротивления - тогда у нас все нормально. Если получается, что требуется положительное или отрицательное выходное сопротивление усилителя - надо или менять динамики, или переделывать акустическое оформление или применять усилитель с нужным выходным сопротивлением.

Чтобы закрыть вопрос с FOCAL UTOPIA 7W2, остается взять более мощный и качественный усилитель, и сделать его с отрицательным выходным сопротивлением.

Так что, если кому интересно - остается подождать, пока я это сделаю и опишу здесь-же.. думаю к началу ноября будет всё готово..

Продолжение следует.