VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY NÁVRH NÍZKOFREKVENNÍHO ZESILOVAE PRO ZVUKOVOU KARTU PC BAKALÁSKÁ PRÁCE AUTOR PRÁCE VEDOUCÍ PRÁCE PETR CHALUPA prof. Ing. VLADISLAV MUSIL, CSs. BRNO 2009

OBSAH 1 ÚVOD... 8 2 POÍTA ZDROJ NÍZKOFREKVENNÍHO SIGNÁLU... 8 2.1 SOFTWARE PRO PEHRÁVÁNÍ HUDBY... 9 2.2 VÝSTUP ZVUKOVÉ KARTY... 9 2.2.1 Mení výstupu zvukové karty... 9 3 POŽADAVKY NA NÍZKOFREKVENNÍ ZESILOVA... 11 3.1 NORMA DIN 45 500... 11 3.2 JMENOVITÝ VÝSTUPNÍ VÝKON... 11 3.3 ŠÍKA PENÁŠENÉHO PÁSMA... 12 3.4 ZKRESLENÍ SIGNÁLU... 12 3.5 PESLECHY MEZI KANÁLY... 12 3.6 ODCHYLKA MEZI STEREOFONNÍMI KANÁLY... 12 3.7 ODSTUP CIZÍHO NAPTÍ... 13 3.8 VNITNÍ IMPEDANCE ZESILOVAE... 13 3.9 VSTUPNÍ IMPEDANCE... 13 3.10 MOJE VLASTNÍ POŽADAVKY NA ZESILOVA... 14 4 NÁVRH ZESILOVAE... 15 4.1 BLOKOVÉ SCHÉMA... 15 4.2 KONCOVÝ STUPE 2X 20W... 16 4.3 KONCOVÝ STUPE 100W... 17 4.4 AKTIVNÍ VÝHYBKA... 19 4.4.1 Simulace aktivní výhybky... 20 4.4.2 Mení aktivní výhybky... 22 4.5 PASIVNÍ VÝHYBKA... 23 4.5.1 Návrh pasivní výhybky... 23 4.6 PEPÍNA VSTUP... 24 4.7 OBVOD PRO ZPOŽDNÉ PIPOJENÍ REPRODUKTOR... 26 4.8 NAPÁJENÍ ZESILOVAE... 27 5 KONSTRUKCE ZESILOVAE... 29 5.1 ROZMÍSTNÍ JEDNOTLIVÝCH DPS... 29 5.2 CHLAZENÍ TEPELN AKTIVNÍCH PRVK... 29 6 MENÍ PARAMETR ZESILOVAE... 31 6.1 ZESÍLENÍ... 31 6.2 VÝSTUPNÍ VÝKON... 31 6.3 PENOSOVÁ CHARAKTERISTIKA... 33 6.4 FÁZOVÁ CHARAKTERISTIKA... 36 6.5 PESLECHY MEZI KANÁLY... 38 6.6 ODCHYLKA MEZI STEREOFONNÍMI KANÁLY... 39 6.7 ŠUM NA VÝSTUPECH ZESILOVAE... 39 6.8 VNITNÍ IMPEDANCE ZESILOVAE... 40 7 ZÁVR... 41 8 POUŽITÁ LITERATURA... 42 9 PÍLOHA K BAKALÁSKÉ PRÁCI... 43 9.1 DESKY PLOŠNÝCH SPOJ... 43 9.2 SEZNAM POUŽITÝCH SOUÁSTEK... 45 7

1 Úvod Tato práce vznikla v návaznosti na dva pedešlé semestrální projekty, ve kterých jsem se zabýval problematikou nízkofrekvenních zesilova. Cílem práce je navrhnout nízkofrekvenní zesilova, který bude spl ovat všechny podmínky pro kvalitní poslech hudby pehrávané ve stolním poítai. Zpoátku se zamím na teorie a simulace. Dále formuluji požadavky na nízkofrekvenní zesilova. V další z ástí se budu vnovat návrhu zesilovae a tento zesilova nakonec vyrobím, zmím jeho vlastnosti a porovnám je s teoretickými pedpoklady. Historicky první zesilovae jsou spojovány s érou elektronek, tj. období asi ped sto lety. Nevýhodou byla nutnost žhavení elektronek a jejich velké rozmry. Asi v polovin dvacátého století pišel objev tranzistoru. Ten ml za následek velký rozmach elektroniky. Zesilovae s tranzistory získaly lepší parametry, mly menší rozmry a menší spotebu energie. Asi ped ptaticeti se zaaly objevovat první integrované zesilovae. Postupem asu se jejich parametry zdokonalovaly a dnes jsou již souástí vtšiny audio zaízení na trhu. Je to jednak pro jejich masovou výrobu a tím i nízkou cenu, jednak kvli jejich spolehlivosti a také kvli tomu, že ke své funkci nepotebují skoro žádné další souástky. Pokud se ovšem budeme zajímat o nejvyšší kvalitativní parametry, nalezneme je v zapojení s diskrétními souástkami. Takové pístroje se oznaují jako High-End [2]. 2 Poíta zdroj nízkofrekvenního signálu Zvuková karta poítae obsahuje D/A pevodník, který pevádí datový tok na analogový signál. Standardn se tento audio signál vyvádí ven z poítae pomocí konektoru stereo Jack o prmru 3,5 mm. V nejjednodušším pípad je výstupem pouze stereofonní signál, tedy levý a pravý kanál avšak v posledních letech se poád více rozrstají vícekanálové systémy, napíklad 5+1, 7+1 apod. kde první íslo znaí poet satelitních a druhé íslo poet hlubokotónových reproduktor. Tyto systémy mají za úkol upesnit zdroj zvuk v prostoru. Ve své práci se budu zabývat výhradn obyejným stereo signálem. Výstupní audio signál z poítae lze z hudebního hlediska považovat za kvalitní. Obsahuje jen malé množství šumu, neobsahuje žádné síové brumy apod. Jediný parazitní signál, který mžeme slyšet pi maximálním zesílení je tok dat v poítai (napíklad slabé pískání, které mní tón pi pohybu myší). Tento signál mžeme registrovat na levnjších základních deskách s integrovanou zvukovou kartou. V pípad pídavné zvukové karty je vtšinou tento neduh odstrann. 8

2.1 Software pro pehrávání hudby Softwaru pro pehrávání hudby je dnes velké množství. Vtšina pehráva nabízí pednastavené equalizéry pro rzné hudební žánry a množství efekt, které hudbu upraví dle požadavk posluchae. Z tohoto dvodu považuji za zbytené umísovat do cesty nízkofrekvennímu signálu jakékoliv další korekce uvnit zesilovae. Já osobn používám k poslechu hudby v poítai program winamp 5.32, který svými možnostmi prmrnému uživateli naprosto postauje. 2.2 Výstup zvukové karty Aby bylo možné navrhnout vhodné ešení zesilovae, je nutné znát signál, který budeme zesilovat. Nejdležitjšími parametry jsou: výstupní impedance zvukové karty, maximální rozkmit výstupního naptí a maximální zatížitelnost výstupu. Výrobci základních desek a zvukových karet vtšinou doporuují minimální možnou zátž na výstupu zvukové karty sluchátka o impedanci 32. 2.2.1 Mení výstupu zvukové karty Ve svém notebooku jsem spustil zkušební CD pro testování audio sestav. Vybral jsem stopu 57, která mla vytvoit sinusový signál 1 khz / 0 db tedy standardní testovací audio frekvence nezeslabeného signálu. Na výstup zvukové karty jsem pipojil osciloskop a zmil maximální amplitudu výstupního signálu viz obr.1. Naptí špika špika zde iní 2,09 V. Na obrázku je patrná vzorkovací frekvence 44 khz. Pi použití softwarového pedzesilovae (souást pehrávae winamp 5.32) jsem namil výstupní naptí až 2,84 V. 9

Obr. 1: Sinus 1 khz na výstupu zvukové karty. Po pipojení sluchátek s impedancí 32 naptí pokleslo z 2,09 V na 0,55 V. Tyto ti hodnoty jsem dosadil do vztahu (1) a zjistil vnitní impedanci výstupu zvukové karty, která iní 89,6. U1U 2 2,09 0,55 R i. R z.32 89, 6 (1) U 0,55 2 kde: R i je hledaná vnitní impedance (), U 1 je naptí naprázdno (V), U 2 je naptí pi zatížení (V), R z je zatžovací impedance(). 10

3 Požadavky na nízkofrekvenní zesilova Nejprve je vhodné si uvdomit, jakou hudbu budeme pevážn poslouchat. Napíklad vážná hudba klade mnohem vtší nároky na výkonový rozsah (velmi tiché pasáže a velmi hluné pasáže). Naproti tomu populární hudba bude mít nejspíše vyrovnanjší prbh snad jen s obasným rázem (nap. úder do bubnu). Základním pedpokladem každého zesilovae je dostatené zesílení vzhledem k použitým reproduktorm a zdroji signálu, nízká míra zkreslení a šum a v neposlední ad odolnost vi okolnímu rušení (síový brum apod.). Zesilova pro kvalitní poslech hudby by ml spl ovat požadavky Hi Fi. Tyto požadavky, parametry a postupy mení pesn definuje norma DIN 45 500. Zde uvedu základní parametry, které považuji za nejdležitjší a které bude možno se slušnou pesností u reálného zesilovae zmit bez nutnosti použití speciálních pístroj, urených pouze k tmto úelm. 3.1 Norma DIN 45 500 Tato norma udává parametry, které musí audio pístroje spl ovat, aby se mohly oznait za Hi-Fi. Tato zkratka znamená High Fidelity for Music and Voice, což znamená vysoká vrnost hudby a hlasu. Nutno však podotknout, že tato norma je z roku 1973 a je tedy v jistém pohledu zastaralá, protože vtšina zaízení na trhu ji spl uje. [11] 3.2 Jmenovitý výstupní výkon Je to takový výkon, který je zesilova schopen dodat trvale do zátže, a to sinusovým prbhem. Zkreslení signálu pitom u koncových stup zesilova nesmí pekroit mez 0,7 %, u výkonových zesilova (celý pístroj vetn pedzesilovae apod.) pak 1 %. Jmenovitý výkon je pro pedstavu asi nejvrohodnjším. Bohužel ho spousta výrobc audio techniky u svých výrobk neuvádí. Jmenovitý výstupní výkon se vypoítá podle vzorce (2). P out 2 out U (2) R z kde: P out je výstupní výkon (W), U out je výstupní naptí (V), R z je zatžovací impedance (). Dle normy Hi Fi pak jmenovitý výkon musí být nejmén 2 x 6 W u stereofonního zesilovae, nebo 10 W u monofónního. [6] 11

U nkterých audio pístroj se používá pojem hudební výkon. To je v podstat obdoba výkonu jmenovitého s rozdílem, že zde se bere v úvahu konstantní velikost napájecího naptí. Jde tedy o pedpoklad, že pi krátkém akustickém rázu použité filtraní kondenzátory podrží napájecí naptí na stejné hodnot jako ped rázem [2]. 3.3 Šíka penášeného pásma Šíkou penášeného pásma se rozumí rozmezí frekvencí, ve kterém útlum penosu neklesne pod hodnotu 3dB od nejvtšího zesílení. Lidské ucho je schopno slyšet v pibližném rozmezí 20 Hz až 20 khz. Kvalitní zesilova by tedy ml mít v tomto pásmu konstantní zesílení. Nkteré zesilovae jsou konstruovány tak, že zesilují jen ást slyšitelného pásma. Ty se používají do vícepásmových soustav. Jejich souástí je výhybka, která propustí jen potebné frekvenní pásmo. Výhybky rozlišujeme jako pasivní (výkonové), nebo aktivní - viz [2]. Pro mou konstrukci zesilovae jsem zvolil aktivní výhybku, tvoenou dolní propustí. 3.4 Zkreslení signálu Pivedeme-li na vstup zesilovae ist sinusový signál, na výstupu mžeme vidt tento signál rzn zdeformovaný. Podle typu deformace rozeznáváme nkolik zkreslení [6]. Nejvíce se však projevují dva typy: zkreslení harmonické a intermodulaní. Norma Hi Fi u výkonových zesilova dovoluje maximální zkreslení 1 % v rozsahu 40 Hz až 12,5 khz [6]. 3.5 Peslechy mezi kanály Vybudíme-li u stereofonního zesilovae jeden kanál na jmenovitý výkon a výstup zatížíme jmenovitou impedancí, ást signálu se z tohoto kanálu penese na kanál druhý. Pomr naptí pln vybuzeného a nevybuzeného kanálu nám udává míru peslechu. Norma udává pomr tchto signál minimáln 40 db. 3.6 Odchylka mezi stereofonními kanály V tomto pípad norma DIN 45 500 povoluje pomrn velkou toleranci. Hodnota iní 3 db pro zesilovae neobsahující regulátor vyvážení a je vztažena k rozmezí frekvencí 250 až 6300 Hz. Je zde bráno v potaz, že potenciometry hlasitosti nemají pesn soubžné ob odporové dráhy, a tak vznikají dosti velké odchylky. 12

3.7 Odstup cizího naptí Odstup cizího naptí se mí pi výstupním výkonu 2 x 50 mw u stereo zesilova pi použití jmenovité zátže. Postup je následující: na vstup pivedeme minimální možný vstupní signál. Regulátorem hlasitosti pak nastavíme výstupní naptí na úrove, odpovídající výkonu 2 x 50 mw (pi zátži 4 odpovídá asi 1,4 mv). Odstup cizích naptí je pak pomrem výstupního naptí a naptí zbytkového. Norma Hi Fi povoluje minimální odstup cizího naptí 50dB [6]. Tohoto odstupu však dosahují v praxi i mén kvalitní zesilovae. 3.8 Vnitní impedance zesilovae Vnitní impedance zesilovae je závislá na konstrukci zesilovae. ím menší je, tím více jsou ztlumovány pipojené reproduktory, což má píznivý vliv na jakost reprodukce. DIN 45 500 pedepisuje, že vnitní impedance musí být nejvýše 1/3 impedance pipojeného reproduktoru. Tedy pokud pipojujeme napíklad reproduktor o impedanci 4, vnitní impedance musí být nejvýše 1,33. Tato podmínka musí platit v rozmezí 40 až 12 500 Hz. S touto impedancí souvisí i pojem initel útlumu, který udává kolikrát je impedance reproduktoru vtší, než vnitní impedance zesilovae. Mení impedance probíhá následovn: Zesilova nejprve vybudíme bez zátže tak, aby výstupní naptí odpovídalo pibližn jmenovitému. Poté pipojíme zátž a zmíme pokles naptí. Vnitní impedanci pak vypoítáme podle stejného vztahu jako v pípad vnitní impedance výstupu zvukové karty (1). 3.9 Vstupní impedance Vstupní impedance zesilovae by mla být pokud možno co nejvtší, aby zbyten nezatžovala zdroj signálu. Podle normy DIN by mla být vstupní impedance zesilovae opt minimáln 3x vtší, než výstupní impedance zdroje signálu. Výstup zvukové karty je pímo uren pro sluchátka s impedancí 32 a bžné konstrukce zesilova mívají vstupní impedanci ádov v desítkách až stovkách k, takže není nutné se touto problematikou ve vtší míe zabývat. 13

3.10 Moje vlastní požadavky na zesilova K dispozici mám dva devné dvaceti wattové, dvoupásmové reproboxy (impedance 4 ) se svou vlastní pasivní výhybkou, a jeden reprobox 100W (impedance 4 ). Tento reprobox žádnou výhybku nemá. Po svém zesilovai požaduji výstupní výkony 2x 20 W pro satelitní vtve a 1x 100 W pro hlubokotónovou vtev. Tyto výkony volím proto, abych zesilovaem mohl naplno vybudit použité reproboxy. Hlubokotónová vtev by mla mít vtší výkon, než vtve satelitní a to z dvodu, že lidský sluch vnímá tóny o nízké frekvenci s menší citlivostí. Pro tuto vtev chci navíc navrhnout aktivní dolní propust s mezním kmitotem 150 Hz. Tento kmitoet se volí s ohledem na fakt, že lidský sluch nerozezná zdroj šíení zvuku o takto nízké frekvenci. V praxi se tyto kmitoty volí v rozmezí 100 až 300 Hz. Dležitým požadavkem je, aby výstupní signál ze zvukové karty poítae byl dostaující pro plné vybuzení všech kanál, a to s dostatenou rezervou. Dvodem je, že nkteré filmy bývají nahrané s menší hlasitostí zvuku. Dále požaduji, aby zesilova disponoval dvma na sob nezávislými stereo vstupy, které bude možno vybírat tlaítkem na pedním panelu zesilovae. Zesilova chci realizovat do vhodné skí ky a navrhnout úinné chlazení tepeln aktivních prvk. 14

4 Návrh zesilovae 4.1 Blokové schéma Na obrázku 2 je návrh blokového schéma zesilovae. Znaení L, P znamená, že cestou je veden signál pro levý kanál a signál pro pravý kanál. L+P znaí, že cestou je veden jeden spolený signál, který je soutem levého a pravého kanálu. Obr. 2: Blokové schéma zesilovae. Funkce jednotlivých blok je následující: Do zesilovae jsou pivádny dva vstupní stereo signály. Pepína vstup pipojí píslušný vstup a signál projde k regulaci hlasitosti. Ta je tvoena temi potenciometry. První reguluje celkovou hlasitost, druhý hlasitost satelitních reproduktor a tetí hlasitost subwooferu. Z výstupu (bžce) potenciometru pro hlubokotónovou vtev je signál dále pivádn na sluova kanál, kde se smísí levý kanál s pravým. Výsledný signál pokrauje do aktivní výhybky, kde se z nj odfiltrují vysoké frekvence a pak je pivádn na vstup výkonového zesilovae. Satelitní vtve jsou pivedeny z regulace pímo k výkonovému zesilovai. U nejnižších kmitot lovk nedokáže rozeznat smr zdroje signálu [6]. Proto se hlubokotónové reproboxy (tzv. subwoofery) nemusí používat stereofonn ve dvojicích, ale postaí monofónn, piemž se z nich reprodukuje zvuk, který je soutem obou kanál. Tím je zajištno, že subwoofer bude reprodukovat všechny tóny o nízké frekvenci, a už z levého, nebo pravého kanálu. 15

Pro svj návrh jsem se rozhodl použít integrovaných výkonových operaních zesilova. Dvodem pro m byl i fakt, že tyto integrované obvody asto ke své funkci potebují už jen minimum dalších souástek a nabízí ochranu proti zkratu na výstupu, tepelnému pehátí a jejich parametry spl ují normy Hi Fi. Na trhu je takovýchto obvod celá ada a je tedy možné použít jakýkoliv obvod, který spl uje naše požadavky. V dalších kapitolách navrhnu skutená zapojení jednotlivých blok zesilovae. 4.2 Koncový stupe 2x 20W Pro svj zesilova jsem volil konstrukce koncových stup pomocí integrovaných obvod. Pro stupe 2x 20 W jsem použil integrovaný obvod TDA 7262, který pln odpovídá požadavkm Hi Fi normy. Tento obvod jsem si vybral kvli jeho pimené cen, dostupnosti a kvli parametrm, které nabízí. Obvod má nízké harmonické zkreslení 0,2 % pi výkonu 14 W, pi jmenovitém výkonu 20 W a napájecím naptí 32 V by mlo být zkreslení pibližn 1 %. Na obrázku 3 vidíme katalogové schéma zapojení koncového stupn 2x 20 W. Funkce jednotlivých souástek je následující: Ze vstup pivádíme signál pes vazební kondenzátory C1 a C2. Ty oddlují stejnosmrnou složku. Stídavá složka projde na neinvertující vstupy operaních zesilova, které jsou souástí integrovaného obvodu TDA 7262. Kondenzátor C3 blokuje vstup Stand-by. Kondenzátory C4 a C5 zajišují filtraci napájecího naptí. C4 se pi návrhu DPS umisuje co nejblíže integrovanému obvodu. Zabra uje rozkmitání zesilovae vlivem vysokofrekvenních složek na napájecích pívodech. Pomrem velikosti rezistor R2, R1 a R4, R3 se nastavuje napové zesílení. Pi hodnotách jako ukazuje obrázek 3 vychází zesílení pibližn 68x tedy asi 36,5 db. K vybuzení zesilovae na výkon 20 W musí být naptí na zátži 4 pibližn 9 V (vypoteno podle vzorce 2). Dosazením hodnot rezistor do vzorce 3 jsem uril zesílení 68x. Pi tomto zesílení tedy bude stait k plnému vybuzení vstupní signál 68 krát menší, tj. 132 mv. To znamená, že máme k dispozici dostatenou rezervu vzhledem k nameným amplitudám na výstupu zvukové karty (viz kap. 2.2). Rezistory R5, R6 a kondenzátory C7 a C9 jsou souástí tzv. Bouchertových len. Slouží jako zkrat pro vysokofrekvenní signály na výstupu, které by jinak mohly zesilova rozkmitávat. Vzorec pro výpoet zesílení neinvertujícího zesilovae: R1 R3 1200 Au 1 1 1 67,7 (3) R R 18 2 4 kde: Au je zesílení (-), R1 až R 4 jsou rezistory ve zptných vazbách (). 16

Obr. 3: Schéma koncového stupn 2x 20 W [2]. Na obou výstupech jsou vazební kondenzátory C11 a C12, které oddlují stejnosmrnou složku, která by jinak procházela až do reproduktor. Obvod TDA 7262 je napájen nesymetricky z ehož vyplývá, že si obvod nastavuje pracovní bod tak, aby v klidovém stavu byla na výstupu poloviní hodnota napájecího naptí. 4.3 Koncový stupe 100W Pro koncový stupe 100 W jsem rovnž zvolil integrovaný obvod. V tomto pípad se jedná o obvod TDA 7293V. Vybral jsem ho rovnž kvli jeho dostupnosti a parametrm. K napájení obvodu je možné použít symetrické naptí až 50 V a dosáhnout výstupního výkonu 140W. Pi symetrickém napájení 29 V a výkonu 80 W do zátže 4 je dle výrobce udávaná maximální hodnota zkreslení 1 % [9]. Tento obvod umož uje pipojení dalších stejných integrovaných obvod paraleln k získání ješt vyšších výkon [2]. To je v oblasti integrovaných zesilova novinkou. Zapojení zesilovae 100 W je na obrázku 4. 17

Obr. 4: Schéma koncového stupn 100 W [2]. Kondenzátory C15, C16, C17 a C18 slouží k filtraci napájecího naptí. Obvod RC tvoený C23 a R7 tvoí opt Bouchertv len pro odstranní vysokých frekvencí. Rezistor R9 uruje vstupní odpor zesilovae. Pomrem rezistor R10 a R8 se nastavuje napové zesílení. Pi hodnotách rezistor jak ukazuje obrázek 4 je zesílení nastaveno na hodnotu asi 33x (získáno dosazením R10 a R8 do vzorce 3), tedy zisk 30,5 db. K plnému vybuzení 100 W zesilovae do 4 zátže je na zátži nutné naptí 20 V (dosazeno do vzorce 2). Pi zesílení 33x je tedy potebné naptí na vstupu pibližn 590 mv. Vzhledem k výstupnímu naptí zvukové karty 2,09 V (kap. 2.2.1) je i zde dostatená rezerva. 18

4.4 Aktivní výhybka Aktivní výhybka v mém zapojení sluuje levý a pravý kanál. Ze sloueného signálu pak odfiltruje vysoké kmitoty a pokud to bude nutné ješt napov zesílí signál. Hlavní výhodou aktivních výhybek je, že pracují bez výkonových ztrát. Na obrázku 5 vidíme schéma zapojení aktivní výhybky. Obr. 5: Schéma zapojení aktivní výhybky [7]. Oba vstupy jsou pivedeny na dvojitý operaní zesilova IO1. Rezistory R1 a R4 urují vstupní odpor výhybky. IO1 slouží jako impedanní oddlení vstup od zbytku výhybky. Pes rezistory R2 a R3 jsou oba signály pivedeny na IO2A, který zde slouží jako soutový zesilova (tzv. sumátor). Operaní zesilova IO2B, rezistory R5, R6 a kondenzátory C1, C2 tvoí samotnou propust. Zmnou hodnot tchto kondenzátor a rezistor se nastavuje mezní kmitoet propusti. Rezistory R8 a R7 urují napové zesílení IO3 vystupujícího signálu. Kondenzátory C3 až C8 slouží v napájecí vtvi jako blokovací a na desce je nutné jejich umístní co nejblíže vývodm napájení operaních zesilova. Napájení aktivní výhybky je teba vnovat zvýšenou pozornost. Pracujeme zde s malým signálem, který je náchylný k rzným druhm rušení, a již z okolního prostedí, nebo z napájecích cest. Napájení je nutné ešit kvalitn stabilizovaným symetrickým naptím. A zemnící spoje je teba vést na desce co nejkratšími cestami z jednoho bodu. Operaní zesilovae, které jsem použil ve 19

výhybce jsou ureny pro audiotechniku kvli jejich nízkému šumu. Jedná se o bžn dostupné typy (NE 5532 a NE 5534). 4.4.1 Simulace aktivní výhybky Následná simulace aktivní výhybky probhla v programu PSpice A/D. Nejprve bylo nutné si oznait napové uzly v zapojení jak je vidt na obrázku 6. Obr. 6: Pomocné schéma pro simulaci propusti Hodnoty kondenzátor C1, C2 jsem uril výpotem podle vztah (4) a (5). Velikosti rezistor R5 a R6 jsem zvolil (R5 = R6 =15 k), a hodnotu mezního kmitotu propusti jsem nastavil na 150 Hz. Vzorce pro výpoet kondenzátor ve výhybce: [14] C C 1 2 0,9076 (4) 2. f R C. 0,6809 (5) 2. f R C. kde: f C je mezní kmitoet propusti (Hz), R jsou rezistory R5 a R6 (). 20

Výpis vstupních soubor pro simulaci: 2.rad,aktivni fx=150hz * Vin 1 0 AC 1V R5 1 2 15k R6 2 3 15k R7 4 0 390 C1 2 4 100nF C2 3 0 47nF X1 3 4 4 operak_jednoduchy *.AC DEC 10 0.1 10k.PROBE V(R7).lib.subckt operak_jednoduchy 1 2 4 Rin 1 2 1meg Rout 3 4 50 E1 3 0 1 2 200k.ends *.OP *.end Z této simulace jsem uril penosovou charakteristiku dolní propusti, kterou zobrazuje obrázek 7. K poklesu o 3 db (v tomto pípad se jedná o pokles na 354 mv) došlo pi frekvenci 159,34 Hz. Obr. 7: Prbh simulované penosové charakteristiky 21

4.4.2 Mení aktivní výhybky Aktivní výhybku na obrázku 5 jsem vyrobil a oživil (DPS je souástí pílohy). Na vstup jsem pipojil funkní generátor a na výstup digitální osciloskop. Promil jsem penosovou charakteristiku pro sinusový signál. Tab.1: Výstupní naptí propustí frekvence meno simulace [Hz] Uvýst. [mv] Uvýst. [mv] 10 500 500 60 500 498,5 70 494 495 80 488 490 90 482 481 100 476 471 110 456 455 120 438 438 130 418 420 140 400 397 150 376 375 160 356 352 170 332 330,5 180 312 308 190 290 286 200 268 264 210 250 248 220 232 231,5 230 212 215 240 200 199 250 182 183 270 162 163 290 138 143,5 310 118 124 330 106 111 350 94 100,5 400 68 75 500 38 48 700 12 25 1000 6 12 Namené hodnoty se tém shodují se simulací. Mením jsem zjistil hodnotu mezní frekvence 162 Hz, simulací 159,3 Hz. Drobné odchylky jsou zpsobeny tolerancí použitých souástek. Namenou a simulovanou penosovou charakteristiku zobrazuje graf na obrázku 8. 22

Uvýst (mv) 500 450 400 350 Meno Simulace 300 250 200 150 100 50 0 10 100 1000 f (Hz) Obr. 8: Penosové charakteristiky propusti 4.5 Pasivní výhybka Pasivní výhybky se umisují do výkonové ásti obvodu, tedy mezi výstup zesilovae a reproduktory. Jejich výhodou je ponkud jednodušší zapojení, které nemusí vždy znamenat horší poslechové vlastnosti. Nevýhodou je jistá ztráta výkonu, protože cívka je navinuta z vodie a ten má vždy uritý odpor, na kterém vznikají úbytky naptí. 4.5.1 Návrh pasivní výhybky Pokud bych chtl navrhnout pasivní výhybku se stejným mezním kmitotem, a stejným sklonem charakteristiky (12 db/oktávu), musel bych použít zapojení cívky a kondenzátoru z obrázku 9. Obr.9: Schéma zapojení pasivní výhybky se strmostí charakteristiky 12 db na oktávu 23

Pro výpoet cívky platí vztah (6) a pro výpoet kondenzátoru vztah (7). Z L. f m 4 3,14.150 8,5mH (6) 1 1 C 132F (7) 4.. f. Z 4.3,14.150.4 m Ve vzorcích Z znaí jmenovitou impedanci reproduktoru [], f m znaí mezní frekvenci výhybky, L je velikost cívky [H] a C je velikost kapacity [F]. Po dosazení mezního kmitotu 150 Hz a impedance reproduktoru 4, vychází kapacita kondenzátoru 132 F a induknost cívky 8,5 mh. 4.6 Pepína vstup Pepína vstup, který jsem navrhl používá ítae HC4040. Pomocí tlaítka je ovládáno dvojité pepínací relé, které na svých kontaktech pepíná mezi dvma vstupy. Aktuální výbr vstupu zobrazuje dvoubarevná LED dioda. Návrh zapojení pepínae vstup je na obrázku 10. Obr. 10: Schéma zapojení pepínae vstup (ovládání relé) Princip funkce je následující: Pomocí tlaítka vytváíme hodinový signál pro íta. Na výstupu. 9 získáváme signál o poloviní frekvenci, tedy íta používáme jako dliku frekvence. Dv zmny úrovn na vstupu tedy zmní úrove na výstupu pouze jednou. Výstupní úrove 1 otevírá tranzistor T1. Ten slouží jako spína pro cívku relé. Dioda D2 blokuje cívku relé, která by pi vypínání mohla vytváet napovou špiku opané polarity. 24

Pokud je na výstupu IO4 logická 1, T1 je oteven, relé sepnuto. Báze T2 je v tomto pípad pes R10 a otevený T1 uzemna a T2 otevený. LED dioda svítí erven. Pijde-li nyní hodinový signál (stisk tlaítka), na výstupu IO4 je logická 0. T1 se zave, relé rozepne. Na bázi T2 se pes cívku relé a R10 dostane kladné naptí, T2 se zave, ervená LED zhasne. Souasn se kladné naptí dostane pes cívku relé a rezistor R12 na druhou anodu dvoubarevné LED a dioda se rozsvítí zelen. Rezistory R14, R15 a kondenzátor C9 slouží ke stabilizaci stisku tlaítka. C10, R16 a D1 slouží k automatickému resetu pi zapnutí. Tak je zajištno, že po zapnutí bude pipojen vždy vstup.1, nehled na stavu ped vypnutím. Dioda D3 oddluje napájení pepínae vstup od zdroje. Tuto vtev napájení využívám ješt u obvodu, který zpoždn pipojuje a odpojuje reproduktory. Vtev není dostaten filtrována práv z dvodu, že potebuji, aby po vypnutí pístroje naptí na ní rychle kleslo a relé odpojilo reproduktory. Za diodou D3 je tedy kondenzátor C3, který filtruje naptí pro obvody pepínae vstup. Proud LED diodami jsem zvolil 12 ma. Výrobce udává maximální proud LED diodou 20 ma pi úbytku naptí na diod 1,8V. Rezistory R11 a R12 jsem vypoetl následovn: kde U R U cc U D 121,8 R 850 3 I I 12.10 U R je naptí na rezistoru [V], U cc je napájecí naptí [V], U D je úbytek naptí na LED diod [V], a I je proud procházející LED diodou a rezistorem. Obr.11: Výbr vstupu pomocí relé s následnou regulací hlasitosti 25

K regulaci hlasitosti jsem použil dvojitý logaritmický potenciometr. To z dvodu, aby bylo možné nízkou úrove hlasitosti regulovat jemnji. Hodnotu tohoto potenciometru jsem volil 50 k. Takto vysokou hodnotu jsem volil proto, aby zesilova píliš nezatžoval výstup zdroje signálu (viz kap. 2.2). Za tento potenciometr jsem zapojil ješt dva další, každý o hodnot odporu 100 k. Tyto dva potenciometry regulují zvláš hlasitosti jednotlivých vtví. 4.7 Obvod pro zpoždné pipojení reproduktor Každý operaní zesilova pi svém zapnutí a nábhu do pracovního bodu vytváí na svém výstupu napovou špiku. V pípad výkonových operaních zesilova, kde je na výstupu pipojen pímo reproduktor, mžeme pi zapnutí slyšet z reproduktoru nepíjemné lupnutí. Zárove pi vypnutí napájení takového zesilovae mže docházet také k nežádoucím zvukovým efektm. Jednou z možností odstranní takových zvukových projev je pipojení reproduktoru k výstupu zesilovae až po nabhnutí zesilovae a odpojení reproduktoru ješt ped vybitím filtraních kapacit napájení pi vypínání. Takový jednoduchý obvod jsem navrhl i pro svj zesilova. Obr. 12: Obvod pro zpoždné pipojení reproduktor Pi zapnutí napájení se pes R17 nabíjí C12. Jakmile se C12 nabije na 0,65V, tranzistor T1 se oteve a relé pipojí reproduktory. Rezistor R17 jsem zvolil tak, aby do báze T1 šel jen takový proud, který je schopen T1 otevít. Pi vypnutí napájení je teba reproduktory odpojit co nejrychleji. V tomto pípad as odpojení prodlužuje jen možná filtraní kapacita v napájecí vtvi. Proto jsem tuto kapacitu volil jen 100 F. DPS je spolená pro výhybku, pepína vstup a obvod pipojování zátže a je souástí pílohy. 26

4.8 Napájení zesilovae K napájení všech blok zesilovae je nutný zdroj stejnosmrného naptí, nejlépe stabilizovaného. K napájení výkonových koncových stup je však stabilizování naptí dosti obtížné. Jednoduchý napájecí zdroj (viz obrázek 11) jsem navrhl i pro svj zesilova. Zvolil jsem symetrické napájecí naptí 31 V pro 100 W koncový stupe, 31 V pro stupe 2x 20 W, 14 V ( po zatížení cca 12,5 V ) pro napájení pepínae vstup a obvodu pro zpoždné pipojení reproduktor a stabilizované symetrické naptí 12 V pro napájení aktivní výhybky. Toroidní transformátor jsem si nechal na zakázku navinout, piemž sekundární naptí a proudy jsem volil 2x 22 V/3 A; 22 V/3 A; 10 V/0,5 A a 2x 12 V/0,5 A. Jmenovitý výkon použitého transformátoru je tedy 215 VA. Obr. 13: Napájecí zdroj pro všechny bloky zesilovae 27

Na obrázku 13 je schéma zapojení napájecího zdroje. Všechny napájecí vtve jsou nejprve usmr ovány na diodových mstcích M1 až M4. Každá dioda v mstku je vždy peklenuta kondenzátorem 100nF. Usmrnné naptí z mstk filtrují kondenzátory C5, C6, C11, C16, C21 a C22. V pípad napájecí vtve pro aktivní výhybku následují za filtraními kondenzátory stabilizátory naptí. Použil jsem stabilizátory z ad 78xx pro kladnou vtev a 79xx pro zápornou vtev. Vzhledem k nízkému proudovému odbru tchto vtví postaí provedení typu L, tedy v pouzde TO92. Na výstupech stabilizátor jsou ješt blokovací kondenzátory, které doporuuje výrobce. Mstky M1 a M2 jsem volil pro proud 8A, což se na první pohled mže zdát jako zbytené vzhledem k výkonm, které by ml zdroj do vtví dodávat. Dvodem takového pedimenzování je fakt, že pi zapnutí zesilovae jsou filtraní kapacity vybity a pi svém prudkém nabíjení v prvotním okamžiku prudce vzroste proud. Nkteré odborné literatury dokonce doporuují použití výkonových rezistor, zapojených na výstupu mstku v sérii s filtraními kondenzátory. To práv z dvodu omezení proudového nárazu pi zapnutí. Na to je teba dbát i pi výbru proudové pojistky pístroje. Pojistku je také nutné nepatrn pedimenzovat aby se pi zapínání zesilovae nepetavila. Filtraní kondenzátory C5, C6 a C11 velkou mírou ovliv ují maximální výkon zesilovae. Slouží jako zásoba energie pi prudkých výkonových rázech (úder do bubnu apod.), kdy na krátký okamžik udrží naptí, které by jinak pokleslo. Samotný transformátor má samozejm na maximální výkon také velký vliv. 28

5 Konstrukce zesilovae Celý zesilova jsem realizoval na tech DPS. První obsahuje napájecí zdroj, druhá oba koncové stupn a tetí aktivní výhybku, pepína vstup a obvod pro zpoždné pipojení reproduktor. 5.1 Rozmístní jednotlivých DPS Základním pedpokladem bylo umístní aktivní výhybky a všech signálových cest pokud možno co nejdále od transformátoru. Každý transformátor více i mén vyzauje do svého okolí elektromagnetické pole, které mže v blízko umístném vodii indukovat rušivé naptí. Toroidní transformátory vyzaují toto pole mén než nap. transformátory z plech EI. Transformátor a zdrojovou DPS jsem umístil do zadní ásti skí ky. Aktivní výhybku a koncové stupn jsem umístil nad sebe do pední ásti skí ky. Vedení zemních spoj jsem se snažil provádt z jednoho bodu a co nejkratšími cestami. 5.2 Chlazení tepeln aktivních prvk Nejvtším zdrojem tepla uvnit zesilovae jsou bezesporu integrované obvody koncových stup. Na tchto integrovaných obvodech jsou ztrátové výkony až desítky watt [9]. Tyto výkony (v podob tepla) je nutné odvádt pry ze skín. K tomu slouží pasivní chladi, který je pipevnn na pouzdra integrovaných obvod. Z operaních zesilova se teplo na chladi penáší vedením (kondukcí). Z chladie je teplo dále pedáno vzduchu, který je odvádn ze skín proudním (konvekcí). Pro penos tepla vedením platí Fourierv zákon (8) a pro penos tepla proudním Newtonv zákon (9). d P. S. (8) dx P.S. (9) 1 [W, W. m 1. K, 2 m, 1 K. m, 2 1 W. m. K, K ] kde P = dq/dt je tepelný tok plochou S pi teplotním gradientu dj/dx < 0, je tepelná vodivost, je souinitel penosu tepla, znaí teplotu a úbytek teploty, který vznikne na 29

tepelném odporu. Pro úbytek teploty platí x1 x0 d, meno mezi souadnicemi x0, x1 pedpokládaného lineárního uspoádání. Tepelný odpor se vypote jako R t x1 dx S. x0. Pro prchod tepelného toku (vedením) jedním smrem prostedím délky l [m] o stálém prezu S [ m 2 ] platí pro rozdíl teplot vztah: l. P (10). S Na základ tohoto vztahu je pak tepelný odpor R [ K. W t 1 ] prostedí definován: l R t (11). S U proudní je pak rozdíl teplot vztahem: [ K ] mezi povrchem chladie a chladícím mediem dán P (12). S 1 kde je souinitel pestupu tepla [. 2 W m. K ]. Hodnotu tepelného odporu R t [ K. W pak vypoítat jako: 1 R t (13).S 1 ] lze Informace pevzaty z lit. [12]. U výkonových souástek výrobce vtšinou udává maximální tepelný odpor chladie R. V praxi se tímto zpsobem chladie volí. Pro chlazení operaních zesilova jsem použil hliníkový chladi s tepelným odporem 1,1 K. W 1. Pouzdra obvod jsem od chladie elektricky odizoloval pomocí silikonových podložek (mezi pouzdry integrovaných obvod je rozdíl potenciálu 31V). Do spodního víka krabiky (pod chladiem) jsem vyvrtal otvory pro proudní vzduchu. Horní víko má nad chladiem také nkolik vtracích prduch. Tak je zajištno, že teplý vzduch od chladie bude stoupat vzhru a ven ze skín. Stejn tak bude stoupat i teplý vzduch z okolí transformátoru. Teplota na diodových mstcích pi maximálním výkonu nijak výraznji nevzrostla ani po dlouhodobjším provozu, takže chlazení mstk nebylo nutné. Žádné další výkonové souástky, které by bylo nutné chladit v zapojení nejsou. t 30

6 Mení parametr zesilovae Nyní popíšu výsledky mení na vyrobeném zesilovai. Vlastnosti zesilovae jsem zmil za použití digitálního osciloskopu Agilent (DSO 6034A/313483) a funkního generátoru Agilent (33220A/000135756). Mení probíhalo pi pokojové teplot. 6.1 Zesílení Na vstup zesilovae jsem pipojil funkní generátor, na kterém jsem nastavil sinusový signál. Na výstup jsem pipojil jmenovitou zátž 4 a dvoukanálovým osciloskopem jsem mil amplitudu vstupního a výstupního signálu piemž všechny potenciometry jsem ml vytoeny do krajní polohy tj. na maximum. Hlubokotónovou vtev jsem mil pi frekvenci 75 Hz, což je frekvence, pi které by dolní propust ješt nemla signál omezovat. Satelitní vtve jsem mil pi frekvenci 1 khz. Tab.2: Namené a vypotené hodnoty zesílení vtev Vstupní (mv) Uvýstupní (V) zesílení zesílení (db) zesílení teoretické(db) levý kanál 217 18,3 84,3 38,5 36,5 pravý kanál 222 18,1 81,5 38,2 36,5 hlubokotónová 280 11,4 40,7 32,2 37,1 Zesílení je pomrem velikosti výstupního a vstupního signálu. Pro pepoet na decibely se používá vzorec (14), kde Au znaí velikost zesílení v decibelech (db). Au 20log zesílení (14) Jak je z výsledk patrné, v pípad levého a pravého kanálu je zesílení ješt o málo vyšší, než bylo navrženo výpotem. V pípad hlubokotónové vtve o nco málo nižší. 6.2 Výstupní výkon Výstupní výkon jsem mil na odporové zátži 4 tak, že jsem postupn zvyšoval naptí na vstupu zesilovae, až se výstupní signál zaínal dostávat do limitace. Satelitní vtve jsem mil opt na frekvenci 1 khz a hlubokotónovou na 75 Hz. Na výstupech pravého a levého kanálu jsem namil shodné maximální naptí, které ješt nebylo v limitaci. Toto naptí mlo hodnotu 20,6 V (mezi vrcholy). 31

Obr.14: Výstupní signál levého kanálu pi mení výkonu Ke zjištní maximálního výkonu staí dosadit naptí a impedanci do vzorce (2). Za naptí se však dosazuje velikost jedné amplitudy, nikoliv amplitudy mezi vrcholy. Dosazujeme tedy naptí 10,3 V. Po dosazení vychází sinusový výkon jednoho kanálu na 26,5 W. Nutno však podotknout, že jsem pi mení výkonu neml k dispozici pístroj k mení zkreslení. Pokud však není pi výkonu 26 W na prbhu žádná deformace vidt, lze oekávat, že pi výkonech pod 20 W bude splnna forma Hi Fi, která povoluje nejvtší možné zkreslení 1%. Obdobn jsem mil i výstupní výkon hlubokotónové vtve. Zde jsem musel mit rychle, protože jsem ml k dispozici jen 60-ti wattovou zátž a tato zátž se pi mení dosti zahívala. Nejvtší výstupní naptí bez limitace, které jsem namil bylo 43,4 V (mezi vrcholy). Dosazením do vzorce (2) jsem zjistil hodnotu sinusového výkonu 118 W. Lze však pedpokládat, že hudební výkon bude ješt o nco vyšší. 32

Obr. 15: Výstupní signál hlubokotónového kanálu pi mení výkonu 6.3 Penosová charakteristika Penosovou charakteristiku jsem mil tak, že jsem na vstupech zesilovae mnil frekvenci a na výstupu (pi zatížení jmenovitou impedancí) odeítal amplitudu signálu (amplitudu vstupního signálu jsem udržoval konstantní). Z nejvtších výstupních hodnot jsem uril velikosti amplitud, pi kterých dochází k poklesu o 3 db. Pro levý kanál je to 2,83 V; pro pravý 3,009 V; a pro výstup hlubokotónový 3,54 V (hodnoty získané dosazením do vzorce 3). Z hodnot v tabulce 3 tedy vyplývá, že satelitní kanály mají penosové pásmo pibližn od 20 Hz až nad 100 khz. Výrobce obvodu TDA 7262 garantuje pásmo 40 Hz až 80 khz. Hlubokotónová vtev má penosové pásmo pibližn 12 Hz až 170 Hz. Horní mezní kmitoet pibližn odpovídá meznímu kmitotu aktivní propusti. Hodnoty výstupních naptí pi rzných frekvencích zobrazuje tabulka 3. Obrázky 16 a 17 zobrazují penosové charakteristiky všech kanál. 33

Tab.3: Výstupní naptí pi mení frekvenní charakteristiky Kanál levý pravý hlubokotónový frekvence (Hz) Uvýstupní (V) Uvýstupní (V) frekvence (Hz) Uvýstupní (V) 5 1 1,02 5 1,51 10 1,88 1,91 10 3,38 15 2,44 2,56 15 4,13 20 2,88 3,06 20 4,5 30 3,38 3,56 25 4,63 40 3,63 3,81 30 4,81 50 3,75 4 40 4,94 70 3,88 4,13 50 5 100 4 4,19 70 5 500 4 4,25 100 4,88 1000 4 4,25 120 4,69 20000 4 4,31 140 4,38 50000 3,94 4,25 150 4,13 80000 3,69 4,13 160 3,94 100000 3,5 4,06 170 3,69 190 3,25 220 2,69 250 2,25 300 1,63 400 1,06 500 0,75 útlum (db) 0 penosová charakteristika sate litních vtv í -3 Levý kanál pravý kanál -6-9 -12 f (Hz) 1 10 100 1000 10000 100000 Obr. 16: Penosová charakteristika satelitních vtví (penos 18 Hz 100 khz) 34

útlum (db) 0 penosová charakteristika hlubokotónové vtve -3-6 -9-12 f (Hz) 0 50 100 150 200 250 300 350 Obr. 17: Penosová charakteristika hlubokotónové vtve (penos 12 Hz 170 Hz) 35

6.4 Fázová charakteristika Fázovou charakteristiku jsem mil tak, že jsem na vstupech zesilovae mnil frekvenci sinusového signálu a na výstupu jsem zjišoval o jaký asový úsek je signál zpoždn. Fázový posun [] je pak dán vztahem: kde t. f.360 (15) t znaí asové zpoždní [s] a f je frekvence meného signálu [Hz]. Tab.4: Fázové posuvy výstupních signál satelity levý pravý hlubokotónový f (Hz) [] [] f (Hz) [] 10 88 87 5 64 20 53 56 10 103 50 29 29 15 125 100 17 17 20 140 250 9 9 25 153 500 6 6 30 162 1000 4 4 40 174 2500 4 3 50 176 5000 3 3 60 168 7500 2 2 70 159 10000 1 2 75 155 12500 1 1 80 152 15000 0 0 90 146 17500 0 0 100 140 20000 0 0 120 125 35000 8 11 140 111 50000 26 29 160 99 180 89 200 80 250 63 300 52 500 29 36

( ) 90 80 70 60 levý kanál pravý kanál 50 40 30 20 10 0 10 100 1000 10000 100000 f (Hz) Obr.18: Fázová charakteristika satelitních vtví ( ) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 f (Hz) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Obr.19: Fázová charakteristika hlubokotónové vtve 37

6.5 Peslechy mezi kanály Míru peslechu jsem mezi satelitními kanály jsem uril tak, že jsem jeden kanál vybudil na jmenovitý výkon (20 W do zátže 4 ) a na výstupu druhého kanálu jsem mil naptí. Z pravého kanálu na levý se pi tom dostávalo naptí o velikosti 563 mv. Z levého kanálu na pravý 606 mv. Pepotením podle vzorce 16 jsem získal míru peslechu 30,1 resp. 29,5 db. To jsou bohužel hodnoty nespl ující normu Hi Fi, nicmén se domnívám, že tento nedostatek nebude mít vtší vliv na kvalitu reprodukce. Na obrázku 20 mžeme vidt prbh naptí zachyceného osciloskopem na pravém kanálu. Obr. 20: Peslechové naptí na výstupu pravého kanálu Pro zjištní peslechu platí vztah 17, ve kterém U 1 znaí naptí na výstupu vybuzeného kanálu [V] a U 2 naptí na výstupu meného kanálu [V]. U U 1 peslech 20.log [db] (17) 2 38

6.6 Odchylka mezi stereofonními kanály Pi mení kmitotové charakteristiky bylo na obou vstupech stejné naptí. Na výstupu levého kanálu pi kmitotu 1 khz jsem namil naptí 4 V. Na výstupu pravého kanálu 4,25 V. Dosazením do vzorce 3 jsem získal hodnotu odchylky 0,53 db. Norma Hi Fi dovoluje odchylku až 3 db, takže zde je podmínka splnna s dostatenou rezervou. 6.7 Šum na výstupech zesilovae Šum zesilovae jsem mil tak, že jsem pipojil osciloskop na výstupy a potenciometry regulace hlasitosti otoil na minimum. V této poloze jsou vstupy uzemnny. V pípad, že bych to neudlal, na výstupu bych namil rušivé naptí, které se do zesilovae dostává pes vstupní kabel. Uzemnním vstup jsem tedy zajistil, že budu mit pouze vlastní šum zesilovae. Na výstupu pravého kanálu jsem namil efektivní hodnotu šumu 6,112 mv, na levém kanálu 5,966 mv a na hlubokotónovém 5,806 mv. Amplitudy zmil osciloskop ve všech tech pípadech stejné 8 mv. Namené hodnoty šum považuji za velmi dobré. Takto malá hodnota naptí v reproduktorech není slyšet. To potvrdila i poslechová zkouška. Obr.21: Šum na výstupu pravého kanálu 39

6.8 Vnitní impedance zesilovae Vnitní impedanci zesilovae jsem nejprve mil tak, že jsem koncové stupn vybudil naprázdno, zmil výstupní naptí a poté pipojil jmenovitou zátž a znovu zmil naptí. V obou pípadech jsem získal stejnou hodnotu výstupního naptí. Z toho plyne, že oba dva použit obvody TDA mají integrovanou jakousi zptnou vazbu, která ídí výstupní naptí. Výstupy obvod se tedy chovají jako dokonale tvrdý zdroj. Pokusil jsem se ješt laborovat s rznými zátžemi. U satelitních kanál jsem vždy dostal na výstupu stejn velké naptí. U hlubokotónové vtve se mi podailo získat rozdíl naptí pi zátži 6 a 4. Naptí na první zátži bylo 6 V ( U 1 ). Naptí na druhé zátži 5,905 V ( U 2 ). Mení probhlo opt na frekvenci 75 Hz. Obr. 22: Mení impedance hlubokotónové vtve Hledanou impedanci Ri jsem vypoetl ze známých rozdíl výstupních naptí a proud. Vztah (1) pro výpoet impedance jsem byl nucen poupravit. R i U ( U 1 2 (17) I U 2.( Rz2 Rz 1) U1 R z 2. R U z1 ) R z1 kde R i je hledaná vnitní impedance, z1 pipojeného R z2, U 2 je výstupní naptí s pipojeným R z2 R a R z2 jsou zátže, U 1 je výstupní naptí bez. Dosazením do vzorce 4 jsem získal hodnotu vnitní impedance 0,199. Zde jsem tedy normu Hi Fi opt splnil, protože ta požaduje pi použití reproduktoru 4 vnitní impedanci zesilovae pod 1,33. initel útlumu je v mém pípad pibližn 20. 40

7 Závr Zadání práce bylo splnno. Seznámil jsem se s problematikou návrhu nízkofrekvenních zesilova. Navrhl jsem vhodný zesilova pro zvukovou kartu poítae. Zesilova jsem vyrobil, oživil a zmil jsem jeho parametry. Tém u všech parametr se mi podailo splnit požadavky, které klade norma Hi Fi. Jedinou výjimkou je míra peslechu mezi stereofonními kanály, která má dle normy init nejmén 40 db. V mém pípad jsem zjistil hodnotu o 10 db nižší. Zesilova má na poslech velmi dobrý zvuk, neprodukuje žádné rušivé signály, v reproduktorech není slyšet síový brum. Na výstupy zesilovae jsem zkoušel pipojovat rzné reproboxy. Zjistil jsem, že kvalita zvuku závisí velkou mírou na kvalit reproduktor, na typu reproboxu, na jeho velikosti a objemu. Napíklad hlasitost na subwooferu o výkonu 70 W jsem nastavil tak, aby hrál s vyváženým pomrem hloubek k satelitním reproboxm. Poté jsem nechal hlasitost stejn nastavenou a pipojil jsem subwoofer o výkonu 350 W. Vinou jiné citlivosti tento reprobox tém nebyl slyšet. Nízkofrekvenní zesilovae vyrábné sériov nebývají vždy ideáln navrženy. Pedpokládá se totiž, že budou reprodukovat nejastji mluvené slovo pi malých hlasitostech. Výrobci asto používají mén výkonných transformátor, malých hodnot filtraních kapacit apod. To vše za úelem snížení výrobních náklad. Samotné parametry zesilovae, udávané výrobcem jsou též velmi asto pedimenzované a slouží pouze k pilákání zákazníka [informace získané pi opravách audiozaízení]. 41

8 Použitá literatura [1] KOTISA, Z.: NF zesilovae a jejich amatérská stavba, BEN, Praha 2001 [2] KOTISA, Z.: NF zesilovae Integrované výkonové zesilovae, BEN, Praha 2002 [3] MALINA, V.: Poznáváme elektroniku IV od A do Z, KOPP, eské Budjovice 2004 [4] MALINA, V.: Poznáváme elektroniku II, KOPP, eské Budjovice 1998 [5] TOMAN, K.: Reproduktory a reprosoustavy DEXON, BEN, 1.díl, 1.vydání [6] SVOBODA, J.: Píruka techniky hifi, SNTL, Praha, 1984, [7] asopis Amatérské rádio, roník IV/1999, íslo 3 [8] Datasheet obvodu TDA 7262, získaný (2.4.2009) z odkazu: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/t/d/a/7/tda7262.shtml [9] Datasheet obvodu TDA 7293V, získaný (2.4.2009) z odkazu: http://alpha.supplyframe.com/datasheetpdf/component/stmicroelectronics/tda7293v-datasheet?id=1583239 [10] asopis Amatérské rádio, roník V/1997, íslo 1 [11] BIOLEK, D.: Sbírka k pedmtu modelování a poítaová simulace 2005 [12] MUSIL, V.: Navrhování a konstrukce elektronických pístroj [13] http://cs.wikipedia.org/wiki/hi-fi (14.4.2009) [14] Vzorce pro výpoet výhybky, (získané 16.4.2009) z odkazu: http://www.hardwarebook.info/bessel_12db_lowpass 42

9 Píloha k bakaláské práci 9.1 desky plošných spoj Obr. 23: Plošné spoje napájecího zdroje (115,5 x 93,5mm) Obr. 24: Rozmístní souástek na desce zdroje 43

Obr. 25: Plošné spoje aktivní výhybky (131,13 x 53,66mm) Obr. 26: Rozmístní souástek na desce aktivní výhybky Obr. 27: Plošné spoje výkonových zesilova (131,13 x 53,66mm) 44

Obr. 28: Rozmístní souástek na desce výkonových zesilova 9.2 Seznam použitých souástek DPS napájecího zdroje: M1, M2 KBU8M M3 B380C1500F M4 B250C1500F C1-C4, C7-C10, C12-C15, C17-C20, C23, C24 100nF /63V C5, C6, C11 10mF /35V C16 100F /25V C21, C22 1mF /25V C23, C24 100nF /63V C25, C26 10F /25V IC1 78L12 IC2 79L12 45

DPS aktivní výhybky: R1, R4 100k R2, R3, R7, R13, R17 4,7k R5, R6 15k /1% R8, R10, R15, R16 10k R9 390 R11, R12 820 R14 33k C1 100nF /1% C2 47nF /1% C3-C8 100nF /63V C9 2,2F /25V C10 1F /25V C11 470F /25V C12 1mF /25V T1 BC 546 T2 BC 556 T3 BD 711 D1-D3 D4 1N4148 dvoubarevná led 5mm (spol. katoda) IO1, IO2 NE 5532 IO3 NE 5534 IO4 HCF 4040 3x Relé RELEH820F12C 46

DPS výkonových zesilova: R1, R3 1,2k R2, R4 18 R5, R6 1 R7 3,9 /2W R8, R9 22k R10 680 R11 10k R12 33k R13 22k C1, C2 22F /25V C3 22F /25V C4, C7, C9, C15, C18 100nF /63V C5, C16, C17 1mF /35V C10, C11 2,2mF /35V C6, C8 220F /35V C13, C23 1F /svitkový C19, C20 10F /63V C21 47F /63V C22 22F /63V D1 1N4148 IC1 TDA 7262 IC2 TDA 7293 Všechny použité rezistory jsou velikosti miniaturní. Výrobce udává jejich maximální možnou výkonovou ztrátu 0,25 W. Ostatní použité souástky: Pojistka tavná pomalá 1,6A Tlaítko spínací Síový vypína (250V /5A) Hliníkový chladi s žebrováním (250x 90mm) Potenciometr dvojitý logaritmický PC1622NK050 Potenciometr dvojitý logaritmický PC1222NK100 2x Toroidní transformátor vyrobený na zakázku: Primární naptí 230V, sekundární naptí 2x22V/ 3A; 22V/ 3A; 10V/ 0,5A; 2x12V/ 0,5A, výkon 215VA. 47