Hi-Fi Solid-state Аудио Усилвател

[Mairomaster]

Имам проект за университета, да проектирам и построя аудио hi-fi усилвател, че реших да споделя напредъка си до момента.
За пръв път се занимавам със solid state усилватели и предполагам доста пропуски имам още, но се постарах да разуча материята до колкото мога, за времето което имах.

Това е листа със спецификациите, които трябва да постигна (преведени от английски):

-Изходна мощност: до 20W при синосоидален сигнал и 8 Ohm резистивен товар
-Ниво на входния сигнал: 0 dBV от източник с вътрешно съпротивление 1 kOhm за максимална мощност на изхода

-Изходно съпротивление: <0.1 Ohm
-Честотна характеристика: 20 do 20 kHz (-1 dB)

-Стабилност: Отлична стабилност при резистивни и индуктивни товари. Добра стабилност при капацитивен товар, с размер от порядъка на капацитета на кабелите за връзка с озвучителни тела.
-Динамичен диапазон: >100 dB

-Защита срещу късо съединение: Препоръчителна
-THD: При 10W изходна мощност - 0.1% добре, 0.01% много добре.

Това е схемата, която съм разработил до момента:
http://media.snimka.bg/s1/1799/029841297-big.jpg?r=0

Spice файл:
https://dl.dropbox.com/u/59307400/Audio_Amp.asc

Поради липса на наличност на необходимите транзистори в circuit lab, като имена на транзисторите съм задал моделите на транзисторите, които ще ползвам (демек гледайте първото, по-горно обозначение за всеки транзистор). Поради същата липса в LTSpice, за симулацията използвам транзистори с близки характеристики.

Все още някои елементи не са добавени, като защита от късо съединие на изхода, някои евентуални decoupling кондензатори и евентуално други дребни неща. Също за сега работя с идеален източник на входно напрежение. Има още работа по някои от стойностите на компонентите като цяло, с цел подобряване на работата, но като цяло това е общата идея.

За транзисторите, имах избор от наличните транзистори в склада на университета. В случай на предложения за смяна на някой транзистор, това е списъкът на тразнисторите с които разполагам:

NPN: BC182L, BC184L, 2N2369, 2N3440, ZTX651, ZTX653, TIP31C, TIP3055

PNP: BC212L, BC214LC, 2N5416, ZTX753, TIP32C, TIP2955

Относно захранването, разполагаме с готови такива. Моделът е TTi TS3022S, което за дадената цел, мисля че е достатъчно добро.

За дизайна не знам какво още да добавя. Ползвам стандартни похвати, като се стремя към надеждност и възможно най-добри характеристики. Цената не е фактор в случая.

Очаквам мненията ви.

 

Редактирано Март 5, 2013 от Mairomaster

[Valeri_pj]

Добро начинание си подхванал.Аз лично не съм завършил висше но сина завърши миналата година електроника и дипломната му работа беше подобна.Само че ние (предимно аз де ) подходихме по друг начин.Построихме един Quad 405  с готови платки от млад конструктор .Захранващия траф се наложи да му развия вторичните и после да навия нови такива за да достигна нужното напрежение (двуполярно).Използвах готов мощен грец и 4 кондензатора по 10000 uF.Получи се добър усилвател.Съответно писмената работа си я свърши господин инжинера (тоест сина).В последствие добавихме и една платка пак КИТ за закъснение на пускането и защита от късо на изхода.Общо взето това е.Така че давай смело напред.

[Parni_Valjak]

Не мисля, че е подходящо мястото за търсене на мнения относно един проект, изискващ академичен подход.

Бих искал да видя коментариите, които ще последват.

Дано срокът за предаване не е твърде скоро...

[Mairomaster]

Имам около месец да поработя още, но по-скоро проблемът ми е, че вече съм до фаза, където нещата отиват твърде дълбоко, и нито ми е на нивото на знанията (преди няколко седмици се захванах с проекта, като преди това доооста бегли познания имах), нито от мен се очаква да направя кой знае какво.
Все пак спецификациите не са чак толкова трудно постижими мисля, при положение, че би трябвало да могат да се постигнат с доста по-прост дизайн, с доста повече недостатъци, по думите на преподавателя. Но аз все пак се целя малко по-горе от спецификациите де.
Тъй като вече имам необходимата мощност, стабилност (предполагам, така излиза при симулациите) и повечето характеристики в спецификациите, от тук нататак мисля да се съсредоточа, най-вече в подобрения, за подобряване на изкривяванията.
Ще се радвам, ако все пак си изкажеш мнението за дизайна ми, без да е нужно да навлизаш в големи подробности.
Отворен съм към въпроси.

Редактирано Март 5, 2013 от Mairomaster

[Parni_Valjak]

Стабилността не е толкова проста работа....Освен, ако в стара Англия също са преминали на нашенски тип образование и вместо да се анализира и разсъждава се залага на компютъра, който да мисли вместо човека.

Почти всички режими са непрактични, дори някои са прекалено неудачни.

Наблъскването на много елементи не е интелигентното решение.

Толкова нискочестотни изходни транзистори са калпава работа.

Имаш неправилни стойности на елементи.

Отдалече личи че не си на "ти" с материята, но това е нормално, все пак ти е за първи път.

Заданието определя някои специфични изисквания, но това не означава, че всичко останало е без значение. Има стандарти, които са валидни за всички нискочестотни усилватели, други  са валидни за стандарта HI-FI, трети са общоприети при даден клас разработки.

Понеже споменаваш не само схемата, но и изработката, трябва да "вмъкнеш" в проекта и тези неща, които не са в схемата. Това означава също да разшириш симулациите с еквивалентните "елементи" на практическата конструкция, паразитните елементи, термодинамиката, електромагнитните влияния вътре в конструкцията, влиянията на околната среда, че и случаите на интервенция на потребителя....Да не забравя проверките за допуските в стойностите и диференциалната чувствителност от дисперсията... 

В заданието има някои неща, които са много неясни. Къде си работил в проекта с вероятните капацитети на кабелите за озвучителните тела? А тези кабели да не висят във въздуха? Колко са капацитетите от страна на озвучителните тела?

Мати Отала направи PH.D. във връзка с параметрите на озвучителните тела и изследва десетки за целта.

 

Къде са ти сметките по проектирането на схемата? Тези, които са  довели до избраните стойности и видове?

Симулацията има съвсем друга същност - да се провери и интерактивно да се "движи" проекта до постигане на определени качества..

Би трябвало да имаш и "канавата" на целия проект. Схемата е малка част от същността на проекта. Поне по мое време нещата бяха наистина академични, а не любителски - на принципа "тука има, тука нЕма...

 

 

Изобщо задачата е доста...неопределена, особено за начинаещ. 

В края на краищата трябва поне да изясниш с ръководителя си до каква степен да навлизаш навътре, без да се окаже, че не си си свършил работата.

Трябва да имаш доказателства за избора на всеки компонент и за взаимовръзката им поне в рамките на определено стъпало или фукционална група.

 

А, бе казах, че не е за тук темата, ама дано бъркам и да се обадят други хора. Само да не стане ала бала.

Редактирано Март 5, 2013 от Parni_Valjak

[Evtim Djerekarov]

Както валяка каза, въпросът със стабилността не е никак прост. Като прибавим и влиянието на конструкцията и разликите между спецификациите на компонентите и реалността, нещата стават още по-сложни. Досега съм правил няколко относително прости усилвателя и не съм имал проблем с осцилации(поне не под 20MHz, колкото ми "вижда" осцилоскопа), но опита ми със симулации на по-авангардни решения, не е много розов и поради тази причина, не съм ги лепил на платка.

 

Гледйки схемата ми се струва, че си се ръководил от Cordell / Self. Ако смяташ, че си направил добре изчисленията, можеш да сглобиш прототип и да го пробваш при различни товари. Ако имаш възможност постепенно да му увеличаваш захранващото напрежение и измервателна апаратура да наблюдаваш какво става при различни товари, както и изходни съпротивления на източника, а също да измерваш изкривяванията, мисля, че сам можеш да стигнеш до правилните изводи за топологията, която си избрал. Не мисля, че можеш да подминеш прототипната фаза, без значение колко добре си сметнал всичко.

 

Наговорих ти малко общи приказки, но наистина по темата за стабилността на аудио усилватели като че ли не е писано твърде подробно(поне книгите, които аз съм чел елегантно се плъзгат по тая тема и не казват нищо кой-знае колко съществено) , особено що се отнася до паразитни ефекти, които водят до осцилации във високи честоти ( 1 - 100+MHz ). За проектиране на по-сложни решения  е необходимо добро познаване на материята, както и натрупване на практически опит. Аз лично не съм срещал добро практическо четиво на тая тематика. Повечето хора, които пишат книги за аудио усилватели, разчитат че тия неща са известни на читателя, а това най-често не е така.

 

На практика, всичко, което ползва обратна връзка e обект на теорията на управлението и добрата теоретична "подложка" е важно условие за правилното ориентиране в сферата на аудио усилвателите.

 

Въпреки, че имам известен практически опит, не се чувствам удобно да давам конкретни съвети по схемата, която смяташ.

Редактирано Март 5, 2013 от Evtim Djerekarov

[Parni_Valjak]

Mairo, ако не ти представлява проблем, запознай ме с нивото до което си стигнал в процеса на учение. Главно, кои са предметите и до какво ниво в тях сте стигнали.

Например: математика, теоретична електротехника, полупроводникова техника, основи на схемотехниката и т.н. Времетраене на курсовете, такива нещица.

 Така ще мога да се ориентирам и да не пиша за неща, с които не си запознат.

 

Имай предвид, че занаятчийското отношение към електрониката, което е предмет на разглеждане във форума има твърде малко, дори нищо общо с материята, с която си се захванал. Затова трябва сериозно да се преориентираш в ценностите характерни за висшето академично образование in Great Britain.

Редактирано Март 5, 2013 от Parni_Valjak

[Mairomaster]

@Parni_Valjak

 

Стабилността не е толкова проста работа....

Знам че е доста сложно там. За сега я тествам със симулации, понеже това ми е най-лесният и сигурен начин за това. Иначе в четвъртък трябва да почна да сглобявам прототипа, понеже имаме срокове за спазване. След седмица и половина обаче, започва пролетната ваканция, в която ще мога да поработя върху усилвателя доста и да правя неограничен брой промени по протопита.

 

Наблъскването на много елементи не е интелигентното решение.

 

По принцип всяка група съм я слагал с някаква цел, с идеята че това подобрява работата като цяло. Естествено на някои места може да се окаже че съм усложнил нещо, без това да води в съществена промяна на работата, заслужаваща си "оптимизацията". По принцип започнах от най-простата топология и прибавях подобрения. Кофтито обаче е, че повечето от тях на теория помагат най-вече за намаляване на distortion-a, а тестове на distortion ще мога да правя чак през ваканцията, поради недостиг на време в момента. То и там не ми е много ясно как ще стане, но да кажем че ще се помъча.

 

Толкова нискочестотни изходни транзистори са калпава работа.

С това разполага университета. Те предполагам имат и по-прилични елементи в специализираните лаборатории, но тъй като първа и втора година се правят прости проекти по принцип, в общият склад има само гореизброените транзистори.

 

Имаш неправилни стойности на елементи.

 

Някои от елементите, както казах, не съм ги смятал още. При такива елементи съм сложил стойности, колкото да има за симулациите и да не прецакват много работата като цяло.

 

Понеже споменаваш не само схемата, но и изработката, трябва да "вмъкнеш" в проекта и тези неща, които не са в схе....

 

Съгласен съм, че това е правилният начин за проектирането на един добър усилвател, но в моя случай, просто няма как да се вземат предвид толкова много променливи, понеже се усложнява твърде много модела. За това доста работи се пренебрегват и се оставят тези, които имат най-голямо влияние.

 

В заданието има някои неща, които са много неясни. 

 

Самите спецификации, както забелязваш са доста упростени. Това загатва какво е средното ниво на студентите, за които е готвен проекта и какви са очакванията от тях.

 

Къде са ти сметките по проектирането на схемата?

Сметките са ми пръснати на приличен брой места в една тетрадка. Като пиша финалният доклад (абе така ли e Report в българските университети?), тогава ще ги структурирам добре.

 

 

В края на краищата трябва поне да изясниш с ръководителя си до каква степен да навлизаш навътре, без да се окаже, че не си си свършил работата.

Трябва да имаш доказателства за избора на всеки компонент и за взаимовръзката им поне в рамките на определено стъпало или фукционална група.

 

Ръководитят на пръв поглед е доволен от дизайна, това с уговорката че му е хвърлил едно око за 2 минути, при схема с липсващи стойности на компоненти. В четвъртък ще го питам за крайно одобрение, преди да започна да сглобявам първият прототип.

Относно доказателството за всеки компонент, при проект на това ниво, няма как да стане, по няколко причини. Едната е, че ще стане огромен report, като за дизертация. Освен това няма нито достатъчно време, нито ни е на нивото в момента. Но от опита ми до сега, съдя че проверяващите се радват като си направил добре работещо устройство и ти влизат в положение, че не можеш да обясниш всичко което си правил, като за Phd проект.

 

Затова трябва сериозно да се преориентираш в ценностите характерни за висшето академично образование in Great Britain.

 

Не знам до колко си запознат с инженерното образования в UK в момента, но си мисля, че ако се запознаеш малко повече, ще се хванеш за главата. Хич не тръгва на добре работата си мисля, но поне ти дават добра възможно и средства, ако ти се учи, да учиш сам. А и не мисля че имаш кой знае колко по-добра възможност за образование, на повечето места по света. Но това е друга дълга тема де...

Ще ти пратя на Л.С. конспект на материала който учим. Благодаря за помощта!

 

 

 

@Evtim Djerekarov

 

Гледйки схемата ми се струва, че си се ръководил от Cordell / Self.

 

Правилно ти се струва Това са едни от доста малкото полезни книги които намерих по темата. Прототип както казах вече, ще направя така или иначе. Относно измерването на изкривяванията, не съм сигурен че ще имаме достъп до нужната апаратура за това. По думите на студент който е правил проекта миналата година, тестовете за изкривяванията са ги правили единствено софтуерно, чрез симулации. Но тази година не знам как ще е, може и да се докопам до някой анализатор.

 

Аз лично не съм срещал добро практическо четиво на тая тематика.

 

И на мен ми направи голямо впечатление, че по една толкова известна тема, има толкова малко качествени книги. То може и доста пропуски да имам, но за няколко часа търсене в google и разни форуми, намерих всичко на всичко 3 книги, в които е изнесена информацията добре.

[Parni_Valjak]

OK. I'll wait for the final report and the constructional project. Then I'll have what to comment on. In the meantime, think carefully about the long tale pair and the currents of the mirrors!( for balanced operation the sum of the currents at the output must equal the tale current!)

Good Luck!

[7thString]

Само да направя международна вметка:

"абе така ли e Report в българските университети" - в твоя контекст report = протокол за курсова/дипломна работа

[Mairomaster]

^^ Един ден и половин нощ съм мислил върху дизайна на диференциалния вход, като към това слагам и доста четене по темата, и не можах да разбера къде виждаш дисбаланс. Както на теория, така и от симулацията (тази от прикачения по-горе spice файл), ми излиза че всичко е прилично балансирано. Освен и в теорията и в симулацията да бъркам.

П.П. Дисбаланс от рода на 0.3% между тоците от двете страни, предполагам не е много.

П.П.П. Абе да знаете дали от много кафе може да се умре  

Редактирано Март 6, 2013 от Mairomaster

[7thString]

Кофеинът е едно от най-токсичните вещества за човека(демек с най-малка летална доза), та - да - може Едно от най-гадните ми изживявания е да препия с кафе - чувстваш се пиян и неадекватен, но вместо да ти се доспи както когато си пиян, седиш и се въртиш

[Mairomaster]

Мдам, знам за какво говориш 

[Parni_Valjak]

I just gave an example. The problem exists and it's your task to find the source of imbalance. It maybe in the long tale pair, or in the following stages.

The output voltage w/o NFB must be 0 volts approximately.

 

 

Редактирано Март 6, 2013 от Parni_Valjak

[Evtim Djerekarov]

Струва ми се практчески доста трудно, почти невъзможно, да имаме 0V в точка VF3, без обратна връзка.

Дори съвсем малък дисбаланс веднага би направил изходното напрежение близко до едно от захранващите напрежения, а както е зададено условието - обратна връзка няма.

Редактирано Март 7, 2013 от Evtim Djerekarov