30 września 2013

Stacja dokująca dla tableta z systemem Android

Urządzenie to powstało jako rozwiązanie praktyczne zadania numer 199 cyklu "Szkoła konstruktorów" czasopisma "Elektronika dla Wszystkich". Tematem zadania było "Zaproponować urządzenie elektroniczne przydatne uczniom lub studentom".

Moja propozycja to stacja dokująca dla tableta z systemem operacyjnym Android. Co prawda urządzenie to może służyć nie tylko uczniom i studentom, ale jak wynika ze statystyk to właśnie uczniowie i studenci stanowią 80% użytkowników tabletów. Tablet z uwagi na małą masę i rozmiary może być zabierany do szkoły czy na uczelnię. Można na nim korzystać z internetu (poprzez WiFi lub modem GSM), czytać podręczniki lub dokumentację z plików PDF czy DOC, przygotowywać notatki i.t.d. Po powrocie do domu, internatu czy akademika i podłączenia tableta do stacji dokującej, całość tworzy system w wielu zastosowaniach zastępujący z powodzeniem komputer PC.

Zaprojektowana stacja dokująca w założeniach to połączenie w jednym urządzeniu zasilacza-ładowarki, hosta USB oraz wzmacniacza akustycznego wraz z głośnikami. Wszystko to w zgrabnej, gustownej obudowie stanowiącej jednocześnie podstawkę.

W konstrukcji obudowy zastosowałem połączenie aluminium i czarnej pleksi. Jest ona stylistycznie dopasowana do wyglądu samego tableta, a przy tym prezentuje się niezwykle szykownie. Zewnętrzna ramka jest wykonana z odpowiednio wygiętego aluminiowego kątownika. Spód to kawałek blachy stalowej przykręcony do kątownika za pomocą śrubek M3. Całość tworzy mocną i sztywną skrzynkę (fotografia 1). Akrylowa płyta wierzchnia posiada szereg otworków po obu stronach w miejscu gdzie znajdują się głośniki. Jest ona przykręcona do spodniej płyty za pomocą śrub imbusowych M4 poprzez dystansowe, przedłużone nakrętki. Tymi samymi śrubami przymocowane są też głośniki.
Fot.1 Stacja dokująca wewnątrz
Wewnątrz stacji dokującej, oprócz głośników z gąbkowym wytłumieniem, znalazło się też miejsce na elektronikę. Z prawej strony umieściłem fabryczny, 4-portowy hub USB. Gniazda USB są dostępne z zewnątrz poprzez prostokątne otwory wycięte w aluminiowym kątowniku. Hub jest połączony z tabletem za pomocą przewodu z wtykiem Micro-USB OTG. (Aby uaktywnić funkcję Hosta USB wtyk musi mieć zwarte piny nr 4 i 5).
Fot.2 Detal
Centralną część stacji (fotografia 2) zajmuje specjalnie zaprojektowana płytka elektroniki. Zawiera ona dwa scalone wzmacniacze akustyczne TBA820M do wysterowania głośników, oraz dwie przetwornice impulsowe na układach MC34063. Całość jest zasilana zewnętrznym zasilaczem wtykowym 12V. Przetwornice miały za zadanie zasilać: pierwsza - tableta (zamiast zewnętrznej ładowarki), a druga - Hub aktywny (aby dołączone do niego urządzenia USB nie obciążały baterii tableta). Schemat przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1 Schemat urządzenia
Niestety urządzenie po zmontowaniu nie działało zgodnie z oczekiwaniami. Po podłączeniu przewodu USB lub DC do ładowania tableta w głośnikach słychać ostry pisk. Początkowo sądziłem że to przenoszenie się zakłóceń z przetwornicy impulsowej zasilacza na wzmacniacz akustyczny. Efekty dźwiękowe były dosyć przykre zatem postanowiłem pozbyć się kłopotliwej przetwornicy i zastąpić ją stabilizatorem liniowym.

Ale po tej modyfikacji nic się nie poprawiło. Prawdziwą przyczyną problemów z wzbudzaniem była bowiem pętla masy. Okazało się że tablet posiada inne potencjały masy cyfrowej (gniazdo USB) i analogowej (gniazdo słuchawkowe minijack). Ponieważ sygnał dla wzmacniacza był pobierany z gniazda słuchawkowego, to przy podłączonych obu wtyczkach do tableta masa zwierała się w obwodach stacji dokującej powodując nieprzyjemne efekty dźwiękowe.

Po bezskutecznej walce z rozdzieleniem mas postanowiłem zrezygnować z obwodów zasilających tablet i hub (przetwornic). Po tej modyfikacji urządzenie działa poprawnie, chociaż niestety bez pełnej zakładanej funkcjonalności...

31 sierpnia 2013

Panel przedni z trawionego aluminium

Panel przedni stanowi wizytówkę urządzenia elektronicznego. Zanim zajrzymy do wnętrza obudowy (nie zawsze jest taka możliwość), to po wyglądzie frontu oceniamy zawartość. Estetycznie i funkcjonalnie wykonany sprawia że całe urządzenie wygląda poważnie i profesjonalnie. Dobry materiał na wykonanie tego istotnego elementu obudowy to aluminium. Jest ono lekkie, łatwe w obróbce (czasem zbyt łatwe), ale mimo to solidne i bardzo trwałe. Przygotowania wymaga jednak powierzchnia aluminium i najczęściej stosuje się do tego proces anodowania.

Anodowanie

Anodowanie zabezpiecza przed korozją, podnosi twardość powierzchni oraz poprawia walory estetyczne. Ponadto aluminium można w trakcie tego zabiegu zabarwić. Niestety anodowanie to skomplikowany pracochłonny i kosztowny elektrochemiczny proces. W specjalnej metalowej wannie z elektrolitem (mocny kwas siarkowy lub ortofosforowy) zawiesza się element aluminiowy. Całość podłącza się do źródła stałego prądu elektrycznego - minus do wanny, a plus do anodowanego elementu (stąd anodowanie od anoda - elektroda dodatnia) - rysunek 1. W wypełniającym wannę kwasie zachodzi elektroliza z wydzielaniem tlenu na anodzie, który to reagując z aluminium tworzy warstwę ochronnego tlenku.

Uwaga!
Z uwagi na duże niebezpieczeństwo (stężone kwasy są silnie żrące) stanowczo odradzam samodzielne eksperymenty z anodowaniem !

Rys.1 Proces anodowania

Zakup aluminium

Pręty i rozmaite profile aluminiowe można kupić w marketach budowlanych. Aluminium tam sprzedawane ma już przygotowana powierzchnię: anodowaną, barwioną i czasem lakierowaną. Kupując tam należy poprzebierać i wybrać nieporysowany materiał. Niestety gotowe, anodowane aluminium jest dosyć drogie. Dużo taniej jest zakupić surowe aluminium w składzie metali kolorowych w postaci blachy lub profili. Na fotografii 1 można zobaczyć gotowe anodowane elementy z aluminium - na dole, oraz surowe - u góry.
Fot.1 Elementy aluminiowe
Surowe aluminium nie wygląda zbyt dobrze - ma metaliczny połysk i plami się po dotknięciu palcami. Oczywiście przygotowany element można oddać do anodowania w zakładzie oferującym taką usługę, ale można też aluminium wytrawić samodzielnie. Trawienie to proces zmatowienia powierzchni aluminium tak aby przypominała anodowaną. Niestety nie zabezpiecza to przed utlenianiem ani nie utwardza powierzchni. Za to proces trawienia można przeprowadzić metodami domowymi, a uzyskany efekt wizualny jest więcej niż zadowalający.

Przygotowanie powierzchni

Przed przystąpieniem do trawienia należy odpowiednio przygotować panel. Wszystkie otwory (pod przyciski, wyświetlacze i montażowe) powinny być wywiercone i wycięte. Należy przy tym uważać aby nie porysować powierzchni aluminium. Następnie element należy zmatowić szlifując drobnym papierem ściernym okrężnymi ruchami. Można też przygotować powierzchnię wyglądającą jak szczotkowane (drapane) aluminium - takie wykończenie wygląda szczególnie elegancko. Aby je uzyskać trzeba pocierać papierem średniej grubości (100-120) w jednym kierunku (najlepiej wzdłuż dłużej krawędzi przedmiotu). Oczywiście ciężko uzyskać ręcznie idealnie równoległe ryski, a jeden nieopatrzny ruch zniweczy cały efekt. Dlatego należy się posłużyć specjalnym przyrządem - fotografia 2. Są to dwa kawałki płyty meblowej skręcone ze sobą pod kątem prostym. Na spodnim kładziemy szczotkowany element - równolegle do pionowej ścianki przyrządu wzdłuż której przesuwamy drewniany klocek z papierem ściernym. Pionowa ścianka zapewnia prowadzenie niezbędne do uzyskania równoległych rysek. Kiedy już uporamy się ze "szczotkowaniem" można przystąpić do trawienia.
Fot.2 Przyrząd do szczotkowania aluminium

Proces trawienia

Na fotografii 3 przedstawiono niezbędne materiały i narzędzia. Trawienie należy przeprowadzać w płaskim naczyniu np. kuweta fotograficzna lub plastikowa podstawka skrzynki balkonowej. Obok kuwety należy przygotować pojemnik z wodą np. wiadro w którym przerwiemy proces trawienia i wypłuczemy wstępnie trawiony przedmiot. Przydatne mogą być plastikowe lub drewniane szczypce do złapania przedmiotu oraz patyczek do zamieszania. Do trawienia aluminium najłatwiej użyć roztworu wodorotlenku sodu (Sody kaustycznej NaOH). Można go kupić jako środek do przetykania rur kanalizacyjnych o handlowej nazwie Kret.
Fot.3 Materiały i narzędzia do trawienia

Uwaga!
Wodorotlenek sodu jest środkiem żrącym - bardziej niż kwas solny ! Używajmy odzieży ochronnej oraz obowiązkowo gumowych rękawic i okularów.

Roztwór do trawienia trzeba przygotować wg przepisu na opakowaniu Kreta (dwie łyżki stołowe na pół litra ciepłej wody). Po rozpuszczeniu granulek panel należy ostrożnie włożyć - nie wrzucić ! W kuwecie zacznie się "gotować", a po kilkunastu sekundach panel jest wytrawiony.

Uwaga!
Podczas trawienia aluminium (burzliwy proces) wydziela się spora ilość niebezpiecznego wodoru. Operację trawienia zawsze przeprowadzamy na świeżym powietrzu (może być na balkonie).

Powierzchnia po wytrawieniu powinna być jednolicie matowa - bez metalicznego połysku. Jeśli po przepłukaniu stwierdzimy że nasz przedmiot jest za mało wytrawiony proces ten można ponowić. Zużyty środek trawiący należy wylać do kanalizacji. Absolutnie nie wolno przechowywać roztworu na następny raz !

Napisy i zabezpieczenie powierzchni

Wytrawiona powierzchnia aluminium niestety nie jest odporna na dotyk - pozostają tłuste plamy. Dlatego należy ją zabezpieczyć bezbarwnym lakierem w spray'u. Ale przed lakierowaniem warto pokusić się o wykonanie napisów. Można zastosować do tego samoprzylepną folię do drukarek laserowych. Wystarczy wydrukować na niej odpowiednie napisy (nie drukujemy całego frontu tylko same "etykietki"). Po wycięciu trzeba każdy fragment przykleić we właściwym miejscu. Nie należy przy tym zbyt mocno naciskać aby nie zetrzeć delikatnego toneru. Na gotowy panel należy nałożyć kilka warstw lakieru, stosując kilkuminutowe przerwy w trakcie malowania. Na fotografii tytułowej przedstawiony jest front mojego wzmacniacza słuchawkowego z panelem czołowym wykonaną przedstawioną techniką. Pozostała część obudowy została zaadoptowana z uszkodzonego zasilacza komputerowego.

Od redakcji.
Z uwagi na wykorzystanie niebezpiecznych substancji chemicznych, osoby niedoświadczone i niepełnoletnie mogą wykonać opisane prace wyłącznie pod opieką wykwalifikowanych opiekunów.


Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 7/2013

31 lipca 2013

Miniwieża z klocków

Przedstawione w artykule urządzenie powstało trochę przez przypadek. Początkowo zamierzałem zbudować jedynie aktywne głośniczki do komputera. Jednak w internecie znalazłem ofertę zakupu ciekawego modułu elektronicznego - panelowego odtwarzacza mp3 z tunerem, zegarem i budzikiem. Postanowiłem więc zwiększyć funkcjonalność głośniczków i zapewnić im możliwość samodzielnej pracy. I tak powstał prezentowany w tym artykule projekt miniwieży.

Ale dlaczego "z klocków"? Otóż w mojej konstrukcji zastosowałem kilka specjalnie zaprojektowanych modułów. A każdy z nich może być zastosowany jako gotowy "klocek" również w innym urządzeniu audio.

Opis układu

Schemat blokowy jest przedstawiony na rysunku 1. Centralnym elementem jest moduł odtwarzacza/tunera. Stereofoniczny sygnał audio pochodzący z niego jest kierowany do modułu wzmacniacza akustycznego, zasilanego z transformatora TRAFO. Na schemacie, poniżej modułu odtwarzacza znajduje się moduł wzmacniacza słuchawkowego. Moduł ten pełni podwójną rolę: po pierwsze wzmacniacza dla słuchawek (do którego sygnał jest doprowadzany równolegle z wzmacniaczem mocy), po drugie selektora wejścia dodatkowego.
Rys.1 Schemat blokowy
Miniwieża posiada dwa gniazda wejść dodatkowych, jedno w postaci gniazd chinch na tylnej ściance, oraz drugie, przednie gniazdo minijack - oznaczone jako MP3. Wykorzystano wbudowany w gniazdo minijack przełącznik, dzięki któremu włożenie wtyczki odłącza tylne gniazdo chinch. Sygnał z gniazd jest następnie prowadzony do wejścia AUX modułu odtwarzacza/tunera. Również przełącznik gniazda słuchawek PHONES został wykorzystany - sygnał z niego trafia do modułu APO (skrót od ang. Auto Power On). Moduł APO wykrywa obecność sygnału audio i wtedy załącza zasilanie końcówki mocy. Brak sygnału - również spowodowany podłączeniem słuchawek - wyłącza zasilanie wzmacniacza mocy. Moduł APO posiada własny zasilacz sieciowy, który dodatkowo dostarcza napięć zasilających moduły odtwarzacza/tunera oraz wzmacniacza słuchawkowego.

Szczegółowe działanie każdego modułu - "klocka" zostanie omówione z osobna.

1. Odtwarzacz/tuner.
Zakupiony bezpośrednio w Chinach (w sklepie internetowym dx.com za jedyne $10.50) panel mp3 stanowi serce urządzenia. Umożliwia on słuchanie muzyki w formacie mp3 z pendrive'a włożonego do gniazda USB lub karty SD oraz odbiór audycji radiowych za pośrednictwem wbudowanego tunera FM. Oryginalne urządzenie jest widoczne na fotografii 1. Na panelu tym dostępne są przyciski sterujące oraz prosty wyświetlacz LED. Sterowanie jest też możliwe za pomocą dostarczonego wraz z modułem pilota podczerwieni. Poza wejściami USB i SD dostępne jest jeszcze wejście AUX. Moduł posiada także wbudowany zegar z budzikiem oraz korektor z predefiniowanymi ustawieniami (rock, jazz itp.). Zatem wszystkie podstawowe elementy związane ze źródłem sygnału są w nim zapewnione. Jakość uzyskiwanego z urządzenia dźwięku nie budziła zastrzeżeń, jedynie estetyka panelu pozostawiała wiele do życzenia. Postanowiłem zatem wykonać własny panel sterowania.
Fot.1 Moduł odtwarzacza/tunera
Z oryginalnego panelu pozostaje wykorzystywany wyświetlacz - widoczny poprzez pokrywający całą przednią ściankę urządzenia płytę z ciemnego pleksi oraz gniazdo USB (z gniazda SD zrezygnowałem). Poniżej panelu odtwarzacza/tunera umieściłem własną płytkę z wyprowadzonymi przyciskami do sterowania. Tak zbudowany nowy panel jest przedstawiony na fotografii 2.
Fot.2 Panel przedni urządzenia
2. Wzmacniacz akustyczny.
W urządzeniu zastosowałem scalone końcówki mocy serii TDA20x0. Są to jedne z najchętniej stosowanych wzmacniaczy akustycznych małej mocy. Ich niebagatelne zalety to niska cena, mała liczba elementów towarzyszących, wbudowane zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne oraz możliwość pracy w różnych konfiguracjach. Sam też chętnie stosuję te układy. Postanowiłem zaprojektować uniwersalną płytkę drukowaną, która pozwoli na sporą dowolność aplikacji. Zatem można zastosować trzy typy układów: TDA2030, TDA2040 lub TDA2050. Ponadto można zasilać je z transformatora z jednym uzwojeniem wtórnym lub podwójnym - symetrycznym, oraz używać w konfiguracji stereo lub zmostkowanej - mono. Razem 12 kombinacji. Warianty montażu omówię na trzech podstawowych przykładach.

Wariant 1 - stereo, zasilanie pojedyncze. Schemat ideowy tej opcji jest przedstawiony na rysunku 2 (tylko jeden kanał - drugi wygląda analogicznie). Pojedyncze napięcie zasilania z transformatora podawane jest na zaciski Z-1 i Z-3. Napięcie to, wyprostowane mostkiem M i odfiltrowane na kondensatorze C7, służy do zasilania scalonego wzmacniacza mocy US1. W obwodzie zasilania znajduje się jeszcze kondensator odsprzęgający C5 oraz dwie diody zabezpieczające D1 i D2. Diody te są konieczne tylko dla układów TDA2030 - pozostałe układy mają diody już wbudowane w strukturze.

Sygnał wejściowy podawany jest na złącze WE i poprzez kondensator C1 trafia na wejście nieodwracające US1. Proszę zwrócić uwagę że ujemny biegun zasilania US1 jest połączony z masą układu. Z uwagi na to, wejście nieodwracające US1 jest polaryzowane rezystorem R1 z obwodem sztucznej masy zbudowanym z dzielnika rezystorowego R5 i R6 oraz kondensatora filtrującego C9. Do wejścia odwracającego jest podłączona pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego utworzona na elementach R2 i R3 oraz, odcinającego składową stałą, kondensatora C2. Z uwagi na składową stałą głośnik - podłączony do zacisków L-1 i L-2 - jest również "napędzany" poprzez kondensator - C3. Do wyjścia układu US1 jest podłączony jeszcze tzw. obwód Boucherota - zabezpieczający je przed wzbudzeniem (elementy R4 i C4).
Rys.2 Schemat wzmacniacza - stereo, zasilanie pojedyncze
Wariant 2 - stereo, zasilanie symetryczne. Schemat ideowy tego rozwiązania jest przedstawiony na rysunku 3 - można porównać z rysunkiem 2. Istotna różnica to zasilanie z transformatora o dwóch symetrycznych uzwojeniach. Wspólny koniec tych uzwojeń jest podłączony do zacisku Z-2 a dalej z masą układu. Skrajne wyprowadzenia uzwojeń transformatora podłączone są do zacisków Z-1 i Z-3. Po wyprostowaniu na mostku prostowniczym uzyskujemy dwa, symetryczne względem masy napięcia zasilające układ US1. W układzie zasilania muszą znajdować się dwa kondensatory filtrujące - C7 i C8 oraz dwa kondensatory odsprzęgające C5 i C6. Za to niepotrzebny jest obwód sztucznej masy, więc wejście nieodwracające jest spolaryzowane rezystorem R1 podłączonym do "właściwej" masy układu. Z tego samego powodu, tj. zasilania napięciem symetrycznym, nie potrzebny jest kondensator wyjściowy. Głośnik jest podłączony bezpośrednio pod wyjście US1 - złącze L-2 i masę L-1. Reszta układu pełni rolę analogiczną jak w wariancie 1.
Rys.3 Schemat wzmacniacza - stereo, zasilanie symetryczne
Wariant 3 - mostek mono, zasilanie niesymetryczne. Schemat ideowy tego wariantu jest przedstawiony na rysunku 4. Tym razem jeden kanał wymaga dwóch wzmacniaczy. Konfiguracja mostkowa polega bowiem na wzajemnym wspomaganiu się dwóch końcówek mocy - podczas gdy jedna ciągnie membranę głośnika, druga ją popycha i tak na przemian. Zatem głośnik jest podłączony pomiędzy wyjścia obu końcówek mocy - złącza L-2 i R-1 (bez żadnych kondensatorów separujących - wyjścia układów mają taki sam potencjał spoczynkowy). Sygnał audio z wejścia WE jest podawany na wejście nieodwracające tylko jednego układu US1. W drugim układzie US2 wejście to jest spolaryzowane przez rezystor R11 potencjałem sztucznej masy. Sygnał dla drugiego układu jest podbierany za pośrednictwem rezystora R10 z wyjścia US1 i podawane poprzez kondensator C12 na wejście odwracające US2. Dzięki temu zabiegowi układy są wysterowane tym samym sygnałem, tylko w przeciwnych fazach. Pozostałe elementy pełnią te same funkcje co na poprzednich schematach - zachowano tę samą numerację elementów. Układ mostkowy może być również zasilany napięciem symetrycznym. W takim przypadku w obwodzie zasilania potrzebne są dodatkowe kondensatory filtrujące ujemną gałąź zasilania. Nie potrzebny jest za to obwód sztucznej masy (R5,R6,C9).
Rys.4 Schemat wzmacniacza - mostek mono, zasilanie niesymetryczne
Dla wszystkich wariantów końcówki mocy zaprojektowałem wspólną płytkę drukowaną - zobacz rysunek 5. W zależności od wybranej opcji pewne elementy na niej mają być montowane, inne nie lub trzeba je zastąpić zworami. Szczegółowe wartości elementów w zależności od zastosowanego wariantu oraz typu układu są podane w tabeli 1. Tabela ta pełni też rolę spisu elementów. Tabela 2 zawiera zalecany w danej konfiguracji typ transformatora zasilającego (nie wolno przekraczać wartości napięć dla danego układu). Natomiast tabela 3 przedstawia moc możliwą do uzyskania w danej opcji.

Rys.5 Płytka drukowana wzmacniacza

układTDA2030TDA2040-50TDA2030-50TDA2030-50TDA2030-50
zasilanieniesymetryczneniesymetrycznesymetryczneniesymetrycznesymetryczne
konfiguracjastereostereostereomostek - monomostek - mono
R1,R11100k22k22k22k22k
R2,R124k7680R680R680R680R
R3,R13150k22k22k22k22k
R4,R141Rdla TDA2030 - 1R, dla TDA2040 - 4R7, dla TDA2050 - 2R2
R5,R6,R15,R16100k22kbrak22kbrak
R10brakbrakbrak22k22k
C11u/50V2u2/50V2u2/50V2u2/50V2u2/50V
C111u/50V2u2/50V2u2/50Vbrakbrak
C2,C122u2/35V22u/35V22u/35V22u/35V22u/35V
C3,C132200u/35V2200u/35Vzworazworazwora
C4,C14220ndla TDA2030 - 220n, dla TDA2040 - 100n, dla TDA2050 - 470n
C5,C15100n100n100n100n100n
C6,C16brakbrak100nbrak100n
C7 *2200u/35V4700u/35V*2200u/35V4700u/35V*2200u/35V
C8zworazwora2200u/35Vzwora2200u/35V
C9,C1922u/35V100u/35zwora220u/35zwora
D1-D41N4001 montować tylko dla układu TDA2030
Mmostek 8A w obudowie KBU
L,R,Zzłącza ARK
*W przypadku zasilania napięciem pojedynczym wyższym niż 35V (po wyprostowaniu) kondensator C7 należy zastosować na odpowiednio wyższe napięcie np 4700u/50V
tabela 1

zasilanieniesymetryczneniesymetrycznesymetrycznesymetryczne
układnapięcie/prądtrafonapięcie zas.trafo
TDA2030max 36V/3,5A25V/40W2x18V2x12,5V/40W
TDA2040max 40V/4A27V/60W2x20V2x13,5V/60W
TDA2050max 50V/5A34V/80W2x25V2x17V/80W
tabela 2

impedancja obciążenia (głośników)stereo 4ohmstereo 8ohmmostek 4ohmmostek 8ohm
TDA20302x14W2x8W28W16W
TDA20402x22W2x12W44W24W
TDA20502x28W2x18W56W36W
Uzyskiwana moc przy 0,5% zniekształceń
Przy zaakceptowaniu większych zniekształceń uzyskiwana moc może być wyższa.
tabela 3

3. APO + zasilacz pomocniczy.
Układ APO (Auto Power-On) to detektor obecności sygnału audio. Ma on za zadanie załączyć zasilanie końcówki mocy natychmiast po pojawieniu się sygnału na wejściu układu i wyłączyć chwilę po jego zaniku.

Jak to działa? Schemat modułu jest przedstawiony na rysunku 6. Sygnał audio jest pobierany z wejścia IN i poprzez rezystory R1 i R2 oraz kondensator C6 podawany jest na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego US3A. Wzmocnienie tego układu dla przebiegów zmiennych jest określone stosunkiem rezystorów R6 i R7 i wynosi w ok. 50x. Wyjście wzmacniacza US3A jest bezpośrednio podłączone do wejścia odwracającego układu US3B pełniącego rolę komparatora. Wzmocniony sygnał jest porównywany z napięciem referencyjnym na linii sztucznej masy (elementy R3, R4, C7) równym połowie zasilania. Wejście US3A jest spolaryzowane za pomocą R5, zatem napięcie na wyjściu będzie oscylować wokół tej wartości (połowa napięcia zasilania). Czułość komparatora jest określona stosunkiem rezystorów P1 i R8 (P1 służy do jej regulacji). W chwili gdy napięcie na wejściu odwracającym będzie niższe niż referencyjne na wejściu nieodwracającym, na wyjściu pojawi się napięcie dodatnie bliskie napięciu zasilania wzmacniacza US3. Napięcie to poprzez rezystor R9 i diodę D3 cyklicznie doładowuje kondensator C9. Utrzymujące się na nim napięcie powoduje otwarcie tranzystora T1 i zadziałanie przekaźnika PR1. Równolegle do kondensatora C9 podłączony jest rezystor R10 o dużej wartości, który rozładowuje kondensator. Przy braku impulsów doładowujących (muzyki na wejściu układu) po pewnym czasie nastąpi spadek napięcia na kondensatorze C9, zamknięcie tranzystora T1, rozłączenie przekaźnika PR1, a w konsekwencji wyłączenia zasilania wzmacniacza podłączonego pod złącze PW (POWER_OUT). Proces wyłączenia można przyspieszyć zwierając złącze RESET, co powoduje szybkie rozładowanie kondensatora C9 przez rezystor R11.

Układ jest dostosowany do niskopoziomowego sygnału audio, który podebrany z wejścia końcówki mocy powinien być podawany na złącze IN. Sygnał stereofoniczny jest sumowany na rezystorach R1 i R2 co w rzadkich sytuacjach (duża impedancja wejściowa końcówki mocy) może prowadzić do przesłuchów międzykanałowych. Aby im zapobiec można zwiększyć wartości R1 i R2, ale wtedy spadnie czułość. Czułość można poprawić zwiększając wzmocnienie US3A poprzez wymianę rezystora R6 na większy (jeśli nie pomaga regulacja potencjometrem montażowym P1).

Możliwa jest modyfikacja układu tak, aby używał sygnału wysokopoziomowego (z wyjścia głośnikowego wzmacniacza). W tym celu wartości rezystorów R1 i R2 należy zwiększyć do 100k, oraz zrezygnować ze wstępnego stopnia wzmacniającego - przekonfigurowując go na bufor (trzeba zastąpić R6 zworą oraz nie montować R7 i C7). Natomiast bezwzględnie trzeba zamontować diody antyprzepięciowe D1 i D2 z których można zrezygnować w przypadku sygnału niskopoziomowego.
Rys.6 Schemat układu APO
Układ APO posiada własny zasilacz sieciowy z zamontowanym na płytce małym, zalewanym transformatorem sieciowym TR. Napięcie zasilające z sieci 230V należy podłączyć do złącza AC. Złącze PW służy do podłączenia transformatora załączanej końcówki mocy. Obwody sieciowe - zarówno transformatora TR jak i wyjścia PW - są zabezpieczone bezpiecznikami B1 i B2. Napięcie przemienne z uzwojenia wtórnego transformatora TR, wyprostowane na mostku Graetza M, filtrowane kondensatorem C1 trafia na wejście układu stabilizatora liniowego US1. Za stabilizatorem znajduje się jeszcze kondensator C3. Ustabilizowane napięcie 12V służy do zasilania modułu APO. Kondensatory C2,C4, C5,C10 i C11 odprzęgają linie zasilania, zabezpieczając układy scalone przed wzbudzeniem. Płytka modułu APO jest przedstawiona na rysunku 7. Na płytce znajduje się także dodatkowy stabilizator US2. Napięcie 5V z niego, po odfiltrowaniu kondensatorem C12, służy do zasilania modułu odtwarzacza/tunera. Drugie złącze wyprowadza napięcie 12V wykorzystywane do zasilania wzmacniacza słuchawkowego.
Rys.7 Płytka modułu APO
4. Wzmacniacz słuchawkowy.
Schemat wzmacniacza słuchawkowego przedstawiono na rysunku 8. Jest to prosty układ oparty na wzmacniaczu operacyjnym NE5532 w konfiguracji nieodwracającej. Sygnał audio jest podawany na wejście nieodwracające US1A ze złącza IN poprzez kondensator C1. Polaryzację wejścia zapewniają rezystory R1 i R2. Wzmocnienie jest określone za pomocą elementów R3 i R4 na około 4x. Kondensator C4 ogranicza nieco pasmo przenoszenia od góry eliminując jednocześnie szumy. Wzmocniony sygnał z wyjścia US1A poprzez kondensator C2 trafia do gniazda słuchawkowego typu mini jack - PHONES.
Rys.8 Schemat wzmacniacza słuchawkowego
Drugi kanał zbudowany jest analogicznie (wykorzystuje drugą połówkę US1B oraz elementy o numerach wiekszych od 10).

Układ zasilany jest napięciem 5-12V podawanym na złącze ZAS. W obwodzie zasilania obecne są dwa kondensatory C5 - odsprzęgający, C6 - filtrujący oraz dławik L1.
Rys.9 Płytka wzmacniacza słuchawkowego
Płytka wzmacniacza słuchawkowego jest widoczna na rysunku 9. Na płytce tej zostało umieszczone jeszcze jedno gniazdo mini jack. Służy ono jako wejście dla przenośnych odtwarzaczy. W przypadku wykorzystania modułu wzmacniacza samodzielnie należy zamiast złączy MP3_OUT i IN wstawić zwory łączące nawzajem piny od 1-4 tych złącz. W takim przypadku nie montujemy złączy IN_WEW i OUT.

Montaż i uruchomienie

Montaż elementów na płytkach jest standardowy. Elementy montujemy od najmniejszych do największych. W przypadku płytki wzmacniacza wartości elementów należy dobrać z tabeli 1, a układy US1 i US2 bezwzględnie przykręcić do radiatora. Zaleca się odseparować układy od radiatora za pomocą specjalnych śrub i podkładek izolacyjnych - szczególnie w układzie z zasilaniem symetrycznym, gdzie na radiatorze pojawiłoby się ujemne napięcie zasilania.

Moduły wzmacniaczy powinny pracować natychmiast po uruchomieniu. Moduł APO może wymagać dostrojenia czułości potencjometrem montażowym P1. Czas podtrzymywania zasilania po zaniku sygnału jest zależny od pojemności kondensatora C9 - należy go dobrać w zależności od potrzeb. (1uF to ok 10sek, 4u7 - 30sek, 100uF to aż ok. 20min)

Uwaga - numeracja elementów w poszczególnych modułach się powtarza. Spis części dla modułu wzmacniacza mocy znajduje się w tabeli 1. Płytki w miniwieży są ze sobą połączone wg. schematu na rysunku 1.

Kolumny głośnikowe.
Samodzielne konstruowanie kolumn głośnikowych jest wśród audio-amatorów dość popularne. Fabryczne kolumny dobrej jakości mogą kosztować dużo, zatem można sporo zaoszczędzić. Wiele osób kopiuje konstrukcje fabryczne lub wykonuje tzw. projekty DIY - opracowane specjalnie do własnoręcznego wykonania. Inni próbują swych sił i podejmują się samodzielnego zaprojektowania kolumn. Niestety próby te nierzadko kończą się fiaskiem, bo uzyskany efekt dźwiękowy jest daleki od oczekiwań. Zagadnienia związane z projektowaniem kolumn głośnikowych wymagają bowiem sporej wiedzy i doświadczenia.

Niemniej skonstruowanie prostego dwudrożnego zestawu było w zasięgu moich możliwości. Do pomocy miałem komputer z programem Speaker Workshop oraz samodzielnie wykonane niezbędne akcesoria: mikrofon pomiarowy z przedwzmacniaczem i specjalną przystawkę - tzw. JIG. Dzięki temu w stosunkowo prosty sposób mogłem:
  • określić parametry użytych głośników,
  • dobrać typ i objętość obudowy,
  • dostroić obudowę i dobrać tunel bass-reflex,
  • sprawdzić charakterystykę pasma przenoszenia oraz dobrać elementy zwrotnicy.
Jest to dość złożony proces - początkującym radziłbym raczej skorzystać z któregoś, z licznych dostępnych w sieci, gotowych projektów DIY. Osobna kwestia to dostęp do narzędzi stolarskich - raczej niezbędnych do wykonania obudów kolumn.

Głównym materiałem używanym do konstrukcji kolumn jest płyta wiórowa lub mdf. Ja wykorzystałem płytę meblową - okleinowaną, którą posiadałem w postaci niewykorzystanych półek od regału. Wystarczyło je tylko pociąć i poskładać - wcześniej oklejając widoczne krawędzie. Ścianki tylna i boczne połączone są za pomocą kołków i kleju Wikol. Ścianki górna, dolna i przednia są poskręcane czarnymi wkrętami z pomocą dodatkowych sosnowych listewek, umieszczonych w narożnikach od środka. Dzięki temu z zewnątrz nie są widoczne żadne wkręty - za wyjątkiem przykręconej na końcu ścianki przedniej. Oczywiście wszystkie krawędzie montażowe posiadają warstwę kleju Wikol, który poza spojeniem pełni również rolę uszczelniacza - co jest szczególnie ważne w przypadku obudów głośnikowych. Przednia ścianka posiada spore otwory przewidziane na montaż głośników. Na tylnej znalazły się rura bas-reflex oraz terminal przyłączeniowy. We wnętrzu, na tylnej ściance umieściłem grubą, perforowaną gąbkę, która pełni rolę wygłuszenia. Kolumny w trakcie montażu są widoczne na fotografii 3. Ostatecznie fronty kolumn zostały przykryte płytą z czarnego pleksi, która imituje modne ostatnio wykończenie piano-black.
Fot.3 Kolumny głośnikowe w trakcie budowy
Obudowa miniwieży.
W swoich urządzeniach zwracam szczególną uwagę na wykonanie obudowy. Tutaj konwencja narzuciła się sama - moduł centralny swoim wyglądem i wymiarami ma pasować do kolumienek. Stąd takie same wymiary (16x15x25 cm) oraz konstrukcja - skrzynka z okleinowanej płyty meblowej oraz ciemna, ale tym razem półprzeźroczysta, pleksi na froncie.
Fot.4 Wnętrze skrzynki miniwieży
Fotografia 4 przedstawia wnętrze skrzynki bez panelu przedniego. Widoczne są: moduł APO który znalazł miejsce na bocznej ściance oraz przykręcony do dolnej, toroidalny transformator zasilający końcówkę mocy. Sama końcówka jest przykręcona wraz z radiatorem do ścianki tylnej. Tył obudowy (fotografia 5) posiada otwory dla chłodzenia wnętrza, ale sam radiator został wystawiony na zewnątrz. Dlatego tylna ścianka jest nieco cofnięta. Poniżej radiatora umieszczone są: terminal do przyłączania kolumn oraz gniazda chinch wejścia dodatkowego AUX. Odtwarzacz/tuner wraz z panelem sterowniczym i wzmacniaczem słuchawkowym zamontowałem na specjalnym szkielecie z profili aluminiowych. Całość, po włożeniu do skrzynki obudowy, jest przykryta płatem czarnej folii z wyciętymi okienkami na wyświetlacz, gniazda wejściowe, przyciski sterujące oraz podświetlane opisy tych przycisków. Wykończenie frontu stanowi płyta z przyciemnianego pleksi przykręcona za pomocą dwóch wkrętów. Kompletny, zmontowany zestaw jest widoczny na fotografii tytułowej.
Fot.5 Tył obudowy

Podsumowanie

Miniwieża dobrze spełnia swoje zadanie. W odróżnieniu do większości wież sklepowych brak jest w niej napędu CD, ale znaczenie płyt CD-audio w sprzęcie popularnym ostatnio znacznie spadło. Moje urządzenie posiada za to wejście USB dla odtwarzania plików mp3 bezpośrednio z pendrive'a, którego to gniazda nadal brakuje w wielu fabrycznych konstrukcjach. Ponadto wieża posiada przednie wejście MP3 (minijack) pozwalające na odtwarzanie dźwięku np. ze smartfona oraz tylne AUX (chinch) do podłączenia komputera (od tego się zaczęło). No i nie wolno zapomnieć o dedykowanym wzmacniaczu słuchawkowym - podłączenie słuchawek odłącza zasilanie wzmacniacza mocy.

Na koniec odpowiedź na pytanie z zapowiedzi: Czy opłaca się samodzielnie budować takie urządzenie?

Biorąc pod uwagę aspekt finansowy - nie. Miniwieżę o podobnych parametrach można w sklepie kupić już za ok. 200-300 zł co jest wartością porównywalną, jeśli chodzi o koszt materiałów i części, ale trzeba też uwzględnić duży wkład własnej pracy włożony w jej wykonanie.

Jednak z drugiej strony otrzymujemy niepowtarzalne, oryginalne urządzenie o wysokich walorach użytkowych, nie ustępujących sprzętom fabrycznym. A w żadnym sklepie nie kupimy zadowolenia i satysfakcji wynikających z użytkowania urządzenia własnej konstrukcji.

Uwaga!
W układzie występują napięcia groźne dla życia i zdrowia. Osoby niepełnoletnie mogą wykonać, uruchomić i skalibrować układ tylko pod opieką wykwalifikowanych osób dorosłych - nauczycieli.



Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 7/2013

Do pobrania z elportalu:

Wykaz elementów

Wzmacniacz akustyczny
Wartości elementów zależne od wybranego wariantu - szczegóły w tabeli 1

Układ APO + zasilacz pomocniczy
R1,R2,R3,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
R5,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47k
R7,R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100R
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10M
P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25k
C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2200uF/25V
C2,C4,C5,C6,C10,C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . 100n
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1000uF/16V
C7,C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100uF/16V
C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,7uF/16V
C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470uF/16V
US1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LM7812
US2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LM7805
US3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM358
T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .IRFZ44
D1,D2,D3,D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1N4148
M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mostek okrągły 1A
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . .przekaźnik JQC3 - 12V
TR . . . . . . . . .transformator zalewany do druku 4W/12V
B1 . . . . . . . . . . . . .oprawka z bezpiecznikiem 100mA
B2 . . . . . . . . . . . . . . oprawka z bezpiecznikiem 1A
(wartość bezpiecznika zależna od sterowanego urządzenia - transformatora wzmacniacza mocy)
AC, PW . . . . . . . . . . . . . . . . złącza ARK podwójne
IN,5V,12V,RESET . . . . . . . . . . . . . . złącza goldpin

Wzmacniacz słuchawkowy
R1,R2,R11,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k
R3,R13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68k
R4,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22k
C1,C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1uF/16V
C2,C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220uF/16V
C3,C13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10uF/16V
C4,C14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100pF
C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100n
C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220uF/16V
L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100uH
US1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NE5532
MP3_IN,PHONES . . . . . . . . . gniazda słuchawek minijack
AUX,MP3,IN,OUT . . . . . . . . . . . . . . .złącza goldpin