Использование аудио ОУ LM1875 не по прямому назначению. Часть 2. Конструкция

Часть 1

Часть 4 – устройство идентификации и индикации факта перехода ИП в режим ограничения тока (правая нижняя часть схемы Рисунка 1).

Как следует из справочного листка на L200, переход этого стабилизатора в режим ограничения тока происходит при напряжении между выводами 5 и 2 (V_5-2) равном 0.45 В. Однако это типовое значение. На самом деле V_5-2 может варьироваться от 0.38 В до 0.52 В в зависимости от экземпляра микросхемы L200. Как было выяснено, у экземпляра L200, использованного автором, этот переход осуществлялся при V_5-2 = 0.42 В – 0.43 В. Цель устройства, во-первых, как-то идентифицировать этот переход, и, во-вторых, индицировать его с помощью светодиода.

Поскольку работать с такими малыми напряжениями (0.42 В – 0.43 В) очень неудобно, вначале необходимо, во-первых, усилить V_5-2 раз в 20 с помощью усилителя и, во-вторых, привязать выходное напряжение этого усилителя к «земле», поскольку сами потенциалы V₅ и V₂ близки к выходному напряжению L200. Эту задачу с успехом выполняет классический дифференциальный усилитель (ДУ) с привязкой выходного напряжения к «земле», построенный на ОУ DA4.2 и четырех резисторах R10 – R13. Коэффициент усиления, K_У, этого ДУ равен отношению резисторов: K_У = R10/R11 = R12/R13 = 19.6 (т.е. около 20), а привязка выходного напряжения к «земле» осуществляется заземлением входа опорного напряжения ДУ: это верхний по схеме вывод R10. На вход ДУ подается V_5-2. Таким образом, при V_5-2 = 0.42 В – 0.43 В выходное напряжение ДУ будет изменяться в пределах 8.23 В – 8.43 В (при K_У = 19.6) и 8.4 В – 8.6 В (при K_У = 20), что нетрудно подсчитать. Далее это напряжение подается на вход триггера Шмитта (ТШ), построенного на ОУ DA4.3 и четырех резисторах R14 – R17. Этот ТШ представляет собой обычный компаратор, на инвертирующий вход которого (вывод 9 DA4.3) подается выходное напряжение с выхода ДУ, а на неинвертирующий вход (вывод 10 DA4.3) – опорное напряжение, снятое с делителя (R14 – R16) напряжения питания (+34 В). Положительная обратная связь (ПОС) с помощью резистора R17 превращает этот компаратор в ТШ, имеющмй два устойчивых состояния: это сброшенное состояние (reset), при котором выходное напряжение находится в высоком уровне (близком к напряжению питания) и взведенное (set), при котором выходное напряжение находится в низком уровне (почти «земля»). Если выход ТШ находится в высоком уровне, то резистор R17 оказывается параллельно подключен к резисторам R14 и R15, которые в сумме составляют 10 кОм (при среднем положении движка R15). В этом случае напряжение верхнего порога переключения ТШ V_ВП = 8.56 В (что нетрудно подсчитать). Если выходное напряжение ТШ находится в низком уровне, то R17 оказывается подключен параллельно R16. В этом случае напряжение нижнего порога ТШ V_НП = 7.62 В (что также нетрудно подсчитать). Гистерезис ТШ составляет V_ВП – V_НП = 8.56 В – 7.62 В = 0.94 В (т.е. около 1 В). Таким образом, в исходном состоянии, т.е. когда выходное напряжение ДУ меньше 8.56 В, выходное напряжение ТШ находится в высоком состоянии. Но как только выходное напряжение ДУ достигнет 8.56 В, выходное напряжение ТШ скачком переключится в низкий уровень (не забываем, что ТШ инвертирующий). При уменьшении напряжения ДУ и при его достижении нижнего порога (7.62 В), выходное напряжение ТШ опять скачком переключится в высокий уровень. Подстройка порога переключения ТШ осуществляется резистором R14. Таким образом и происходит идентификация перехода L200 в режим ограничения тока (и обратно – в режим стабилизации напряжения).

Для индикации этих двух состояний ТШ используется полноцветный RGB светодиод ARL-5613RGBW/4A с общим анодом (ОА) и матовой линзой диаметром 5 мм (LED3, Рисунок 2) и еще один компаратор, построенный на ОУ DA4.4. К контактам светодиода (красному, зеленому и ОА) припаян 3-проводный кабель, на втором конце которого расположено 3-контактное цанговое гнездо SIP-3 (X5', Рисунок 2). Это гнездо подключается к 3-контактному штыревому цанговому разъему X5, расположенному на плате. В качестве опорного напряжения компаратора используется опорное напряжение для ТШ (около 8 В), т.к. оно достаточно далеко как от напряжения питания (+34 В), так и от напряжения «земли» (почти 0 В). Это напряжение через резистор R20 подключается к неинвертирующему входу ОУ DA4.4 (вывод 12). А выход ТШ через резистор R19 подключается к его инвертирующему входу (вывод 13). Резисторы R18 и R21 – токоограничивающие. Если выходное напряжение ТШ находится в высоком уровне (штатный режим работы), то выходное напряжение компаратора на DA4.4 (вывод 14) находится в низком уровне, т.к. компаратор инвертирующий. В этом случае на катод красного светодиода подается почти напряжение питания (так же, как и на анод), поэтому красный светодиод гореть не будет. А вот на катод зеленого светодиода подается низкий уровень напряжения (с выхода компаратора), поэтому зеленый светодиод будет гореть. При возникновении перегрузки по току зеленый светодиод гаснет, а красный зажигается.

Несмотря на такое достаточно «пространное» объяснение принципа работы платы, она достаточно миниатюрна (см. далее). Как ни странно, счетверенный ОУ MC34074 (стоимостью около 20 руб.) почти в 5(!) раз дешевле сдвоенного MC34072 (70 – 110 руб.), так что стоимость комплектующих платы также невысока.

Помимо платы в ИП используются следующие дополнительные компоненты (Рисунок 2). Это трансформатор ≈ 220/36 В (Т1) мощностью в 50 Вт, выпрямитель на диодах VD1 – VD4, сглаживающий конденсатор C1, светодиоды LED, LED2 (со своими токоограничительными резисторами R1 – R4), индицирующие наличие выходных напряжений, клеммы B1 – B3, к которым подключаются выходные напряжения ИП и дублирующий выходные напряжения разъем РС4ТВ(В) – X1. О резисторах R4' и R5' уже упоминалось выше.

Размах пульсаций выходных напряжений ИП при токе 1 А не превышает 2 мВ, при токе 0.5 А – 1 мВ, при меньшем токе – меньше 1 мВ.

Разводка и внешний вид платы

Разводка всех плат сделана автором с помощью программы Sprint-Layout 6.0, а ссылку на файл разводки в формате *.lay6 можно найти в разделе Загрузки. Рисунки разводки и фотографии самой платы ИП (Рисунок 5) специально расположены в таком порядке, который позволяет сравнить их между собой.

Рисунок 5.	Разводка и внешний вид платы ИП со стороны расположения SMD компонентов (а, в) и с обратной стороны (б, г).

Отличительная особенность разводки: через все переходные отверстия (со слоя на слой) проходят выводы мощных микросхем или конденсаторов. Эти выводы пропаиваются с двух сторон платы. Это позволяет обойтись без металлизации отверстий – технологически достаточно сложной процедуры при изготовлении плат своими силами. В качестве примера можно привести конденсатор C15 (Рисунок 1). Он неслучайно выбран выводным, т.е. предназначен для навесного (а не для поверхностного) монтажа. Основная его функция – он положен по штату работы DA4 как блокировочный и должен быть установлен между выводами питания и «земли». Вспомогательная его функция – подводка питания и «земли» (с одной стороны платы) к DA4, расположенной на другой её стороне, как раз через выводы C15. Этот конденсатор можно заметить на Рисунке 5г (он жёлтого цвета).

Конструкция ИП

ИП расположен в небольшом корпусе (G418) размером 150×80×60 мм (Рисунок 6).

Рисунок 6.	Общий вид ИП в открытом корпусе.

Трансформатор, сглаживающий электролитический конденсатор и выпрямительные диоды (прикрученные к небольшой алюминиевой пластине) укреплены на днище корпуса. Плата не имеет крепежных отверстий, поскольку держится на достаточно жестких выводах всех трех микросхем к корпусе ТО-220. Сами микросхемы прикручены к игольчатому радиатору винтами через керамические теплопроводящие прокладки с использованием теплопроводной пасты КПТ-8. Радиатор закреплен на задней стенке корпуса, в которой для платы прорезано прямоугольное окно. На задней стенке также расположен выключатель питания и резиновая втулка, через которую пропущен сетевой провод. Керамический предохранитель с выводами под пайку (ВП4-3 1А) размером 3×7 мм одним концом припаян к выключателю, а вторым – к сетевому выводу трансформатора. Для исключения случайного касания оголенных контактов с сетевым напряжением на предохранитель надета ПВХ трубка (кембрик). На передней стенке корпуса (Рисунок 7) расположены светодиоды в специальных оправках, потенциометры, регулирующие выходное напряжение и порог защиты по току, клеммы и разъем с дублирующими напряжениями. К днищу корпуса приклеены резиновые ножки, входящие в комплект поставки корпуса. Обе половины корпуса скручиваются винтами М3 впотай.

Настройка ИП

Настройка ИП сводится к получению рисок на шкале, соответствующих определенному току и углу, на который необходимо повернуть ручку потенциометра, регулирующему порог защиты по току (Рисунок 7). Для этого автор использовал три прецизионных резистора: 400 Ом, 0.25 Вт с точностью 0.05%; 100 Ом, 5 Вт, 1% и 30 Ом, 15 Вт, 1%. Кроме этого необходим цифровой вольтметр (или цифровой тестер, работающий в режиме вольтметра).

Резисторы и вольтметр подключались к двум крайним клеммам ИП (чёрная и красная). Потенциометром, регулирующим выходное напряжение, выставлялось необходимое напряжение, а потенциометром, регулирующим порог защиты по току, устанавливался угол поворота, соответствующий определенному току.

При выходном напряжении 8 В через резистор 400 Ом, как нетрудно подсчитать, проходит ток 20 мА. Риска для этого тока должна быть в самом крайнем левом положении ручки потенциометра (повернутом против часовой стрелки), регулирующего ток. В этом положении ручки при увеличении напряжения выше 8 В должен загореться красный светодиод, а при снижении напряжения ниже 8 В – зеленый. Настройка тока 20 мА осуществляется подстроечным резистором R4 (Рисунок 1) в открытом корпусе. Возможна также некоторая подстройка резистором R14 порога триггера Шмитта. После того как настроен ток 20 мА, все дальнейшие настройки можно уже проводить в закрытом корпусе.

При напряжении 20 В ток через резистор 400 Ом будет равен 50 мА. Это вторая риска на шкале.

Далее подключается резистор 100 Ом. При напряжениях 10 В и 25 В токи, соответственно, будут 100 мА и 0.25 А (следующие 2 риски). После этого подключается резистор 30 Ом. При напряжениях 15 В и 30 В токи, соответственно, составят 0.5 А и 1.0 А (последние две риски).

Рисунок 7.	Общий вид ИП в сборе.

Для точного получения положения рисок автор вначале распечатал шкалу тока с сеткой с шагом 1 мм (Рисунок 8). Эта шкала была приклеена скотчем с двусторонним липким слоем на место основной шкалы тока. После получения рисок (обычным тонким маркером), эти риски были перенесены на шкалу, сетка и окружности удалены, и шкала была распечатана и приклеена на свое место (Рисунок 7). Все это было выполнено в программе разводки плат (Sprint-Layout 6.0). Шкала с сеткой (Рисунок 8) и без сетки и окружностей (Рисунок 7) добавлена в файл разводки плат, приведенный в дополнительных материалах на сайте журнала.

Рисунок 8.	Шкала тока с сеткой.

Заключение

Приведенные в статье устройства свидетельствуют, что микросхема мощного аудио ОУ LM1875T, предназначенная для построения на ее основе УМЗЧ, с успехом может использоваться в прикладных задачах, напрямую не связанных с её аудио приложениями.

Литература

1. Кузьминов А. Ю. Электронные устройства. Современные аппаратные и программные средства. – М.: Перо, 2021.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM1875T
2. Datasheet ON Semiconductor MC34074
3. Datasheet Texas Instruments LM4780
4. Datasheet STMicroelectronics L200
5. Datasheet Semitec S-562T
6. Datasheet Arlight ARL-5613RGBW/4A
7. Datasheet Vishay BZT52
8. Datasheet Taiwan Semiconductor MBRF20100
9. Datasheet Kyocera FRH20A10

Загрузки

1. Дополнительные материалы к статье