Схема и устройство усилителя Avatar ATU-2000.1D
Avatar ATU-2000.1D (серия Tsunami) – это одноканальный усилитель класса D. Номинальная мощность усилителя (Power RMS) составляет 2000W на нагрузке 1Ω (при напряжении питания 14,4V и нелинейных искажениях (THD) 1%).
Усилитель рассчитан на работу совместно с мощным низкочастотным динамиком или тыловым громкоговорителем – сабвуфером, поэтому его диапазон воспроизводимых частот лежит в интервале от 8 до 180 Гц.
Усилитель выполнен в корпусе типа моноблок и имеет встроенный кроссовер.
Электронная начинка усилителя Avatar ATU-2000.1D показана на фото.
Далее будет детальный разбор схемы усилителя Avatar ATU-2000.1D, отдельных его блоков и узлов. Поэтому для лучшего понимания устройства и особенностей работы усилителя желательно читать материал последовательно.
Предложенный материал будет интересен всем тем, кто занимается ремонтом автомобильных усилителей, но до сих пор не сталкивавшихся с усилителями класса D, устройство которых несколько отличается от усилителей класса AB.
Усилитель состоит из трёх основных блоков:
Преобразователь напряжения питания
Инвертор преобразует напряжение бортовой сети автомобиля (10. 14,4V) в двухполярное ±70V, которое необходимо для работы выходного каскада усилителя мощности звуковой частоты.
Схема управления преобразователем собрана на широко распространённой микросхеме TL494C (ШИМ-контроллер). Данная микросхема, а также элементы обвязки смонтированы на отдельной печатной плате с маркировкой ME20001D-A.
Принципиальная схема платы ШИ-контроллера (ME20001D-A) приведена далее (чтобы увеличить схему, кликните по ней).
На следующем фото показана плата ME20001D-A. При необходимости вы можете детально изучить плату ME20001D-A, кликнув по фото. Оно откроется в отдельном окне (в максимальном разрешении). На корпусах SMD-транзисторов и SMD-резисторов отчётливо видна маркировка.
SMD-транзисторы, смонтированные на плате ШИ-контроллера:
FMMT3906 (корпус SOT-23, маркировка 2A): Q1, Q2, Q6, Q11, Q13, Q14, Q17. Вместо SMD-транзисторов FMMT3906 могут применятся аналоги – PMST3906 (корпус SOT-23, маркировка W2A);
MMBT3904 (корпус SOT-23, маркировка 1AM): Q3, Q4, Q5, Q7, Q10, Q15;
FMMT4403 (корпус SOT-23, маркировка 2L): Q8, Q12;
BFS20 (корпус SOT-23, маркировка G1): Q9, Q16.
При необходимости все эти транзисторы можно заменить аналогами в корпусах для выводного монтажа.
Использование SMD-компонентов уменьшает габариты устройства, но в то же время затрудняет ремонт. Труднодоступное расположение платы ME20001D-A осложняет диагностику и проведение измерений. Поэтому, при необходимости печатную плату желательно выпаять.
В качестве силовых ключей в преобразователе применяются MOSFET-транзисторы IRF3205. Всего на плате смонтировано 16 таких транзисторов. В каждом плече преобразователя установлено по 8 мосфетов.
Для формирования необходимой мощности в инверторе установлено два тороидальных импульсных трансформатора, которые работают на одну нагрузку. На каждый из трансформаторов приходится 8 мосфетов IRF3205 по 4 транзистора в каждом плече.
В принципиальной схеме на AVATAR ATU-2000.1D силовые MOSFET-ключи преобразователя имеют маркировку 65N06. Судя по характеристикам, он мало отличается от транзистора FQP65N06 фирмы Fairchild, и, скорее всего, является его клоном. По параметрам эти транзисторы мало чем уступают IRF3205, но всё же они слабее по току.
Несмотря на то, что в схеме указана маркировка силовых ключей, как 65N06, для замены в случае отсутствия родных IRF3205 разумнее будет использовать более близкий к нему по параметрам аналог IRF1010.
Общая схема преобразователя напряжения показана на рисунке (ME20001D-P).
Для увеличения кликните по схеме. Откроется в отдельном окне
Основные сигналы и питающие напряжения, которые приводятся на всех приведённых здесь схемах обозначаются специальными блоками с надписями. Вот таким образом.
По ним можно понять, с какого блока или узла уходит тот или иной сигнал/напряжение, а также, куда он/оно поступает. Это поможет понять, как связаны различные блоки усилителя.
Все биполярные транзисторы, показанные на схеме преобразователя, смонтированы на модуле ME20001D-A, который уже был рассмотрен. Исключение составляют транзисторы Q6, Q7 (BFS20, G1) и Q26 (2SC1623, L6), которые установлены на основной печатной плате.
На схеме отмечен терморезистор RT1 (100k), являющийся датчиком температуры. Обычно он устанавливается на алюминиевый корпус неподалёку от MOSFET-транзисторов преобразователя напряжения. Но, к своему удивлению, я его не обнаружил там, где ему обычно положено быть. Сбивало с толку и то, что к стандартному месту установки на печатной плате были подведены соединительные дорожки.
Уже позже, когда изучал устройство усилителя по фотографиям, я обнаружил деталь с обозначением RT1, но в совсем нетипичном для терморезистора месте – рядом с дросселем выходного LC-фильтра. Судя по разводке печатных проводников на плате, это и есть тот самый терморезистор RT1, так как соединительные проводники уходили в сторону платы ШИ-контроллера на TL494.
Терморезистор также не похож на те, что часто встречаются в автоусилителях. Он выполнен в стеклянном корпусе DO-35 и напоминает диод.
Импульсные трансформаторы имеют несколько вторичных обмоток. Вторичные обмотки с нумерацией выводов на схеме 4, 5 и 6 являются основными. С них берётся переменное двухполярное напряжение, которое после выпрямления и фильтрации используется для питания выходного каскада усилителя на полевых МОП-транзисторах.
В качестве выпрямителей используются восемь быстродействующих сдвоенных диодов. Половина из них имеет общий катод (FMG22S). Они выпрямляют положительную полуволну переменного напряжения. Вторая половина диодов имеет общий анод (FMG22R) и выпрямляет отрицательную полуволну напряжения.
Выпрямитель собран по двухполупериодной схеме со средней точкой. Такая схема требует вторичной обмотки с двумя секциями и отводом от середины.
Так как требуется получить двухполярное напряжение, то четыре диода (D8, D1, D2, D10) выпрямляют положительную полуволну переменного напряжения, а диоды (D7, D4, D9, D3) отрицательную. Средние выводы (5) вторичных обмоток трансформаторов TR1, TR12 соединены вместе и подключены к общему проводу схемы.
Для фильтрации импульсов напряжения, полученных с выпрямителя используется шесть электролитических конденсаторов ёмкостью 1800 мкФ и рабочее напряжение 100V (Topcon, C.E, -40 +105°C). На схеме обозначены, как C91, C92, C6, C63, C95, C7.
Выпрямленное и отфильтрованное напряжение ±70V подаётся на транзисторы выходного каскада усилителя. На схеме обозначено, как +V и -V.
Кроме основных вторичных обмоток импульсные трансформаторы имеют и дополнительные. Они служат для получения напряжения для питания различных маломощных и низковольтных узлов усилителя. Нижний по схеме выпрямитель на диодах V17, V18 (1N4937) и конденсаторах C31, C33 используется для формирования питающего напряжения для операционных усилителей в блоке предусилителя и фильтров.
Для получения напряжения +5V применён интегральный стабилизатор 78M05 (WY1). Входное напряжение на него поступает с электролитического конденсатора C33, который фильтрует напряжение с выхода диода V17. Далее напряжение +5V используется для питания микросхем в ШИ-модуляторе усилителя мощности класса D.
Однополупериодные выпрямители на элементах V16, C30 и V19, C34 используются для питания предварительных усилителей (драйверов) напряжением +12V. На схеме преобразователя эти напряжения показаны, как +12/OUT (питает драйвер положительной полуволны) и +12V/-V (питает драйвер отрицательной полуволны). Каждый из выпрямителей на диодах V16 и V19 имеет отдельную вторичную обмотку на тороидальном трансформаторе.
Блок предусилителя и фильтров
Усилитель оснащён активным электронным кроссовером, – системой фильтров с плавной регулировкой настройки, что позволяет подогнать характеристики аппаратуры под соответствующее акустическое оформление и акустику не прибегая к использованию дополнительных устройств.
Блок предварительного усиления и фильтров собран на трёх микросхемах TL074C в корпусе SO-14. Каждая микросхема TL074C содержит четыре малошумящих операционных усилителя, входные цепи которых выполнены на полевых J-FET транзисторах, а выходные каскады усилителей на биполярных транзисторах.
Расположение выводов и внутренняя структура микросхемы TL074 имеет следующий вид.
TL074 имеет низкий уровень шума и гармонических искажений THD (Total Harmonic Distortion – 0.003%). Частенько применяется в высококачественной аудио аппаратуре для предварительного усиления сигналов.
Принципиальная схема блока входного предусилителя и фильтров показана на рисунке.
Для увеличения кликните по схеме. Откроется в отдельном окне
Здесь RIN и LIN – входные RCA-разъёмы правого и левого каналов, на которые подаётся сигнал от головного устройства.
Усилители AVATAR ATU-2000.1D поддерживают мостовое включение, когда на один сабвуфер работает два одинаковых усилителя. В таком режиме звуковой сигнал от головного устройства подаётся на входы RIN и LIN одного из усилителей. Он является главным или мастером (Master).
С выхода BRIDGE OUT главного усилителя (Master) сигнал поступает на вход BRIDGE IN второго, ведомого усилителя (Slave). На принципиальной схеме видно, что перед подачей сигнала на выход BRIDGE OUT, он дополнительно усиливается одним из четырёх усилителей в составе микросхемы TL074.
Регуляторы настройки усиления и фильтров выведены на боковую панель усилителя.
Регулятор GAIN. Это обычный регулятор громкости, который выполнен на переменном резисторе. На принципиальной схеме обозначен, как RV5.
Переменный резистор (RV6), выделенный штрих-пунктирной линией и надписью «REMOTE» – это дополнительный регулятор громкости, установленный в отдельном корпусе и подключаемый к разъёму JACK (Remote) на панели усилителя. По желанию этот регулятор устанавливается в салоне автомобиля.
LPF (Low Pass Filter) – фильтр низких частот (ФНЧ). Срезает все частоты выше установленных. В данном усилителе возможна настройка фильтра в диапазоне от 40 Hz до 180 Hz (Гц).
Регулятором BASS BOOST FREQ можно задать частоту подъёма баса от 30 до 80 Hz для корректировки АЧХ сабвуфера.
BASS BOOST («Бас-бустер») – плавная регулировка уровня усиления баса BASS BOOST FREQ. Можно задать уровень усиления от 0 до 12 dB (децибел). О том, что такое децибел, и, почему применение этой относительной единицы измерения особенно актуально в звукотехнике, я уже рассказывал здесь.
SUBSONIC – фильтр инфранизких частот от 10 Hz до 50 Hz (12 дБ/Окт). Это фильтр высокой частоты (ФВЧ), так как он срезает все частоты ниже заданной. Используется, когда нужно убрать из сигнала инфранизкие частоты (обычно ниже 25. 30 Гц) при настройке работы усилителя совместно с акустической системой (например, типа фазоинвертор).
Сигнал, обозначенный на схеме, как IN – это усиленный и отфильтрованный сигнал звуковой частоты, который прошёл через блок входного усилителя и фильтров. Далее он поступает на компаратор в блоке широтно-импульсного модулятора усилителя класса D.
Усилитель класса D
Суть работы усилителя класса D заключается в том, чтобы преобразовать аналоговый аудио сигнал в широтно-модулированные импульсы с постоянной амплитудой.
Длительность импульсов зависит от амплитуды входного аналогового сигнала. Полученный импульсный сигнал усиливается ключевыми транзисторами, в роли которых выступают полевые MOSFET-транзисторы.
Поскольку транзисторы работают в ключевом режиме, то за счёт этого достигается высокая экономичность усилителя (КПД вплоть до 95%). После усиления импульсный сигнал преобразуется в аналоговый с помощью фильтра низких частот (ФНЧ), который установлен на выходе усилителя или является частью нагрузки. Это кратко о работе усилителя класса D.
Блок, который преобразует аналоговый сигнал в импульсный часто называют ШИ-модулятором (или широтно-импульсным модулятором, PWM-модулятором).
В его состав входит высокочастотный генератор, который формирует прямоугольные импульсы скважность которых равна двум («Меандр»). Частота генерируемых импульсов называется частотой дискретизации и может быть от нескольких десятков герц до сотен килогерц и даже единиц мегагерц. Она постоянна и выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к усилителю. Далее прямоугольные импульсы от генератора преобразуются в пилообразные или треугольные.
Стоит отметить тот факт, что в некоторых усилителях для стабилизации частоты генератора может использоваться кварцевый резонатор. Как, например, это сделано в усилителе JBL GTO-601.1 (Grand Touring). В нём установлен кварц на частоту 2,56 МГц.
Третий элемент схемы, это быстродействующий компаратор, на один из входов которого приходит аналоговый сигнал (с блока предусилителя и фильтров), а на другой вход подаются пилообразные импульсы от генератора. С выхода компаратора снимаются модулированные сигналом импульсы и далее подаются на инвертор.
Так как выходной каскад выполнен по полумостовой схеме, то на предварительные каскады усиления (драйверы) необходимо подать разнополярные сигналы ШИМ. Их то и формирует инвертор. С его выхода снимается два сигнала IN+ и IN-. Сигнал IN+ поступает на драйвер положительной полуволны сигнала, а IN- на драйвер отрицательной полуволны сигнала.
В данном усилителе модулятор выполнен на отдельной плате, аналогично плате ШИМ-контроллера для преобразователя напряжения питания.
Внешний вид платы ШИ-модулятора.
Для увеличения кликните по фото. Откроется в отдельном окне
На плате установлены две микросхемы 74HC02D (SN74HC02DR), компаратор LM319M, а также операционный усилитель JRC4560.
Микросхема SN74HC02DR относится к серии 74HC – быстродействующих логических микросхем, выполненных на основе КМОП-технологии (High-speed CMOS). В её составе четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ.
Микросхема LM319 содержит два быстродействующих независимых компаратора.
Микросхема JRC4560 (NJM4560M) – двухканальный операционный усилитель.
Для увеличения кликните по схеме. Откроется в отдельном окне
На вход платы модулятора поступает отфильтрованный аналоговый аудио сигнал с блока предусилителя и фильтров (IN). С выхода снимаются разнополярные импульсы модулированные сигналом IN+ и IN-, которые затем подаются на предусилители выходного каскада (драйверы).
На самом деле с микросхемы IC10 уходит две пары сигналов IN+ и IN-. Одна пара снимается с 4 (IN+) и 1 (IN-) вывода. Вторая пара снимается с выводов 10 и 13 и не используется (NC, Not Connected – Не подключен).
По-видимому, данная плата универсальная и может использоваться в усилителях, где выходной каскад собран из двух полумостовых, которые объединив, можно включить в мост (мостовая схема). Вот вторая пара сигналов (IN+, IN-) и необходима для второго, точно такого же усилителя. В нашем же аппарате используется один полумостовой усилитель. О нём будет рассказано далее.
На схеме микросхема IC8 маркирована, как LM219, хотя по факту на плату запаяна LM319. Дело в том, что микросхемы LM119, LM219, L319 являются аналогами, но отличаются некоторыми параметрами. Например, диапазоном рабочей температуры.
Перед тем, как подать полученные после модулятора импульсные сигналы (IN+, IN-) на выходной каскад, их нужно усилить. Этим занимаются драйверы.
Принципиальная схема драйверов и выходного каскада усиления приведена на рисунке.
Для увеличения кликните по схеме. Откроется в отдельном окне
Выходной каскад усилителя собран по полумостовой схеме и состоит из двух идентичных секций. Верхняя (High) усиливает положительную полуволну сигнала IN+, нижняя (Low) отрицательную IN-. Драйверы усиления этих сигналов полностью идентичны и собраны на одинаковых компонентах.
Сигналы IN+, IN- с инвертора поступают на быстродействующие оптопары IC1 и IC2 типа 6N137.
Микросхема 6N137 – это высокоскоростной оптрон с логическим выходом. Допускает скорость 10 Мбит в секунду (MBit/s). Я сильно удивился, увидев такую экзотическую вещь, как оптрон в усилителе. Не зря усилители класса D ещё называют «цифровыми». Как видим, в них прекрасно прижились компоненты, которые обычно используются в цифровой электронике.
Внутренняя структура оптрона 6N137 показана на рисунке.
На входе оптрона (выв. 2, 3) имеется ИК-диод (AlGaAs), пик излучения которого находится в области длины волны 850 нм (инфракрасный диапазон).
Излучение ИК-диода принимает фотоприёмник с интегрированным логическим элементом.
Оптроны питаются напряжением +5V (выв.8, VCC), которое подаётся с интегральных стабилизаторов WY2, WY3 (78M05).
Сигнал снимается с коллектора транзистора (выв. 6, VO), который встроен в оптопару и далее подаётся на базу транзистора Q8 (Q4).
Дальнейший каскад драйвера выполнен на биполярных SMD-транзисторах Q8, Q4 (MMBT4401), Q20, Q22 (2SC4672) и Q21, Q23 (2SA1797).
Транзисторы MMBT4401 структуры NPN выполнены в корпусе SOT-23 и имеют маркировку 2X.
Транзисторы 2SC4672 и 2SA1797 выполнены в корпусе SOT-89 (SC-62, MPT3 (3 leads + Tab)) для поверхностного SMT-монтажа.
Транзисторы 2SA1797 имеют структуру PNP, маркируются AGx, где последней буквой «x» закодирован коэффициент усиления транзистора hFE (он же h21Э). В нашем случае транзистор маркирован, как AGQ (hFE = 120. 270). Если последняя буква P (AGP), то коэффициент усиления транзистора лежит в диапазоне 82. 180.
2SC4672 имеет структуру NPN, маркируется DKx. В зависимости от производителя последняя буква (x) в маркировке имеет разное значение.
Если последняя буква P или Q, то ими кодируют коэффициент усиления транзистора hFE (DKP, hFE – 82. 180; DKQ, hFE – 120. 270).
Если последние буквы L или G (DKG/DKL), то это указывает на то, для какой технологии пайки подойдёт этот транзистор. Для бессвинцовой технологии – L (Lead free), либо для пайки без применения галогенов (G, Halogen free). Такую маркировку использует фирма UTC (данные из их даташита).
В рассматриваемом нами усилителе применены транзисторы с маркировкой AGQ и DKQ. Так как это комплементарная пара, то для неё желательно подбирать транзисторы с одинаковым или очень близким коэффициентом усиления hFE. Как видим, наша пара имеет hFE в районе 120. 270.
Сигнал с оптопары поступает на транзисторы Q4, Q8. Далее с коллектора на комплементарную пару из транзисторов 2SC4672 и 2SA1797.
Как видим, схема драйвера достаточно проста и содержит небольшое количество элементов.
С эмиттеров транзисторов Q22, Q23 и Q20, Q21 усиленные сигналы поступают на затворы выходных MOSFET-транзисторов.
Как уже говорилось, особенностью усилителей класса D является высокий КПД. Достигается это за счёт использования широтно-импульсной модуляции (PWM) и применения мощных полевых транзисторов в выходном каскаде.
Так как сопротивление канала современных МОП-транзисторов крайне мало, то на открытом транзисторе практически не теряется мощность. За счёт этого достигается высокий КПД.
Выходной каскад выполнен по полумостовой схеме. В каждом плече установлено по шесть MOSFET-транзисторов. Они работают в ключевом режиме. Одна группа усиливает положительную полуволну входного сигнала (Q11, Q12, Q44, Q45, Q43, Q46), вторая отрицательную (Q39, Q41, Q40, Q42, Q9, Q10). То есть транзисторы каждой группы либо полностью открыты и пропускают ток (находятся в режиме насыщения), либо закрыты (режим отсечки).
На деле же существует время между переключением транзисторов, когда они все закрыты. Его ещё называют «мёртвым». Пауза необходима для того, чтобы исключить сквозной ток, который может возникнуть, когда один из транзисторов ещё не успел полностью закрыться, а другой уже открылся и пропускает ток. «Мёртвое» время должно составлять где-то 5. 100 нс. В идеале оно должно быть как можно меньше, чтобы это не сказывалось на качестве звука, а также КПД усилителя.
В усилителе AVATAR ATU-2000.1D в выходном каскаде усилителя установлены N-канальные MOSFET-транзисторы IRF640N, выполненные по технологии HEXFET (пятое поколение). Транзисторы эти быстродействующие (Fast Switching), что для усилителя класса D является важным параметром, напрямую влияющим на качество звука.
Это достаточно высоковольтные транзисторы, так как максимальное напряжение между стоком и истоком VDSS составляет 200V. Минимальное сопротивление открытого канала RDS(on) составляет 0,15Ω (150 мОм). Подробно об основных параметрах MOSFET-транзисторов я уже рассказывал.
Выходной каскад запитывается двухполярным напряжением ±70V, которое поступает от преобразователя напряжения. На его схеме положительное напряжение обозначено как +V (+VCC), а отрицательное, как -V (-VEE).
Отрицательное напряжение -VEE подаётся на истоки шести транзисторов нижнего плеча усилителя, а +VCC подаётся на стоки (Drain) шести транзисторов верхнего плеча.
С выхода усилителя мощности снимается сигнал обратной связи. На схеме он обозначен, как D (точка соединения резистора R65 и дросселя L2). Данный сигнал поступает в блок предусилителя и фильтров (на R74) и таким образом влияет на коэффициент усиления последнего операционного усилителя, с которого снимается сигнал IN.
Обратная связь в усилителях класса D применяется для борьбы с помехами и шумами, которые проникают по цепям питания, а также используется для дополнительного подъёма усиления на нижних частотах в диапазоне 60. 100 Гц.
После того, как широтно-импульсный сигнал усилен до необходимого уровня, остаётся извлечь из него исходный звуковой сигнал. Так как в спектре импульсного сигнала присутствует исходный аудио сигнал, то преобразовать его в аналоговый можно с помощью LC-фильтра низкой частоты.
В рассматриваемом усилителе выходной LC-фильтр реализован на элементах L2, C52. На конденсаторе C52 выделяется исходный аналоговый сигнал и далее подаётся на низкочастотный динамик.
Задача LC-фильтра состоит в том, чтобы подавить частоту пилообразного сигнала модулятора и его гармоник, отсечь высокочастотные составляющие спектра.
На печатной плате дроссель выходного LC-фильтра найти не составляет труда. Он имеет довольно большие габариты и намотан проводом большого сечения.
В цепи истока выходных МОП-транзисторов IRF640 установлен низкоомный резистор, который является датчиком тока.
Он выполнен из двух низкоомных резисторов сопротивлением 0,01Ω (Ом), которые соединены параллельно. Общее сопротивление составного резистора составляет 0,005 Ω (5mΩ – 5 миллиОм).
Сигнал PRT («Protect» – Защита) с низкоомных резисторов контролируется транзисторами Q6, Q7 и далее поступает в блок преобразователя напряжения питания и контролируется ШИ-контроллером TL494 (по выв. 16). На схеме преобразователя напряжения этот узел показан в левом нижнем углу схемы.
Так как усилители моделей Avatar ATU-500.1D, Avatar ATU-1000.1D, Avatar ATU-1500.1D, Avatar ATU-2000.1D принадлежат к одной серии Tsunami и отличаются только номинальной мощностью, то логично предположить, что их схемотехника и устройство одинаково.
Исключение состоит только в количестве силовых элементов, – MOSFET-ключей в преобразователе и выходном каскаде звукоусиления, а также наличии одного импульсного трансформатора.
Пример ремонта усилителя AVATAR ATU-2000.1D описан здесь. В материале рассказывается о ремонте усилителя после переполюсовки – подаче на него напряжения питания обратной полярности.
Источник статьи: http://go-radio.ru/skhema-i-ustroystvo-usilitelya-avatar-atu-2000-1d.html
