Elektroniczne Bajery, Sprzęty i Wynalazki: Wzmacniacz zintegrowany "Eugeniusz" do zestawu Retro Tower

1. Geneza

Budowę wzmacniacza audio planowałem już od pewnego czasu, stąd gromadziłem przydatne do jego budowy komponenty. Jednak nie mogłem się zdecydować na ostateczną koncepcję. Do działania zainspirował mnie kol. @tytka, który na forum elektroda.pl pokazał już cztery wersje swojego zestawu wieżowego.

(
https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=18681462#18681462
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2091599.html
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3531876.html
https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=18693694#18693694
)

Postanowiłem że mój wzmacniacz też będzie elementem wieży, z tym że moja stylizacja będzie bardziej w kierunku retro.

Zestawy wieżowe audio były bardzo popularne w latach 80. i 90. XX wieku, ale ich początek to lata 70. Właśnie wtedy zdekomponowano klasyczny odbiornik radiowy na osobne elementy: zestawy głośnikowe, tuner i wzmacniacz. Elektronikę nadal jednak umieszczano w drewnianych skrzynkach, chociaż płaskich i smukłych. Rodzimym przedstawicielem tej konwencji był zestaw stereofoniczny Meluzyna produkowany przez Unitra-Diora od 1972 roku ( https://www.oldradio.pl/karta.php?numer=87 ).

Zanim zacznę omawianie konstrukcji jeszcze trzy zdania o genezie nazwy. Zasadniczym elementem mojego wzmacniacza jest końcówka mocy oparta o kultowe układy scalone LM3886. Kultowe, ponieważ dużą popularność zdobyły w konstrukcji będącej kopią wzmacniacza Gaincard firmy 47 Laboratory. Projekty takie nazywano Gainclonami lub po spolszczeniu Gienkami. Mój wzmacniacz jest bardziej rozbudowany stąd poważniejsza nazwa Eugeniusz.

2. Konstrukcja

Użyłem elementów które posiadałem w zasobach, stąd takie a nie inne ich użycie. Starałem się wszystko zgrabnie połączyć ale czasem konieczne były kompromisy. Niemniej starałem się urządzenie wykonać z należytą starannością i dbałością m.in. poprzez użycie dobrych jakościowo komponentów. Większość użytych rezystorów to metalizowane o tolerancji 1% a kondensatorów - foliowe (MKT) oraz elektrolity o lepszych parametrach. Dodatkowo elementy te starałem się dobierać w pary (L-R) o jednakowych wartościach.

Jeśli chodzi o koszty to nie jestem w stanie nawet zgrubnie ich oszacować - ale zapewne nie więcej niż kilkaset złotych (oczywiście nie wliczając poświęconego czasu - pracowałem wieczorami przez prawie 4 miesiące). W trakcie prac zmieniała się też nieco koncepcja, ale o tym później. Na początek omówię pokrótce wszystkie moduły składające się na mój wzmacniacz zintegrowany. Poniżej przedstawiam schemat modułowy:

Na wzmacniacz składa się 11 płytek drukowanych z czego 6 zaprojektowałem i wykonałem samodzielnie (projekt w programie Eagle a wykonanie metodą "drukarkową"). Poniższy opis jest formą dokumentacji którą robiłem również dla siebie. Może wydawać się przydługi, ale starałem się go bogato ilustrować :-]

3. Transformator zasilający

Użyłem kupionego okazyjnie, używanego transformatora typu TS120/14, wyprodukowanego przez Unitra Zatra. Transformator ten był stosowany w amplitunerach produkowanych przez, już nieistniejące, Zakłady Radiowe Kasprzaka w Warszawie. Jednym z jego wyróżników jest miedziany ekran osłaniający uzwojenia (cecha transformatorów do urządzeń audio).

Parametry uzwojeń wtórnych transformatora:

2x22.4V - 2.2A - użyte do zasilania końcówki mocy,
2x12.0V - 0.6A - użyte do zasilania przedwzmacniaczy,
42.0V - 0.05A - oryginalnie tuner - u mnie bez zastosowania,
7.5V - 0.5A - oryginalnie oświetlenie - u mnie układ sterowania.

Przy ogólnej mocy 120W, transformator dla końcówki mocy oferuje ok. 98W. Dla wzmacniacza użytku domowego powinno być to wystarczające. Sporym problemem tego transformatora (a może tylko mojego egzemplarza?) jest jego buczenie. Musi być zamontowany w obudowie elastycznie, inaczej brum jest słyszalny. U mnie spoczywa na płacie miękkiej gumy.

4. Zasilacz dla końcówki mocy

Początkowo planowałem zastosować gotową płytkę zasilacza (kit). Niemniej po wstępnych przymiarkach okazało się zbyt ciasno w obudowie. Dlatego zaprojektowałem własny, zgrabny moduł zasilacza. Konstrukcja jest typowa - mostek Graetza plus dwa duże kondensatory elektrolityczne (10000uF/50V) i równolegle z nimi małe kondensatorki odsprzęgające 100nF. Z uwagi na brak w zasobach stosownego krzemowego mostka scalonego (i tylko dlatego) zbudowałem go z czterech szybkich diod 8A typu BYT08P.

5. Końcówka mocy

Zastosowałem płytkę z kitu AVT-2180 (schemat poniżej). Moduł ten bazuje na legendarnej kostce LM3886, niemniej nie korzysta w pełni z jej potencjału.

Dlatego dokonałem istotnych zmian wartości kilku elementów m.in:

Pętla sprzężenia zwrotnego - R7-R3. Pozostawiłem zbliżone wzmocnienie (niespełna 30 dB) ale zmniejszyłem wartości rezystorów z 100k/3k3 do 20k/0k68. Mniejsze rezystory to większy prąd i mniejsze szumy.
Impedancja wejściowa - określona rezystorem R1. Powinna być zbliżona dla obu wejść (odwracającego i nieodwracającego wzmacniacza (aby nie wzmacniać szumów wynikających z różnicy tych impedancji). Ponieważ w pętli zastosowałem 20k to tutaj też zastosowałem 20k.
Dolnozaporowy filtr wejściowy - określony jest wartościami elementów (C1-R1). Odcina on najniższe częstotliwości w oryginale poniżej 3,3 Hz. Z uwagi na zmianę R1/R2 zwiększyłem też wartość C1/C2 z 470n na 1uF. Mój filtr ma niespełna 8Hz. BTW: Zarówno schemat jak i płytka zawierają błędy polegające na innym umieszczeniu elementów C1-R1-R11 - na płytce wystarczy zamiennie wlutować C1-R11 i już wszystko jest ok.
Odcięcie składowej stałej w pętli sprzężenia zwrotnego. Kondensator wraz rezystorem C13-R3 stanowią filtr - oryginalnie 4,8Hz. Zaleca się aby częstotliwość togi filtru była ok. 3-krotnie niższa od filtru wejściowego. W związku z tym zwiększyłem wartość C13 do 100uF, dzięki czemu częstotliwość filtru wynosi teraz nieco ponad 2Hz (<< 8Hz).
Dolnoprzepustowy filtr wejściowy. Ma on za zadanie ograniczać górne pasmo przenoszenia - zabezpiecza przed wzbudzaniem się wzmacniacza od strony wejścia. Jego rolę spełniają elementy R11-C3, a oryginalna częstotliwość odcięcia wynosiła dość dużo bo 723 kHz. Zmieniłem kondensator C3 na 1nF i włączyłem go nie pomiędzy wejścia (niebezpieczeństwo wzbudzania się od różnicy impedancji !) a pomiędzy wejście nieodwracające a masę (w tym celu wykorzystałem pad niestosowanego kondensatora C5). Mój filtr ma częstotliwość odcięcia 160kHz (nie odbiera PR1 - 226kHz :-])
Obwód Boucherota. Zabezpiecza od wzbudzania się wzmacniacza od obciążeń indukcyjnych na wyjściu oraz pętli sprzężenia zwrotnego. Tworzą go elementy R9-C11. Oryginalnie filtr ten był policzony na 589 kHz (2R7 i 100nF). Zmieniłem wartości elementów na 4R7 i 220 nF co daje częstotliwość graniczną 154kHz (zbliżona do filtru wejściowego).
Obwód Thiele. Zabezpiecza od wzbudzania się wzmacniacza od obciążeń pojemnościowych na wyjściu oraz odbieranych przez kable głośnikowe fal radiowych. Tworzy go element L1/l2 na schemacie. Nota katalogowa mówi o równoległym połączeniu rezystora 10ohm i cewki 0,7uH. W opisie kitu napisano że ma to być _cewka 0,7µH (7 zwojów drutu nawiniętych na rezystorze 10W/0,5W)_. Problem w tym że tak wykonana cewka ma indukcyjność... 0,1uH. Obliczyłem w kalkulatorze cewek powietrznych że 0,7uH będzie miało 17 zwojów wykonanych drutem 1mm nawiniętych ciasno na średnicy 6mm. Taką też cewkę wykonałem a do jej środka wstawiłem rezystor 10ohm 3W.
Kondensatory w obwodzie zasilania (C15,C17). Tutaj zastosowałem nieco większe kondensatory elektrolityczne - 220uF zamiast typowanych 47uF.

Widać że elementy kitu AVT-2180 zostały dobrane dość chaotycznie. Za to sama płytka jest opracowana nie najgorzej i po tych drobnych zmianach, które opisałem powyżej, pracuje doskonale. Modyfikacji wartości elementów zastosowałem wg. wskazówek zawartych w poradniku: https://www.circuitbasics.com/design-hi-fi-audio-amplifier-lm3886/

6. Moduł zacisków głośnikowych

Zadaniem tego modułu jest odłączanie głośników (przekaźnikiem) w sytuacji kiedy podłączone są słuchawki. Zwykle moduł taki odpowiedzialny jest za zabezpieczenie głośników przed stanami nieustalonymi - ale układ LM3886 posiada stosowny obwód "mute". Zatem mój obwód tylko odłącza głośniki po podłączeniu słuchawek (poprzez rezystory R3-R4 - 2 x 56 ohm). Podłączenie słuchawek skutkuje przerwaniem obwodu R1-R2 - prąd przestaje płynąć do masy (poprzez styki gniazda) i otwiera sterujący przekaźnikiem obwód Darlingtona T1-T2. Kondensator C1 (47uF) ma za zadanie wprowadzić krótkie opóźnienie przełączenia (wtyk "jack" przy wkładaniu dwukrotnie otwiera i zamyka styki w gnieździe).

7. Zasilacz pomocniczy

Zadaniem tego zasilacza jest dostarczanie napięcia stabilizowanego 12V dla obwodów przedwzmacniaczy, selektora i modułu gniazd głośnikowych. Zastosowałem płytkę modułu AVT-1066, niemniej wprowadziłem w niej kilka zmian. Stabilizatorem pozostaje układ LM317 ale z uwagi na symetryczne uzwojenie transformatora zamiast mostka zastosowałem prostownik na dwóch diodach krzemowych D1,D2. Także potencjometr regulacyjny zastąpiłem wlutowanymi na stałe rezystorami R1/R2. Stosunek tych rezystorów (220R/2k) określa wyjściowe napięcie na poziomie 12V6.

8. Przedwzmacniacz barwy tonu

W projekcie wykorzystano regulator barwy tonu zbudowany na płytce kitu AVT-759. Dokonałem w nim jednak kilka drobnych zmian. Po pierwsze wymieniłem wzmacniacze operacyjne TL072 na mniej szumiące NE5532. Po drugie zmniejszyłem nieco wzmocnienie z oryginalnego 6,5 dB do 5 dB. Za wzmocnienie odpowiada stosunek rezystorów R3 do R1 - oryginalnie 100k / 47k - u mnie 100k / 56k. Moim założeniem było ustawienie wzmocnienia zbliżonego do 1, ale jest większe z uwagi na dołożony na wyjściu dzielnik - układ regulacji balansu. Zwykle stosuje się do tego celu potencjometr typu M+N, ja zastosowałem inne rozwiązanie - liniowy potencjometr P oraz rezystory RL i RR. W pozycji środkowej tłumienie tego układu wynosi ok 4,4 dB (50k/83k). Po skręceniu wzmocnienie w jednym kanale delikatnie rośnie za to w drugim opada logarytmicznie.

Potencjometry regulacyjne są przymocowane do specjalnego wspornika wraz z gniazdem słuchawkowym i przełącznikiem źródeł - o którym będzie nieco dalej.

9. Przedwzmacniacz gramofonowy (RIAA)

Ponieważ jest to wzmacniacz retro to nie mogło w nim zabraknąć przedwzmacniacza dla gramofonu z wkładką magnetyczną o charakterystyce RIAA. Użyłem płytki z kitu AVT-2680 montując go w wersji do zasilania niesymetrycznego.

10. DAC USB

Jest wejście gramofonowe to dla równowagi odrobinę nowoczesności - wejście USB do odtwarzania muzyki z komputera. Wykorzystany został układ PCM2706 w aplikacji z noty katalogowej. Projekt płytki dostępny w artykule USB Audio DAC czyli zewnętrzna karta muzyczna.

11. Selektor wejść i potencjometr głośności

Początkowo miał to być wzmacniacz retro - bez żadnych udogodnień, ale już po rozpoczęciu prac zmieniła mi się koncepcja. Postanowiłem zastosować zdalne sterowanie. Zamiast obrotowego przełącznika, jaki planowałem wstawić, zbudowałem selektor wejść na małych przekaźnikach. Na płytce selektora znajduje się również "zmotoryzowany" potencjometr.

Sterowanie przekaźnikami (poprzez układ wykonawczy ULN2003) następuje sekwencyjnie - wykorzystany został scalony licznik typu 4017. Zmiana wejścia może następować z przycisku lub poprzez transoptor z układu zdalnego sterowania. Układ sterowania steruje też silnikiem potencjometru. Ponieważ potencjometr ten posiadał odczep loudness, dobudowałem ten filtr załączany przełącznikiem typu isostat. Drugi isostat załącza tryb direct - pominięcie przedwzmacniacza barwy tonu, który włączony jest pomiędzy selektor i potencjometr głośności.

Wybrane wyjście jest sygnalizowane diodami na przednim panelu. Świecąca dioda jest też jedynym wskaźnikiem włączonego wzmacniacza.

Ponieważ selektorem pierwotnie miał być przełącznik obrotowy to z uwagi na już wykananą obudowę wybór wejść musiał pozostać gałką. Przebudowałem zatem ten przełącznik na quasi-impulsator.

Płytka selektora jest zamontowana w połowie głębokości obudowy. Dzięki temu jest bliżej gniazd wejściowych i końcówki mocy (skrócone przewody sygnałowe), a przed nią jest miejsce na inne obwody - barwy tonu i sterowania. Oś potencjometru oraz przełączniki isostat zostały przedłużone kawałkami aluminiowego pręta fi 6 mm.

12. Układ zdalnego sterowania

Tak jak wspomniałem, już podczas prac postanowiłem uzupełnić wzmacniacz o układ zdalnego sterowania. Użyłem w tym celu płytki sterownika AVT-594, ale i na nim dokonałem kilku zmian. Przede wszystkim zrezygnowałem z przekaźnika zasilania umieszczonego bezpośrednio na tej płytce. Wizja ciągnięcia przewodów 230V przez całą obudowę była dla mnie nie po przyjęcia. Zamiast przekaźnika zamontowałem mostek prostowniczy i kondensator - tworząc w ten sposób zasilacz - wykorzystałem osobne uzwojenie 7V5 transformatora - w ten sposób układ sterowania jest całkowicie galwanicznie oddzielony od innych obwodów wzmacniacza.

Sterownik oryginalnie potrafił tylko sterować silnikiem potencjometru oraz załączaniem przekaźnika zasilania. Bez problemu można zastosować dostępne w sieci oprogramowanie bardzo zbliżonego sterownika AVT-3222. Ja jednak potrzebowałem jeszcze zmiany źródła sygnału. Użyłem do tego celu wyprowadzenia sterującego sygnalizacyjną diodą LED - zamiast niej zastosowałem wspomniany wcześniej transoptor (na płytce selektora). Zmieniłem także sposób działania przekaźnika zasilania aby załączała się natychmiast po uruchomieniu urządzenia.

Z uwagi na zmiany w logice sterownika musiałem napisać nowy program wykorzystując środowisko avr-gcc. Wykorzystałem przykładowy kod dekodera RC5 ze strony http://hobby.abxyz.bplaced.net/index.php?pid=3&aid=16 . Moje oprogramowanie obsługuje tylko kodowanie RC-5. Kłopotliwe było zakupienie odpowiedniego pilota bo niestety na ogół nie ma w opisie informacji o standardzie w jakim pracuje dany pilot. Ale udało mi się taki zakupić - gdyby ktoś szukał taniego, zgrabnego pilota RC-5 to polecam model Daewoo R40B02. Zrezygnowałem z opcji uczenia sterownika - odpowiednie kody zostały zapisane na stałe w programie. Kody przycisków (istotne jest tylko ostatnich 6 bitów) znalazłem na stronie http://lirc-remotes.sourceforge.net/remotes-table.html
- pasują kody od bliźniaczego pilota Daewoo R28B03.

Najistotniejsza zmiana w oprogramowaniu dotyczyła kwestii zasilania. Mój wzmacniacz nie ma trybu "standby" i osobnego zasilacza. Zatem aby go włączyć należy wcisnąć (i przytrzymać) przycisk na przednim panelu. Monostabilny przycisk jest podłączony równolegle do styków przekaźnika, a ten jest załączany przez sterownik natychmiast po jego obudzeniu się. Wyłączenie wzmacniacza jest już możliwe pilotem (sterownik wówczas rozłącza przekaźnik). Wyłączenie jest też możliwe monostabilnym przyciskiem na przednim panelu który podobnie jak przy włączeniu należy przytrzymać. Z uwagi na projekt graficzny oba przyciski włączania i wyłączania zostały zintegrowane w jednym przycisku 0/1, który pierwotnie był przełącznikiem klawiszowym.

13. Moduł przekaźników zasilania

Jak wcześniej pisałem usunąłem przekaźnik z płytki modułu sterowania - przeniosłem go w inne miejsce bliżej gniazda zasilania i zamontowałem na osobnej płytce. Na płytce tej znajduje się też drugi przekaźnik sterujący gniazdami wyjściowymi zasilania - które w zamierzeniu służą do podpięcia innych urządzeń zestawu współpracujących z wzmacniaczem. Ten drugi przekaźnik załącza się z drobnym, ok. półsekundowym, opóźnieniem za które odpowiada prosty obwód czasowy R1-R2-C1-T.

14. Obudowa

Obudowę zbudowałem samodzielnie wykorzystując posiadane elementy. Tak więc spód to panel podłogowy z MDF - od razu wyfrezowałem w nim otwory wentylacyjne pod planowaną lokalizacją radiatora. Do płyty spodniej przykręcone są deseczki stanowiące ścianki boczne - mają one wyfrezowane wpusty pod krawędzie płyty wierzchniej. Do spodu i boków jest przykręcona ścianka tylna - wykonana z blachy ze starej obudowy jakiegoś urządzenia, w której wykonałem wszystkie niezbędne otwory na gniazda. Płyta wierzchnia to także blacha - z nawierconymi otworami wentylacyjnymi.

Ważnym elementem obudowy jest panel przedni, który wykonałem z... panela podłogowego HDF. Został one odpowiednio wyfrezowany a widoczne krawędzie zostały zabejcowane na ciemny brąz. Z panelu podłogowego MDF wyciąłem otwornicą krążki, które po pomalowaniu złotym sprayem i podklejeniu gumą stały się nóżkami.

Duży otwór panelu przedniego ma od tyłu wykonane podfrezowanie w którym mieści się szybka z lekko dymionej pleksi. Za tą szybką znajduje się pomalowana na czarno płytka laminatu z przyklejonym nadrukiem (w negatywie) - opisem elementów sterujących. Użyłem ciekawie wyglądającej czcionki o nazwie "Bauhaus 93".

Płytka laminatu pełni też rolę mocowania dla płytki wskaźników i płytki układu sterowania. Pod częścią z układami audio znajduje się ekranujący arkusz blachy. Wszystkie elementy metalowe obudowy i radiator zostały ze sobą połączone w centralnym punkcie masy.

Wymiary pojedynczej obudowy to 340/100/300 mm (S/W/G), a masa pustej to aż 2kg (masa kompletnego wzmacniacza to prawie 5 kg). Prace nad samą obudową trwały ponad miesiąc, ale wykonałem ich od razu trzy sztuki - z myślą o kolejnych elementach zestawu wieżowego :-)

15. Montaż

Montaż modułów wewnątrz obudowy rozpocząłem od sekcji zasilania - transformatora, zasilacza końcówki mocy, modułu przekaźników oraz gniazd zasilania - wejściowego oraz wyjściowych. Gniazda sieciowe w założeniu mają służyć do zasilania innych elementów zestawu wieżowego, przy czym wzmacniacz pełni rolę niejako listwy zasilającej - jego wyłączenie (również z pilota) spowoduje wyłączenie wszystkich podłączonych elementów. Sekcja zasilania od układów audio oddzielona jest radiatorem końcówki mocy.

Po montażu wszystkich modułów w obudowie wzmacniacza zrobiło się dość ciasno. Starałem się wszystko rozmieścić tak, aby ewentualny demontaż poszczególnych elementów był w miarę bezkonfliktowy - bez potrzeby rozbiórki połowy wzmacniacza i bez potrzeby rozlutowywania czegokolwiek.

Tylna ścianka to klasycznie miejsce wszelkich gniazd przyłączeniowych. Wzmacniacz posiada 4 wejścia RCA, jedno weście gramofonowe RCA z zaciskiem uziemienia, wejście USB (DAC) oraz wyjście sygnału z selektora (tzw. pętla magnetofonowa). Opisy gniazd to wydruki w negatywie, które po przyklejeniu zostały pomalowane lakierem bezbarwnym. Zaciski głośnikowe nie są zbyt wysokich lotów ale moduł ten może być łatwo wymieniony na lepszy.