Jump to content
  • entries
    26
  • comments
    425
  • views
    44961

Усилитель для наушников "Prometheus"

aitras

3047 views

5c35f2cc933bb_2019-01-0820-10-47.thumb.JPG.fa02cc44d5ffa4e7cb8f7d482e88b91c.JPG

Известно, что стандартного выходного напряжения типовых звуковых карт или ЦАП зачастую недостаточно для работы на высокоомные наушники. Как и недостаточно выходного тока для работы на низкоомные наушники. Поэтому необходим усилитель, который усилит мощность источника сигнала, и даст возможность источнику работать на широкий диапазон сопротивления нагрузки.

Когда-то давно я собирал усилитель для наушников по схеме Питера Смита по схеме из Everyday Practical Electronics (мартовский номер 2008 года). По звуку он мне очень понравился, и до недавнего времени я его использовал в виде макета.

image.thumb.png.a254d06a0f7372998c7fff9dcba94ece.png image.thumb.png.eafb7804d5e5ff4c3b3600b0506c71c1.png

Со временем стало понятно, что хочется его таки собрать в нормальный корпус. Тем более у меня появились отлично звучащие ортодинамические наушники ТДС-5М (копия Yamaha YH-1), с которыми и должен работать усилитель. Но в этом варианте конструкция имела недостатки - отсутствие стабилизаторов, которые есть в оригинальной схеме, громоздкость и защита была на отдельной плате.

Схема

Новая схема по сравнению с макетом претерпела некоторые изменения и приняла следующий вид:

image.thumb.png.ad9aa205baf883b07cc3b55f72d5ca48.png

Конструкция

Отправной точкой для конструкции нового варианта усилителя стало желание перевести схему на SMD-компоненты, сделать максимально монолитную одноплатную конструкцию и уместить ее в китайский алюминиевый корпус:

image.thumb.png.55a8aaa8b7744774a00d8788ba31c212.png

Доступная высота для компонентов в таком корпусе (от платы внутри корпуса до крышки) всего 28,5 мм. Поэтому на замену имеющимся трансформаторам ТПК-2 (ТПГ-2) пришлось подыскать замену пониже, при сохранении максимально возможной габаритной мощности. Нужная модель нашлась у фирмы HAHN - BV EI 304 2047.

С электролитами в блоке питания проблем не возникло - были взяты модели B41851F5228 фирмы EPCOS с высотой корпуса 25 мм. С выпрямителе был реализован C-R-2C фильтр.

Охлаждение греющихся компонентов - транзисторов выходного каскада и стабилизаторов - реализовано с использованием радиаторов 28 на 28 мм и высотой 20 мм. Причем крепление сделано таким образом, что компоненты расположены горизонтально а радиаторы прижимают их к плате. Для равномерного прижима между платой и корпусами транзисторов проложен силикон толщиной 1 мм, а также в радиаторы вкручены стойки высотой 5 мм, которые не позволяют притянуть радиатор с перекосом и служат элементами крепления радиаторов. К сожалению, найти стабилизаторы в изолированных корпусах не предоставляется возможным, поэтому под них пришлось подложить теплопроводящие изоляционные прокладки.

В качестве регулятора громкости применен потенциометр ALPS RK27 на 10 кОм, давно лежащий без дела.

У корпуса внутри есть специальные пазы для платы, поэтому на краях платы сделаны соответствующие выступы справа и слева. Кроме этого по углам платы сделаны крепежные отверстия на случай, если будет применяться другой тип корпуса. Три других отверстия остались от варианта, когда планировалось в выбранном корпусе крепить плату ниже, чем это позволяют пазы. В итоге от этого варианта я отказался, а отверстия оставил.

В качестве сетевого разъема применен разъем под кабель "восьмерку", совмещенный с выключателем. TRS-разъем взят под Jack 6.3 мм. На плате нашлось место даже для сетевого предохранителя, варистора и термистора.

С учетом всего вышесказанного, была получена следующая конструкция и топология печатной платы:

image.thumb.png.3c9901c0b68e4d16af117eee8c4e4e62.png

2018-11-30_01-15-35.png.6371e7531d1e2880c4b274fbe472714d.png 2018-11-30_01-16-34.png.0da8b515e4160f2f208aea56b54a0c9f.png

Монтаж получился достаточно плотный, но зато удалось все вписать в допустимые габариты:

2018-11-30_01-11-32.thumb.png.4b8a98b679a7d47ee3c1994ff858acf5.png

2018-11-30_01-09-25.thumb.png.c3285325f83965a1163135c6f97e2353.png

Дизайн

Расположение разъемов, регулятора громкости и светодиода проводилось с учетом того, чтобы усилитель красиво выглядел. Некоторая асимметричность расположения компенсирована надписями на панели. Название усилителю придумалось Prometheus, то есть Прометей, что в данном случае ничего не значит, а просто выглядит красиво :) 

image.thumb.png.9d1b3f1f0fecc73c51ae7ba4b44e5f86.png

Реализация

Платы были заказаны на JLCPCB. Последний раз я заказывал там в прошлом году, и сейчас показалось, что качество у них стало лучше. Особенно заметно по маркировке.

image.thumb.png.b940a69de4000832d74026c7748b46c6.pngimage.thumb.png.0c2c2b00d78ed7ef510ccb5299f46775.png

image.thumb.png.14606ac0d47e7ce5fa62692d22d54e44.pngimage.thumb.png.26b8eddf73fda3d1f18d375cf9d88c7c.png

В процессе пайки и испытаний выяснилось, что в конструкции есть ошибки. К счастью, их исправление обошлось "малой кровью":

  1. Посадочное место под выходной TRS-разъем сделано с ошибочным расположением отверстий под направляющие пластиковые штифты и при монтаже нужно было их откусить.
  2. Перепутаны вход и выход стабилизатора на 12В для реле, т.к. у мелких корпусов цоколевка почему-то сделана зеркально по сравнению с TO-220. Пришлось на место SOT-89 впаять стабилизатор лежа в корпусе TO-92, благо рассеиваемой мощности корпуса хватает.
    5c057c398d2d7_2018-12-0322-41-21.thumb.jpg.2d5db2228e5fadf502cea42d31067877.jpg
  3. Отключение реле защиты происходит слишком долго из-за того, что емкость фильтра продолжает держать напряжение некоторое время после выключения. Слышны переходные процессы в наушниках. Если на питание защиты поставить отдельный выпрямитель, то проблема уходит. 
  4. Сетевые трансформаторы небольших габаритов всегда имеют повышенное напряжение холостого хода, которое под номинальной нагрузкой просаживается до заявленных значений, но в данной конструкции оно остается довольно высоким. Это дает и лишний нагрев стабилизаторов. Поэтому трансформаторы я заменил на BV EI 304 2046 (это 2х9В). По температуре все стало гораздо приятнее.

5c360b5f66510_2018-12-0920-55-10.thumb.JPG.dc97fc04d00c25ae30257adc64bfbff1.JPG   5c360b5da50fc_2018-12-0920-56-33.thumb.JPG.6b306b7af0459de6447bd530dfd322b9.JPG

5c360b92858bf_2018-12-0916-36-52.thumb.JPG.8b95191ac19a97da72f5edd93b5686a6.JPG   5c360b913a90b_2018-12-0920-57-38.thumb.JPG.e6cf2deb93e664dc32214cffa9bd2a09.JPG

Комплектные переднюю и заднюю панель отдавал на фрезеровку и гравировку. Результат собранного варианта на фото ниже:

5c35f38d971b4_2019-01-0820-09-03.thumb.jpg.30a709b2616ea7e14d453c9adc8028b8.jpg   5c35f38f14f14_2019-01-0820-08-50.thumb.jpg.6fcacac126af380a9ebd1a21b1ca28ed.jpg

Измерения

Спектр выходного сигнала (нагрузка 100 Ом, в качестве источника ЦАП "Mercury"):

2019-01-09_18-03-06.png.6c4eb42358f3660b8cc539f0fce67f19.png

Тут я удивился - откуда такой лес сетевых гармоник? Отключил защиту (потому что на нее питание выпрямляется однополупериодным выпрямителем). Стало лучше:

2019-01-09_18-22-30.png.a27def10b6966895c5f6ec2cd2e6d0b5.png

Но все равно много. Грешу на земляную петлю, которая могла возникнуть на полигоне. Какие ваши идеи?

По температуре все очень приятно. При тестах без корпуса самые горячие - трансформаторы, ~55 °C, радиаторы стабилизаторов ~45 °C, радиаторы выходного каскада ~43 °C.

Потребление по каждой ветке питания около 23 мА при мощности, близкой к максимальной.

Планы на будущее

В планах исправить выявленные недостатки, сделать некоторые изменения и собрать еще один экземпляр:

  1. Исправить текущие недоработки по стабилизатору защиты.
  2. Добавить нормальный выпрямитель на питание защиты.
  3. Разобраться с трассировкой земли.
  4. Заменить полевой транзистор в схеме защиты на маломощный в корпусе SOT-23.
  5. Не очень удобно подкладывать под стабилизаторы теплопроводящие прокладки. А так как обмотки трансформатора раздельные, можно сделать независимые стабилизаторы на LM317 в изолированных корпусах как на положительно, так и отрицательное плечи питания.
  6. Возможно стоит заменить сетевой разъем - нужно чтобы он впаивался в плату. Так он будет занимать меньше места и компоненты, связанные с сетью, можно будет еще дальше отодвинуть от входного разъема.
  7. Для возможности применения других переменников для РГ нужно предусмотреть установку переходных платок.

А пока я слушаю и наслаждаюсь как звуком, так и внешним видом ^_^ 

  • Like 4
  • Upvote 7


41 Comments


Recommended Comments



22 часа назад, aitras сказал:

Кстати интересный момент - если идет наводка на дорожки входного сигнала, то почему уровень фона не зависит от положения РГ?

Потому что, скорее всего, фон наводится на земляную дорожку. Вот нарисовал земляную петлю, которая замыкается (красным) через внешние соединения (карту, компьютер, генератор, осциллограф и пр. и пр.). За этим надо смотреть в оба, в т.ч. при трассировке. Собственно, если петля есть,то в реале там на конце наушники, т.е. она, по идее, разорвется. В общем, поглядите внимательно.

5c6655fa82553_Aitrashfa.thumb.png.8f42572a8e2b18efda3febaafaa1f9b6.png

Edited by Юрий_Uri

Share this comment


Link to comment

@Юрий_Uri Имеете ввиду, что при измерениях получается петля?

У меня в качестве источника ЦАП с изолятором. Гальванической связи с компьютером нет (по факту земпли связаны через резистор 300к).
Также у карты можно разорвать землю на входе АЦП - есть переключатели GND LIFT.

Ну и при прослушивании музыки я ухом слышу фон в паузах. Если не прислушиваться, незаметно, но он есть.

Share this comment


Link to comment

Да, именно это имел ввиду. Ну раз нет, так и хорошо, мало ли.

А если с другой стороны подцепить источник сигнала? Оставить вход свободным и подсоединиться прямо к потенциометру (чтобы эти дорожки под трансформатором исключить). Не пробовали так?

Edited by Юрий_Uri

Share this comment


Link to comment

Без входного сигнала, с замкнутым входом, РГ на макс:

2019-02-15_10-38-52.png.5111ee523105b6c4b2cb0ddbcdcaa023.png

РГ на мин:

2019-02-15_10-39-15.png.4521a6b60a3eb23c237151f7ad396506.png

Таки тупо наводка на дорожки. Буду прокладывать экранированный провод вместо них.

Share this comment


Link to comment

Перерезал сигнальные провода, кинул отдельно в экране. И... ничего не изменилось. А вот когда и землю отделил, стало лучше. А если подавать сразу на разделительные конденсаторы, минуя входной разъем, то картинка становится такой:

2019-02-15_11-14-34.png.4a916c123cfa3f108990be042bc19ee8.png

 

Share this comment


Link to comment

О чем и речь :) 

Интересно, что 50 Гц выше, чем при замкнутом входе. Либо РГ (или сами конденсаторы) тоже чего-то ловит, либо входной сигнальный провод (видно, трансформатор этот лучит капец), либо это с источника прилетает. Кстати, конденсаторы staked или winded?

Edited by Юрий_Uri

Share this comment


Link to comment

Собрал усилитель на новой версии платы. Схема практически та же. Трансформаторы переместились максимально дальше от входных цепей, все остальное перекомпоновалось.

image.png.79e80bfea6c8789ca05822dd01f399d9.png

Спектры при минимальном и максимальном положении ручки громкости:

2019-12-28_11-05-12.png.db30ce551029181ff638ac21425b3d12.png2019-12-28_11-06-26.png.94963b4fcfa00af5c7f3f3e11b655813.png

Спектр источника:

2019-12-28_01-17-20.png.5eb1c50779fde537920e6ecf9b86b308.png

Не знаю, можно ли сделать лучше при том же конфиге :unknw:

Share this comment


Link to comment

Все нравится. Фона не слышу, шума нет, напрягает только когда вижу сетевые гармоники на картинках)

Share this comment


Link to comment

@finn32 А какой другой? Были на LM317/337, то же самое было, сейчас 7812/7912. 
Со 100Гц все отлично, а вот 150 и другие нечетные от 50 лезут. 

Share this comment


Link to comment

ИМХО 2 транса думаю лишние. Вполне можно было бы один оставить и лучше на освободившемся месте побольше емкостей + CRC сделать.

Share this comment


Link to comment

Сдаётся мне что это не в стабе дело, в этом случае были бы 100Гц и гармоники, это похоже наводки от трансов.

 

vlad_zh писал следующее   https://forum.cxem.net/index.php?/topic/207569-усилитель-для-наушников-от-serzhant808/&do=findComment&comment=3196835

 

Цитата

Шум перемерял с нормальным кабелем. Трансы 2 шт. по 40Вт торы не лучшего качества. Отнесены от платы на 50мм от стороны с клеммами, если приближать, то гармоники 50Гц лезут.

Серый график: шум голого входа ЗК. Зеленый: выход усилителя, входы ОТКЛ, громкость на минимум.

По оси Y надо учитывать, что у ЗК 0дБ = 6 В ампл., а усилитель может дать 20В ампл. на 20 Ом.

Можно сказать, что шума нет, трансформатор, даже хороший, рядом с платой лучше не ставить и желательно в экране.

ЗК: Julia PCI в режиме 192/24

image.png.8c7abe016dd4b5ba624a066b2c8d54e9.png

 

 

Share this comment


Link to comment

Join the conversation

You are posting as a guest. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Restore formatting

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...

×
×
  • Create New...