MATURITNÍ PRÁCE dokumentace

MATURITNÍ PRÁCE dokumentace ZESILOVAČ Pavel Tkadlčík

školní rok: 2012/2013

obor: třída:

Elektronické počítačové systémy P4.A

Tímto bych chtěl hlavně poděkovat rodině a přítelkyni za obrovskou trpělivost, vyčerpávající podporu a nikdy nekončící vstřícnost, kterou projevili během mého většího či menšího působení na tomto výrobku. A doba to nebyla nikterak krátká.  Dále bych chtěl poděkovat všem učitelům ze SŠIEŘ se kterými jsem měl tu čest, jmenovitě pak třídní učitelce Mgr. Jitce Dobiášové za projevenou starostlivost, mému vedoucímu práce Ing. Kubešovi za loajálnost, i když jsem ho zklamal. Pokud bych měl ještě někoho jmenovat tak je to bývalý spolužák Adam Valeš který – mimo jiné – se stal nedobrovolným sponzorem tohoto výrobku. A nakonec patří dík lidem a zvířatům, kteří mi jakkoliv pomohli, ať už jsou to kamarádi či nepřátelé. Díky všem.

Prohlašuji, že odevzdaná verze dokumentace maturitní práce a verze elektronická, nahraná do systému MATPRAC, jsou totožné. Při zpracování jsem vycházel z informačních zdrojů uvedených v seznamu na konci dokumentace a také prohlašuji, že je tato práce původní. ------------------------podpis žáka

ABSTRAKT

Tato dokumentace se bude snažit popisovat vznik praktické maturitní práce. Nejprve se zaměří na teoretický úvod, poté rozebere mechanickou část výrobku. Dále pak popisuje jednotlivé moduly.

OBSAH

ÚVOD .............................................................................................................................. 6 CÍLE PRÁCE .................................................................................................................. 7 VÝBĚR TECHNOLOGIÍ PRO ŘESENÍ ....................................................................... 8 ZPŮSOBY ŘEŠENÍ A POUŽITÉ POSTUPY ................................................................ 9 ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ ........................................................... 20 PŘÍRUČKA UŽIVATELE............................................................................................ 21 SHRNUTÍ ...................................................................................................................... 22

ÚVOD

Zesilovač je elektronické zařízení, které slouží k zesilování signálu. Základní zesilovač je dvojbran (čtyřpól) se vstupem a výstupem.

Každý zesilovač má určité zesílení a na výstupu je vždy napětí či proud větší o tolik kolik je zesílení. Zesílení je poměrová veličina a je definována jako podíl výstupní a vstupní veličiny. Nejčastěji se uvádí napěťové zesílení. Závislost zesílení na kmitočtu popisuje kmitočtová charakteristika zesilovače. V pásmu zesilovače se nejčastěji definuje poklesem zesílení

o

tři decibely oproti zesílení při určitém kmitočtu uprostřed pásma. Protože při průchodu signálu zesilovačem dochází ke zpoždění, má obecně výstupní napětí jinou fázi než napětí vstupní. Dále u zesilovačů určujeme maximální výkon, jaký může zesilovač na výstupu podat. Důležitými parametry je také vstupní a výstupní impedance zesilovače. Vstupní impedance je v ideálním případě nekonečná, u reálného zesilovače požadujeme co největší hodnoty. Výstupní impedance je u ideálního zesilovače nulová, v praxi se snažíme dosáhnout jednotek ohmů.

Šířka pásma u zesilovače určuje rozsah frekvencí, které je zesilovač schopen zesílit. Tato charakteristika může být široká u zesilovačů zesilujících od desítek Hz do kHz až MHz a nebo může být úzce specializovaná na určitou frekvenci.

CÍLE PRÁCE

Cílem této maturitní práce bylo sestavit plnohodnotný, i když ne moc nákladný zesilovač. Využít co možná nejvíc dostupných, již existujících materiálů a zařízení pro stavbu, avšak při zachování určité úrovně profesionality. Vyhnout se co možná nejvíce kompromisům a na druhou stranu třeba přijít s nějakým inovativním řešením dané situace. Autor také předpokládá budoucí úpravy - hlavně po designové stránce - a určitá vylepšení, či dokonce zprovoznění některých částí zesilovače. To už je ovšem nad rámec hlavního cíle této práce a to: vlastní zhotovení zařízení, které je schopné plnit svoji základní funkci, zesilovat elektrický signál.

VÝBĚR TECHNOLOGIÍ PRO ŘEŠENÍ

Pro zpracovávání maturitního výrobku autor používal následující přístroje a nástroje podle toho, o jakou část se jedná.

Na výrobu krabičky byly použity např. různé druhy pilníků, stolní a ruční vrtačka, důlčík, kladivo, nýtovací kleště, kombinované kleště, úhlová bruska, šroubováky, pilka na železo... Na elektronickou část zařízení zase transformátová pájka, štípací a ketlovací kleště, cín a kalafuna, pinzeta, šroubovák, ořezávačka drátů a kuchyňský nožík. A na zhotovení dokumentace je použit software Microsoft Word 2010, Eagle 6 a Malování. Fotky jsou pořízeny fotoaparátem Kodak EasyShare C143 a tabletem Blackberry Playbook. Dokumentace je sestavena na notebooku HP dv6650ec.

Zesilovač se skládá ze stavebnicových modulů zakoupených u firmy EZK - Elektronika Ing. Zdeněk Krčmář. Krabička je zhotovena z několika starých počítačových skříní. Desky plošných spojů jsou připevněny pomocí distančních sloupků. Veškerá kabeláž včetně konektoru napájení a použitého (ale zatím nevyužitého) ventilátoru pochází z nefunkčních nebo vyřazených počítačových zdrojů.

Autor zvolil elektronické stavebnice hlavně pro jejich relativně jednoduché zkompletování a zapojení a také kvůli vlastní pohodlnosti. Počítačové skříně a zdroje jsou použity, protože je měl autor k dispozici a byly “k ničemu“. Tudíž by bylo zbytečné kupovat materiál nebo vodiče.

ZPŮSOBY ŘEŠENÍ A POUŽITÉ POSTUPY

KRABIČKA

Výše zmíněná počítačová skříň (case) byla zbavena veškerých plastových dílů a elektroniky, včetně předního panelu. Z další skříně pak byly uřezány pásy plechu tak, aby zakryly přední a zadní stranu krabice. Do těchto pásů bylo zhotoveno několik otvorů, které sloužily k připevnění ventilátoru, napájecího EURO konektoru, tlačítka pro vypnutí/zapnutí zdroje a výstupu na reprobedny.

Počítačová skříň připravená na modifikace

Na plech, který bývá pod základní deskou počítače, byly připevněny distanční sloupky a to navrtáním děr správné velikosti (4mm), závitníkem zhotovené závity a ještě zespod přichycené matičkou. Modul koncového zesilovače byl již namontován a to z toho důvodu, aby bylo patrné, kde bude přiděláno pasivní hliníkové chlazení, které odvádí teplo z integrovaného obvodu obsaženého na modulu. Umístění distančních sloupků odpovídá rozmístěním desek plošných spojů resp. jejich dírám pro uchycení.

Práce na krabici v plném proudu, vše základní jje ovšem už hotovo.

Rozmístění desek se zdálo být dobré, avšak později, při samotné realizaci zesilovače se ukázalo, že tomu tak není. Například modul předzesilovače je skoro až na druhém konci krabice než jsou vstupy. Přitom by měla být vzdálenost vodičů, které vedou ze vstupů do výše zmíněného modulu, co nejkratší. Tento problém by mohl být nejjednodušeji vyřešen přemístěním vstupů blíže k modulu.

Takto připravený plech byl přinýtován zpátky do krabičky přibližně tam, kde se původně nacházel. Pásky plechu byly rovněž přinýtovány avšak k přední a zadní straně krabice. Toroidní transformátor byl připevněn na spodní stranu krabice vyvrtáním otvoru pro šroub který jej pevně drží na místě. Na horní stranu krabice byly také vyvrtány otvory, do nichž byly posléze připevněny potenciometry pro ovládání výšek, hloubek, treble a hlasitosti a také vstupy Jack 3,5 a Jack 6,3. Ještě bylo třeba upravit boční kryt již téměř hotové krabice. Pomocí stahováku a železných profilů se ohnul asi centimetr krytu na jedné straně. Byly do něj vyvrtány díry, které korespondovaly s již existujícími otvory v krabičce. Tím se docílilo toho, že kryt je odnímatelný, což je minimálně velice praktické.

MODULY

Tento zesilovač se skládá z pěti modulů. Následuje blokové schéma, popisující základní vztahy mezi nimi.

Vstupy

Předzesilovač

Korekce

Zesilovač

Výstupy

Zdroj Výhybka

ZDROJ

Jako zdroj je použita stavebnice NZJ7S25. K němu je připojen toroidní transformátor TST80/002 (2x12V) a to tak, že výstupy sekundárního vinutí (obě) jsou spojeny a přivedeny na vstup GNDt. Zbývající vodiče sekundárního vinutí jsou zapojeny do ~Ut. Tím jsme de facto získali 24V na sekundáru. Na zdroj bylo přivedeno napětí a změřené výstupní napětí bylo v pořádku.

Schéma zdroje Deska plošných spojů a součástky

PŘEDZESILOVAČ

Jako předzesilovač je použit už hotový modul PSR0-L003. Předzesilovač je zapojen jako diferenční zesilovač jehož zesílení je dáno rezistory R9/(R7+R5). Nastavení citlivosti se provádí změnou hodnoty rezistoru R9. Velikost výstupního napětí se mění v závislosti nastavení trimru R10. Díky obvodu ICL 7660, který je zapojen jako invertor napájecího napětí je možno napájet ještě např. výhybku (FSN1212), která vyžaduje menší napájecí napětí než je Uz.

Protože vstupní signál není symetrický je jeden ze vstupů spojen se zemí (IN+ je spojeno s SG).

Schéma PSR0-L003

Osazená deska plošných spojů PSR0-L003

VÝHYBKA Aktivní výhybka pro subwoofer a dva satelity s nastavením zisku, dělícího kmitočtu, nesymetrické napájení. Název tohoto modulu je FSN1212 a je v provedení stavebnice. Modul byl sestaven podle doporučeného postupu, které je uvedeno v dokumentaci k modulu. Nejprve byly osazeny rezistory, poté patice integrovaných obvodů a nakonec kondenzátory a zbývající součástky. Důraz byl kladen na zachování správné polarity elektrolytických kondenzátorů. Tento modul není zatím nijak připojen. Parametry: Rozsah napájecího napětí UZ: Napájecí proud IZ (UZ = 15V): Jmenovitá vstupní citlivost: Max. výstupní napětí UO (UZ = 15V): Typ filtru: Dělící kmitočet (nastavitelný): Pokles na dělícím kmitočtu: Strmost filtru: Regulace zisku kanálu pro subwoofer (SUB): Zisk kanálů pro satelity (L, R): Kmitočtová charakteristika satelitů (-2dB): Kmitočt. charakteristika subwooferu (-2dB): Odstup signál/šum: Rozteč otvorů pro uchycení: Rozměry plošného spoje:

12 až 15V 80mA max. 1000mV 4V ef. Bessel 80, 120 nebo 180Hz -4dB -18dB/okt. -6dB až +9dB 0dB Dělící kmitočet až 200kHz 10Hz až dělící kmitočet 90dB 92,5 x 82,5mm 100 x 90mm

Popis zapojení

Vstupní signály levého a pravého kanálu jsou za oddělovacími stupni v obou kanálech přivedeny na vstupy horních propustí s požadovanými dělícími kmitočty s jednotkovým zesílením. Upravené vstupní signály pro satelity jsou vyvedeny na výstupy HL a HR, na výstupech DL a DR jsou k dispozici kmitočtové neupravené vstupní signály. Signál pro subwoofer je vytvořen sečtením L a R signálu, který je dále přiveden na vstup dolní propusti. Výstupní signál pro subwoofer je vyveden na výstup SUB. K úpravě frekvenčních charakteristik jsou v modulu použity Besselovy filtry třetího řádu (18dB/okt.). Dělící kmitočty jsou

nastavitelné (80Hz, 120Hz nebo 180Hz). Vlastní volba dělícího kmitočtu se děje přepínáním rezistoru (platí pro horní propustí, tj. pro satelity – levý a pravý kanál) a kondenzátorů (pro dolní propust – subwoofer). Pro správnou funkci filtru musí být všechny zkratovací spojky ve stejné posici, tj. v první, druhé nebo třetí. Osazením zkratspojek do J1, J4, J7 v pravém kanále, J21, J24, J27 v levém kanále a J41, J44, J47 v kanálu pro subwoofer (SUB) je nastaven dělící kmitočet na 80 Hz. Pro 120Hz se musí dát spojky do J2, J5, J8 pro R: J23, J26, J29 pro L: J43, J49 pro SUB. Jumpery (přepínačem) lze také nastavit zisk kanálu pro subwoofer. Zkratspojka v pozici J56 odpovídá zesílení +9dB, J55 +6dB atd. až v pozici J51 zeslabuju o -6d3. Pro zvýšení univerzálnosti výhybky je možno jumperem 150 měnit fázi signálu v kanálu pro subwoofer oproti satelitním kanálům. Pro zkratspojku poloze “A“ se fáze nemění (signál v kanálu pro subwoofer je ve fázi se signály v kanálech L a R), je-li zkratspojka v poloze “B“ je signál pro subwoofer otočen o 180° a je ve fázi se satelity (L, R). Modul je osazen nízkovzdušnými operačními zesilovači.

Schéma FSN1212

Deska a veškeré součástky pro FSN1212

KOREKCE

Jako korekční zesilovač je použita stavebnice s názvem KRF2374. Zapojení modulu vychází z doporučeného zapojení pro integrovaný obvod TDA1074A firmy Philips. Obvod TDA1074 obsahuje dvě dvojice elektronických potenciometrů ovládaných stejnosměrným napětím. Prvky levého kanálu pro regulaci hloubek a výšek jsou připojeny k vývodům č.2 až 7 integrovaného obvodu IO1 (v pravém kanálu k vývodům č.12 až 17). Prvky pro regulaci hlasitosti a balance jsou v levém kanále připojeny k vývodům č. 2, 3, 4, a 12, 13, 14 integrovaného obvodu IO2 (v pravém kanálu k vývodům č. 5, 6, 7 a 15, 16, 17). Potenciometrem P1 se nastavují hloubky, P2 výšky, P3 balance a P4 hlasitost, a to vždy v obou kanálech. Svorky 9 a 10 (13 a 14) jsou propojeny a tím je vyřazena fyziologická regulace hlasitosti. Jak je patrné, jsou oba kanály zapojeny zcela shodně.

Obvod tvořený prvky T1, D1, R54, C33 tvoří stabilizátor napětí cca 20V, který zabezpečuje v širokém rozmezí optimální napájecí napětí obvodů TDA1074A (maximální napájecí napětí vlastního IO je 23V).

.

Třídy zesilovačů:

Všechny zesilovače se dělí do tříd, které charakterizují jejich pracovní vlastnosti nebo princip, na kterém zesilovač funguje.

Třída A Součástky zesilovače třídy A jsou zapojeny jednočinně, tzn. že jedna větev zpracovává obě poloviny (+ i -, viz třída B) průchozího signálu. Součástky zesilovače třídy A mají nastavený takový klidový proud, aby byly stále ve vodivém stavu. Díky velkému klidovému proudu mají zesilovače třídy A nejmenší zkreslení. Kvůli tak vysokému proudu jsou ale velice náročné na konstrukci. Vyžadují vysoký příkon (velké nároky na napájení) a většina tohoto příkonu se mění na teplo. Důsledkem toho jsou i vysoké nároky na chlazení zesilovače. To jsou důvody, proč jsou zesilovače třídy A velice drahé a prodávají se velice málo ( na HiEnd trhu činí jejich podíl asi 10% ).

Třída B Výkonové součástky zesilovače třídy B jsou zapojeny dvoučině (ve dvou větvích) a mají nastavený nulový klidový proud. Jedna větev zpracovává pouze kladnou půlku signálu a druhá větev zpracovává pouze zápornou polovinu. Tyto větve se tak střídají a doplňují ve své činnosti. Protože přechod z nevodivého do vodivého stavu sočástek je pozvolný, vzniká při průchodu signálu nulou (změna polarity z + na -) tzv. přechodové zkreslení. Toto zkreslení je tak velké, že je poměrně dobře slyšitelné, hlavně pokud má signál malou amplitudu. Proto se tyto zesilovače v NF technice příliš neuplatňují. Výhodou těchto zesilovačů je energetická úspornost. Bez signálu neodebírají žádný proud a při malém signálu odebírají pouze malý proud

Třída AB Tato třída je komromisem mezi třídami A a B. Konstrukčně je zesilovač stejný, jeko zesilovač v třídě B, ale s tím rozdílem, že třída AB má zavedený malý klidový proud. To znamená, že tyto zesilovače nevykazují tak velké přechodové zkreslení, jako zesilovače v třídě B. Třída AB také není tak energeticky náročná jako třída A. Z těchto důvodů se staly zesilovače třídy AB velice oblíbenými, většina lineárních zesilovačů pracuje právě v této třídě.

Třída C Zesilovače třídy C jsou pro nízkofrekvenční techniku nepoužitelné, nebudu tedy uvádět jejich charakteristiky.

Třída D Tyto zesilovače již nejsou lineárními zesilovači protože používají techniku pulzně šířkové modulace. Pro tyto zesilovače se vžilo označení digitální. Největší výhodou této konstrukce je vysoká účinnost, až 80% ( zesilovače třídy B mají účinnost menší než 50% a s třídou A je to ještě horší ). Tato vysoká účinnost vyplývá z principu činnosti výkonových tranzistorů

zesilovače. Tyto jsou totiž buď plně sepnuty nebo úplně vypnuty. Z toho vyplývá ale i nevýhoda - větší zkreslení, než mají zesilovače tříd A a AB. Zesilovače třídy D jsou ale relativně nové a jsou tedy ještě ve vývoji ( lze tedy očekávat zlepšení technologie )

Třída G Třída G využívá koncový stupeň koncipovaný v třídě AB. Tato třída se liší systémem napájení. Napájecí napětí není stálé ale podle potřeby se ve stupních mění. Pro vyšší výstupní výkon je zesilovač napájen vyšším napájecím napětím. ( Při dosáhnutí určitého nastaveného výstupního výkonu se připojí vyšší napětí ) Tím se zvyšuje účinnost a zesilovač tak může být menší a lehčí než zesilovač třídy AB.

Třída H Tato třída pracuje na stejném principu jako třída G s tím rozdílem, že napájecí napětí není připojováno skokově, ale přesně sleduje velikost vstupního signálu. Tím je zaručena potřebná výše napájecího napětí pro aktuální výstupní výkon. Výhodou je ještě vyšší účinnost než u třídy G ale nevýhodou je již dost komplikované zapojení.

Třída S Zesilovače třídy S jsou novější modifikací zesilovačů třídy D. S zesilovače jsou také digitální, ale mají vylepšenou konstrukci, a proto nepotřebují na výstupu LC filtr pro odstraňování spínací frekvence. Říká se jim taky digitální filterless zesilovače.

Třída T Toto označení bylo zavedeno a je používáno firmou Tripath. Tyto zesilovače pracují jako zasilovače ve třídě D, ale mají vylepšenou technologii řízení. Výsledkem je účinnost zesilovače až 90% a perfektní zvukové vlastnosti.

ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ Autor je víceméně spokojen s technickou částí výrobku, ale podcenil časovou náročnost dokumentace, která není úplně dokončena. Pokud bude mít možnost, zaměří se právě na dokončení této práce.

1 PŘÍRUČKA UŽIVATELE

Následující obrázek popisuje ovládání zesilovače a také vstupy, které lze připojit.

Vstup Jack 3,5

Ovládání výšek

Ovládání treble

Vstup Jack 6,3

Ovládání hloubek

Ovládání hlasitosti

2 SHRNUTÍ Tato práce byla překvapivě časově náročná. Autor ještě plánuje zapojit ventilátor a síťový vypínač spolu s aktivní výhybkou pro subwoofer a satelity. Využití tohoto výrobku bude pro domácí poslech hudby