Звуковой усилитель на драйвере шагового двигателя L298 и таймере 555
Для тех, кто следит за моими публикациями, давно не секрет, что я занимаюсь схемотехникой ради схемотехники. И данный проект является тому подтверждением. Схема, которая будет рассмотрена в статье, не имеет практического смысла, но, как и прочие мои электронные поделки, позволит немного развлечься бывалому инженеру, или погрузиться в основы схемотехники новичку.
Сейчас существует множество готовых недорогих усилителей на интегральных схемах, да и хорошо себя зарекомендовавших схем на транзисторах. Повторять что-то подобное мне было совершенно не интересно. А вот собрать что-то не совсем стандартное — это как раз по мне.
В этой статье вы можете узнать, как мне удалось заставить симбиоз из драйвера шагового двигателя L298 и 555-ого таймера петь, и какую роль во всем этом играла зимняя куртка. А также разберемся с особенностями усилителей класса D. Да простят меня аудиофилы…
❯ Выбор концепции
Последний раз я собирал усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на младших курсах колледжа. А чем тогда еще было заниматься радиолюбителю? Или радиосвязь, или усилители, ну еще телеки можно было ремонтировать. Наелся я тогда этим здорово, и уже многие годы к этой теме не возвращался. Но вот, совершенно случайно, мне подкинули пару динамиков. Не выбрасывать же добро?! Поэтому было решено как-то их применить.
На первых порах я действительно хотел тряхнуть стариной и собрать классический аналоговый усилитель. Но это казалось мне на столько скучно, что проект я так и не начал… пока не наткнулся на десяток L298 в моем столе.
Микросхема L298 на сегодняшний день не самый лучший драйвер для шаговых двигателей. Она выполнена на биполярных транзисторах. Обладает слабыми частотными характеристиками. Сильно греется. Мощность невысокая. Выполнена в огроменном корпусе. В общем, для управления шаговыми двигателями сейчас можно найти намного лучшие решения, поэтому эти микросхемы и валялись у меня так долго без дела.
Глядя на внутренности L298 пытливый читатель наверняка догадался, что дальше речь пойдет об усилителях класса D. И это действительно так, ведь выходные транзисторы L298 могут работать только в ключевом режиме.
Принцип работы любых разновидностей усилителей класса D основывается на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Разница только в том, как эта модуляция производится.
Если взглянуть на классическую структурную схему для усилителя класса D, нам остается придумать что-нибудь интересное для ШИМ. И тут на помощь приходит 555. Многие электронщики заслуженно любят эту микросхему за ее универсальность. С ее помощью можно не только генерировать тактовые импульсы, или еще какие-нибудь разные импульсы, но и выполнять ШИ-модуляцию.
Да, сперва график выходного сигнала меня тоже немного напугал. Но я взял себя в руки и решил не останавливаться. Из интересного: график в даташите от Тексиса на КМОП версию таймера начинается с входного напряжения 0,5В, и даже имеет ступеньку. Но на практике оказалось, что это свойственно только биполярной версии NE555. При входном напряжении ниже 0,5В NE555 вообще выходил из режима и беспорядочно генерировал шум. А вот КМОП версия TLC555 работает практически с нуля и подобным не грешит.
И вот, казалось бы, дело в шляпе, всем все понятно и дальше можно расходиться. Но нет, дальше начинается самое интересное.
❯ Выбор топологии усилителя
С традиционными аналоговыми усилителями все понятно. Есть несколько общепринятых классов, которые подходят для УМЗЧ. Есть класс А, который усиливает полный период сигнала. Есть класс В, который усиливает примерно половину периода сигнала. И есть класс АВ, который сочетает в себе все лучшее от двух предыдущих классов. А вот с усилителями класса D, или «цифровыми» усилителями, все немного запутанно.
Основная загвоздка при проектировании цифрового усилителя — это выбор топологии выходного каскада. И тут есть несколько вариантов: с несимметричным или дифференциальным питанием. Причем схема выходного каскада с дифференциальным питанием может быть выполнена по полу мостовой или мостовой топологии.
Выходной каскад с несимметричным питанием схемотехнически проще всего реализовать. Для него используется однополярный источник питания и достаточно одного транзисторного полумоста.
Обратите внимание, что ток через катушку динамика всегда течет в одном направлении, т.к. индуктивность катушки всегда сопротивляется изменению направления тока. Также на высоких частотах диффузор динамика обладает высокой инертностью и тоже сопротивляется изменению направления движения. Соответственно, диффузор динамика имеет только прямой ход, и добиться максимальной акустической мощности от динамика не получится.
То есть проблема схем с несимметричным питанием выходного каскада заключается в том, что не зависимо от амплитуды входного сигнала на динамике постоянно присутствует половина напряжения питания.
Чтобы побороть этот эффект, необходимо использовать дополнительную емкостную развязку между выходным транзисторным каскадом и динамиком. Это все ограничивает предельную мощность для таких схем и усложняет выходной фильтр.
Но главный недостаток схем с несимметричным питанием заключается в том, что все колебания напряжения питания попадают на выход и дополнительно увеличивают уровень искажений. Чтобы исключить влияние нестабильности источника питания, необходимо использовать глубокие обратные связи и дополнительные фильтры. Одним словом, лишняя возня.
В этом есть определенное сходство выходного каскада схем с несимметричным питанием с усилителями класса А. Разница заключается в том, что усилитель класса D не расходует лишнюю энергию источника питания на выходных транзисторах, т.к. они работают в ключевом режиме.
Улучшить ситуацию с искажениями выходного сигнала из-за нестабильности питания и исключить постоянное смещение на динамиках при незначительном усложнении схемы усилителя позволяет полу мостовая схема выходного каскада с дифференциальным питанием. В таких схемах необходим двухполярный источник питания. Выходной транзисторный полумост включается между плюсовым и минусовым потенциалами и питает один из контактов динамика. Второй контакт динамика подключается к средней точке.
За счет высокой частоты переключения транзисторов и индуктивности катушки динамика, ток, протекающий через нее, не меняет свое направление в течении периода ШИМ сигнала. За время, на которое катушка переключается к противоположенному полюсу источника питания, ее магнитное поле не успевает полностью рассеяться, и она продолжает поддерживать предыдущее направление тока. Таким образом, ток, протекающий через катушку динамика, всегда пропорционален амплитуде входного сигнала.
Теперь получается, что ток через катушку динамика меняет свое направление в зависимости от полярности входного сигнала. Во время положительной полуволны динамик будет совершать прямой ход, а во время отрицательной — обратный ход.
Если входной сигнал будет иметь значение 0В, то ШИМ буде иметь заполнение 50%. При правильно подобранном выходном ФНЧ значение тока в катушке динамика будет практически равно нулю.
При любых других амплитудах входного сигнала в катушке динамика также не будет возникать никаких постоянных смещений. То есть при дифференциальном питании развязывающий конденсатор между выходными транзисторами и динамиком не нужен.
Схема выходного каскада с дифференциальным питанием имеет много преимуществ по сравнению с симметричным. Она генерирует меньше гармоник, имеет более высокую устойчивость к нестабильности напряжения питания, отсутствует постоянное смещение выходного сигнала, не требуется развязывающих конденсаторов и сложных обратных связей.
Схема с дифференциальным питанием имеет один недостаток, который особенно ощутимо проявляется с увеличением выходной мощности. Полюса источника питания неравномерно нагружаются в течение периода входного сигнала.
Для более равномерной нагрузки источника питания можно использовать полно мостовую схему выходного каскада. Динамик подключается к питанию через транзисторный Н-мост. Направление тока в катушке динамика и направление движения его диффузора зависит от того, какая диагональ моста активна. Независимо от того, какая диагональ моста питает динамик, оба полюса источника питания нагружены равномерно.
Полно мостовая схема обладает важным преимуществом в сравнении с ранее перечисленными. Н-мост создает эффект удвоения амплитуды выходного напряжения. То есть для достижения той же мощности, можно использовать источник питания с меньшим выходным напряжением.
❯ Демо версия электрической схемы
Схема представлена в ознакомительных целях, повторять ее могу порекомендовать разве что из любопытства. Рисовал схему как эскиз, поэтому по ГОСТу оформлять не стал, не обращайте на это внимание. В целом, я думаю, что сама схема на картинке понятна. Номиналы резисторов и конденсаторов очень примерные. Много раз их пере подбирал, уже сложно сказать точно, на чем остановился.
По сути схема получилась с однополярным питанием. Операционный усилитель IC5A формирует искусственную среднюю точку между плюсовым и минусовым потенциалами источника питания. Это необходимо для нормальной работы входных усилителей IC1 в инвертирующем включении. Усилитель IC5A обязательно должен быть выполнен в отдельном независимом корпусе, т.к. схема средней точки очень шумит, шум может наводиться по подложке кристалла на другие вентили внутри корпуса, и помеха может проникнуть в другие каскады.
Почему я сделал искусственную среднюю точку вместо двухполярного блока питания? С детства не люблю двухполярные источники питания, всегда было лень мотать дополнительные обмотки на трансформаторах. Вот до сих пор стараюсь обходиться одной полярностью.
Если эту схему подключить к однополярному блоку питания +12В, вместо двухполярного +6В и -6В, входной сигнал надо подавать относительно минусового потенциала питания. Входной конденсатор С28 развязывает вход по постоянному напряжению, а делитель на R3R27 подтягивает сигнал относительно искусственной средней точки. Так что нет особой разницы относительно чего подавать входной сигнал. Но, если подать его относительно средней точки при однополярном питании, то через землю источника входного сигнала искусственная средняя точка может быть замкнута на минусовой потенциал источника питания. Тогда работать ничего не будет. Тут надо быть внимательным.
Принцип работы схемы проще всего будет посмотреть на графиках. На графиках подписаны названия сигналов в соответствии с названием цепей на электрической схеме.
Входной сигнал поступает на однополупериодные выпрямители IC1. IC1A передает положительную полуволну, и отсекает отрицательную. IC1В пропускает только отрицательную полуволну и переворачивает сигнал.
Таймеры IC3 и IC4 раздельно модулируют положительную и отрицательную полуволны входного сигнала. За счет чего получается, что при положительной полуволне динамик питается по одной диагонали Н-моста, а при отрицательной — от противоположенной диагонали со сменой направления тока.
Отдельное внимание хочется уделить токовым зеркалам. Я применил их для того, чтобы перенести ШИМ сигналы с выходов таймеров от средней точки к минусовому потенциалу схемы. Это необходимо потому, что L298, по сути, имеет однополярное питание, и управляющие сигналы ей нужно подавать относительно ее 8-ой ноги, а она посажена на минус. Таким образом я сэкономил на стабилизаторах напряжения, для логического питания драйвера использована искусственная средняя точка. Но это возможно только при условии, что напряжение между плюсовым и минусовым потенциалами схемы не превышает 12В.
На мой взгляд токовое зеркало лучше подходит для переноса сигнала с одного потенциала к другому. Схема менее подвержена влиянию изменения напряжения питания. Имеет хорошие частотные характеристики. На практике осциллограф показал, что форма сигнала на выходе таймеров и на выходе зеркала по форме визуально ничем не отличается. А различные комбинации схем с ОК и ОЭ на транзисторах разной проводимости все-таки заваливают фронты. Но вот подбор параметров схемы зеркала требует немного больше усилий. Логический вентиль на выходе зеркала поставлен больше для перестраховки, без него все вполне нормально работает.
Что мы имеем в результате таких манипуляций с сигналами? Собственно, собрано два усилителя класса D, первый — для положительной полуволны, а второй — для отрицательной. Получилась не совсем стандартная схема. Выходной каскад фактически имеет дифференциальное питание при однополярном источнике питания. Ценой упрощения схемы питания является усложнение схемы ШИ-преобразования. За все надо платить. С одной стороны, можно не переживать, что однополярный источник питания вносит искажения. Но зато вместо него искажения вносятся за счет разделения положительной и отрицательной полуволн входного сигнала.
И у этого решения тоже есть свои плюсы. Габариты необходимого выходного ФНЧ будут меньше, т.к. к ним не прикладывается напряжение противоположенной полярности. Необходимо использовать однополярный источник питания. Источник питания равномерно нагружен в течении полного периода входного сигнала.
Я думаю, что такая топология будет целесообразной при необходимости получить большую выходную мощность. Иногда все-таки проще немного потрудиться над слаботочным каскадом ШИ-модулятора, чем изобретать какой-нибудь киловаттный блок питания с двумя полюсами.
❯ Макетирование
Борьба со схемотехникой была нешуточная. Изготовлен десяток разных версий усилителей, в том числе и с ШИ-модулятором на основе компаратора. Проведена куча экспериментов с целью малой кровью подавить помехи между каскадами и добиться хоть какого-то качества звучания. Хотелось минимизировать выходной ФНЧ, а в идеале избавиться от него. Было не скучно, развлекался я по полной.
Так как поверхность моего рабочего стола обладает не самыми лучшими акустическими свойствами, звук от динамиков получался совершенно плоским. А это усложняло и без того непростую задачу: на слух определить качество работы усилителя. Чтобы хоть немного облегчить это дело, противофазу динамиков заглушил курткой. Благодаря этому появился хоть какой-то объем звучания динамиков.
В результате, конечно, добиться хай-энда так и не удалось. Но, если правильно подобрать композицию и немного настроить фильтр на компе, то звучит вполне терпимо. (Вот тут сильно не хватает смайликов для текста)
Не знаю, слышно ли на видео, как усилитель отдает хрипотцой? Все дело уперлось в предельную частоту работы драйвера L298. Его заявленная высокая защита от помех проглатывала короткие паузы между длинными импульсами. В результате чего появляется хрип.
В этом производитель точно не обманул. Но вот с заявленным током не все так очевидно, как заявлено в релизе.
Оптимальная частота ШИМ преобразования, полученная экспериментальным путем, составила примерно 45кГц. Этого недостаточно для качественного воспроизведения музыки, нужно хотя бы перевалить за 200кГц. Но для усиления речи вполне сгодится. По этой схеме можно собрать мегафон или что-то подобное.
Что касается мощности, выжать больше 10Вт при напряжении 12В с L298 так и не вышло. Собственно, этот драйвер и не предназначен для работы в тех режимах, которые реализованы в усилителе. Я последовательно подключал три динамика суммарным активным сопротивлением 8Ом, больше у меня не было. Заявленные 2А на канал при таких частотах и коэффициенте заполнения под 95% естественно получить не удалось. Уменьшение сопротивления нагрузки громкости не прибавляло, а вот корпус драйвера становился заметно теплее.
Для увеличения мощности можно было бы поднять напряжение питания, но это в мои планы не входило. Во-первых, мой лабораторный блок питания на такое не рассчитан. Во-вторых, для этого пришлось бы добавить в схему усилителя некоторое количество стабилизаторов напряжения. Да и не ставил я перед собой цели получить громкий звук. Мне достаточно было, чтобы схема просто подала голос. Что я в итоге и получил.
Чтобы успокоить совесть и окончательно убедиться в том, что модулятор на 555 работает удовлетворительно, и все дело именно в частотных ограничениях L298, был проведен еще один эксперимент. Выходной драйвер был заменен на готовый усилитель с алика. Звуковой сигнал подавался на модулятор, а ШИМ с него на вход усилителя. При частоте ШИМ примерно 250кГц звук получился вполне приличный.
Руки чесались снять драйвер шагового двигателя с 3D принтера, чтобы довести эксперимент до конца. Но я решил притормозить и остановиться на уже достигнутых результатах.
❯ Финальная версия усилителя
Финальная версия усилителя собрала в себе наиболее удачные решения. Добавил автоматическое отключение на одном LM358, чтобы динамики не шумели при отсутствии входного сигнала, выход схемы управляет входом enable драйвера. Заменил входные операционники на более простые, т.к. общее качество работы усилителя от этого уже не пострадает. Заменил логику на 74HC в SOIC, она имеет более широкий диапазон напряжения питания. И добавил фильтры по питанию.
Какой итог хотелось бы подвести. Проектирование усилителей класса D это всегда поиск компромисса. Если мы упрощаем схему усилителя, то приходится использовать более сложные схемы для источника питания. Если хотим источник питания по проще, то придётся усложнять сам усилитель.
Если вам необходима выходная мощность 10Вт — 15Вт, то вполне подойдет схема с симметричным выходным драйвером. Из-за невысокой выходной мощности выходной ФНЧ получится достаточно компактным, несмотря на необходимость емкостной развязки.
При мощности до нескольких сотен ватт обычно собираю полу мостовые усилители. Усложнение схемы усилителя позволяет использовать более компактные выходные фильтры и более эффективно использовать блок питания.
Полно мостовые схемы стоит использовать, когда требуются киловатты выходной мощности. Тут уже выбирать не приходится, или усложнять схемы, или использовать усилитель для приготовления яичницы.
Если у вас есть какие-то соображения на этот счет, с удовольствием выслушаю их в комментариях. Тема очень для меня интересная, да и я сам в ней не очень силен.
Всем спасибо за внимание. И желаю вам, чтобы в новом году в вашей жизни было по больше увлекательной схемотехники!
