wzmacniacz prądowy do subwoofera.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

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”

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

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: