УМЗЧ + зарядное устройство для электронной книги

Современные электронные книги с ЖК дисплеем представляют собой многофункциональные мультимедийные устройства, способные не только отображать текстовые файлы в различных форматах, но и показывать фотографии, схемы, воспроизводить звуковые и видеофайлы, могут выполнять функции радиоприёмника, диктофона, электронного переводчика, счётного калькулятора, имеют встроенные игры и календарь.

Недорогая электронная книга «Texet» модели TB-840HD имеет цветной ЖК дисплей с диагональю восемь дюймов при разрешении 800×600 пикселей. Это устройство способно воспроизводить видеофайлы множества различных форматов. При отображении фильмов на встроенном ЖК дисплее заряда встроенного аккумулятора ёмкостью 2,8 А-ч хватает примерно на 5 ч работы, при воспроизведении видеофильмов на экране телевизора, подключенного кабелем к электронной книге, заряда встроенного аккумулятора хватает примерно на 10…12 ч. К сожалению, при весе этой электронной книги почти в 0,5 кг, в ней не нашлось места для качественного динамика, поэтому звук встроенной динамической головки тихий и с плохой разборчивостью. Было решено изготовить для этой электронной книги небольшую активную акустическую систему, объединённую с зарядным устройством, с помощью которого можно подзаряжать аккумулятор мобильной «читалки» и получить от этого многофункционального устройства более качественный звук.

К сожалению, при исследовании этой электронной книги обнаружилось то, что её общий провод выхода для стереонаушников не является «минусовым» проводом mini-USB гнезда, которое может использоваться как для обмена информацией с компьютером, так и для подзарядки аккумулятора. Кроме гнезда mini-USB эта электронная книга также оснащена специальным гнездом для подключения внешнего зарядного устройства (входит в комплект поставки). Чтобы иметь возможность подключить к электронной книге внешний УМЗЧ и внешнее зарядное устройство, представляющих собой единую конструкцию, был изготовлен преобразователь напряжения, по конструкции аналогичный устройству [1], который обеспечивает гальваническую развязку общего провода УМЗЧ и напряжения питания-заряда 5 В постоянного тока, подаваемого на mini-USB гнездо электронной книги.

Принципиальная схема модуля питания.

Функционально модуль питания состоит из трёх узлов, смонтированных на трёх платах:

фильтр напряжения питания сети 220 В переменного тока, состоящий из R1, С1, С2, RU1, L1, L2, FU1;
платы AC/DC-преобразователя (сетевого адаптера) промышленного изготовления типа HNA120050, с выходным напряжение 12 В постоянного тока при токе нагрузки до 0,5 А;
импульсного стабилизированного DC/DC-преобразователя напряжения 12 В/5 В, собранного на транзисторах VT1-VT5, импульсном трансформаторе Т1 и сопутствующих элементах.

Напряжение сети переменного тока 220 В поступает на импульсный блок питания HNA120050 через замкнутые контакты выключателя SA1, плавкий предохранитель FU1, защитный резистор R1 и LC-фильтр C1L1L2C2. Варистор RU1 защищает устройство от сетевых перенапряжений. Выходное напряжение блока питания 12 В поступает далее через фильтр L3C4. На транзисторный преобразователь напряжение питания поступает через LC-фильтр L4C6C7C8.

DC/DC-преобразователь

Преобразователь напряжения собран по двухтактной схеме на составных транзисторах VT1, VT3 типа 2SD2010. Эти транзисторы имеют встроенные резисторы, защитные диод и стабилитрон. В зависимости от тока нагрузки преобразователя эти транзисторы работают на частоте 15…20 кГц. Конденсаторы С9, С11 демпфирующие. Для самозапуска преобразователя на базы транзисторов VT1, VT3 подаётся напряжение смещения через резистор R9 и обмотки II и II’ трансформатора Т1. Трансформатор Т1 обеспечивает гальваническую развязку между входным напряжением 12 В постоянного тока и выходным стабилизированным напряжением 5 В постоянного тока.

Напряжение переменного тока с обмотки II трансформатора поступает на мостовой выпрямитель, собранный на диодах Шотки VD4-VD7 Конденсаторы С14, С17 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. Узел стабилизации выходного напряжения выполнен на оптроне U1, стабилитроне VD3, транзисторах VT2, VT4 и резисторах R5, R10, R11, R15, R16. В случае, когда выходное напряжение стремится увеличиться, увеличивается ток через светодиод оптрона U1, что приводит к увеличению тока через фототранзистор оптрона. По этой причине сильнее открываются транзисторы VT2, VT4, которые, шунтируя переходы база-эмиттер VT1, VT3, приводят к уменьшению среднего тока через составные транзисторы, и выходное напряжение преобразователя понижается.

При входном напряжении 12 В, выходном напряжении 5,4 В, КПД импульсного преобразователя составляет около 90% при токе нагрузки 0,5 А. Диоды VD1, VD2 предотвращают повреждение транзисторов VT1-VT4. Резисторы R3, R6 уменьшают шунтирование обмоток II и II’. Светящийся светодиод HL1 информирует о включении устройства в сеть 220 В.

Напряжение 5,4 В постоянного тока через LC-фильтры на дросселях L5, L6, L7 и конденсаторах С14-С18 поступает на USB гнездо, к которому могут быть подключены различные потребители тока постоянного напряжения 5 В: электронная книга, МР-3 плеер, мобильный телефонный аппарат и т.п. Стабилитроны VD9-VD11 защищают подключенную нагрузку от возможных повреждений при неисправном узле стабилизации выходного напряжения, На биполярном германиевом транзисторе VT5, диодах Шотки VD8, VD9, резисторах R12, R14 и светодиоде HL2 собран узел подключения к USB гнезду потребителей тока. Применение германиевого транзистора и диодов Шотки в этом узле позволяет уменьшить падение напряжения до 0,35 В в цепи прохождения тока при потребляемом нагрузкой токе 0,7 А. Резисторы R17, R18 и конденсаторы С19, С20 информируют некоторые автономные устройства о том, что они подключены к USB зарядному устройству. Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель FU2 защищает преобразователь напряжения и импульсный блок питания от перегрузки.

Внешний вид платы фильтра сетевого напряжения 220 В и импульсного блока питания показаны на рис.2. Внешний вид смонтированной платы транзисторного преобразователя напряжения 12 В/5 В показан на рис.З.

УМЗЧ

Модуль усилителя мощности звуковой частоты собран на интегральной микросхеме TDA7056B, представляющей собой одноканальный мостовой усилитель мощности с электронной регулировкой громкости. Функциональная схема микросхемы показана на рис.4. Эта микросхема имеет выходную мощность до 5 Вт при сопротивлении подключенной нагрузки 8 Ом. Типовой коэффициент нелинейных искажений не более 0,3% при выходной мощности 0,5 Вт.

Принципиальная схема модуля УМЗЧ показана на рис.5. Стереосигнал поступает на одно из гнёзд XS1-XS3. Эти гнёзда соединены параллельно, они разной конструкции, что даёт возможность использовать устройство как переходник-удлинитель или подключить стереонаушники. Поскольку УМЗЧ одноканальный, то входной стереосигнал поступает на сумматор, выполненный на резисторах R2, R3. На вход микросхемы звуковой сигнал поступает через разделительный конденсатор С4. Конденсатор С5 предотвращает проникновение на вход DA1 радиочастот. Выходной сигнал поступает на динамическую головку через двухобмоточный дроссель L3. Узел электронного регулятора громкости выполнен на переменном резисторе R6 и параметрическом стабилизаторе напряжения +1,5 В (R5, VD1-VD3). Конденсатор С9 устраняет «шорох» подвижного контакта переменного резистора.

Общий провод УМЗЧ подключается к общему проводу источника звуковых сигналов через защитные резисторы R1, R4 и конденсатор СЗ. Наличие этих элементов снижает вероятность повреждения мобильного устройства в момент подключения, отключения, эксплуатации УМЗЧ-ЗУ совместно с мультимедийными мобильными устройствами. Следует заметить, что производители мобильных устройств обычно не обеспечивают качественную защиту своих изделий от внешних воздействий электрического характера. Конденсаторы С6, С7, С8 — блокировочные по цепи питания DA1.

Модуль УМЗЧ питается напряжением +12 В, которое получает от импульсного блока питания через дополнительный LC-фильтр L1L2C1C2. Этот фильтр смонтирован на отдельной небольшой плате. Поскольку УМЗЧ выполнен по мостовой схеме, то максимальная амплитуда выходного сигнала на клеммах динамической головки сопротивлением 8 Ом составляет 20 В при напряжении питания УМЗЧ 12 В. Максимальная выходная мощность, достигаемая этим УМЗЧ без ограничения амплитуды выходного сигнала, составляет 2 Вт. Фото модуля УМЗЧ показано на рис.6.

Конструкция и детали

Все модули и детали устройства размещены в пластмассовом корпусе размерами 180x120x50 мм из полистирола, склеенном из декоративной лицевой панели от телевизора. Масса конструкции около 750 г. Компоновка модулей в корпусе показана на рис.7. Фильтр питания и импульсный блок питания расположены слева от динамической головки, импульсный преобразователь напряжения находится сверху от динамика, модуль УМЗЧ виден справа от динамика, модуль фильтра питания УМЗЧ находится снизу от динамика. Выключатель питания, совмещённый с регулятором громкости, находится внизу слева, USB гнездо и одно из входных гнёзд УМЗЧ находятся внизу в центре. Внешний вид устройства в сборе, совместно с работающей электронной книгой TB-840HD, воспроизводящей художественный фильм, показан на фото в начале статьи. Светодиод HL2 виден слева от USB гнезда, а светодиод HL1 — сверху от регулятора громкости.

Самая ответственная деталь конструкции — импульсный трансформатор Т1. Для его изготовления применяется кольцевой сердечник К20-12-12 из феррита 2000НН. На кольце острым напильником делаются на всех гранях диаметрально противоположные надпилы, после чего кольцо (для получения немагнитного зазора) разламывают на две примерно равные части и склеивают клеем «Квинтол» или БФ. Время сушки двое суток при комнатной температуре, на это время кольцо должно быть стянуто резинкой. Перед укладкой обмоток кольцо обматывают ПВХ изолентой или лакотканью. Первичная обмотка содержит 38 витков вдвое сложенного обмоточного провода диаметром 0,27 мм, намотка в один ряд. Конец одной полуобмотки соединяют с началом другой. После намотки первичных обмоток, поверх них укладывается 2-3 слоя изоляционной ленты, после чего наматывают обмотку III, состоящую из 26 витков литцендрата из 18 проводов диаметром 0,13 мм. Намотка в один ряд. Поверх этой обмотки наматывают обмотки II и II’ вдвое сложенным проводом МГТФ-0,03 — 8 витков. Конец одной полуобмотки соединяют с началом другой. Если преобразователь напряжения не будет возбуждаться, крайние выводы обмоток II, II’, подключенные к базам VT1, VT3, меняют между собой.

Дроссели L3 на обеих принципиальных схемах состоят из 5-7 витков вдвое сложенного монтажного провода, намотанных на ферритовых кольцах с внешним диаметром 12…16 мм. Остальные дроссели малогабаритные промышленного изготовления (рис.1):

L1, L2 индуктивностью от 100 мкГн с сопротивлением обмотки до 10 Ом;
L4 и L6 индуктивностью близкой к указанной на принципиальной схеме, с сопротивлением обмоток не более 0,1 Ом;
L5 и L7 — SMD дроссели с сопротивлением обмоток не более 0,02 Ом.

Дроссели L1, L2 в схеме на рис.5 индуктивностью от 10 мкГн с сопротивлением обмоток не более 0,05 Ом. На месте однообмоточных дросселей удобно применять дроссели промышленного изготовления, намотанные на Н-образных ферритовых сердечниках. Обилие дросселей в этой конструкции не слишком усложняет устройство, но значительно повышает помехозащищённость подключенных к конструкции мобильных мультимедийных аппаратов и снижает риск их аппаратного или программного повреждения.

Постоянные резисторы типов С1-4, С1-14, С2-23, МЛТ, РПМ и другие аналогичные общего применения. Резистор R1 в схеме рис.1 желательно установить невозгораемый Р1 -7-2 или импортный разрывной. Переменный резистор СПЗ-ЗЗ-20, совмещенный с выключателем питания, можно заменить аналогичными СПЗ-12к, СПЗ-ЗОк сопротивлением 4,7…47 кОм.

Варистор SVC471-14 можно заменить FNR-14K471, FNR-20K471, FNR-20K431, MYG20-471, LF14K471.

Конденсаторы С1, С2 (рис. 1) керамические высоковольтные на рабочее напряжение постоянного тока не менее 1000 В, например, К15-5 или аналогичные импортные, например, керамические на рабочее напряжение переменного тока не менее 250 В. Конденсаторы С9, С11 (рис.1) малогабаритные плёночные на рабочее напряжение не менее 63 В, например, К73-17, К73-24 или аналогичные импортные. Остальные неполярные конденсаторы керамические или малогабаритные плёночные на рабочее напряжение не менее 16 В. Конденсатор С8 (рис.5) устанавливают в непосредственной близости от выводов питания DA1. Остальные конденсаторы типов К50-35, К50-68, К50-24, К53-19, К53-30 или импортные аналоги.

Диоды 1N4148 можно заменить любыми из 1SS176S, 1N914, КД5106, КД521, КД522. Диоды Шотки 1N5819 можно заменить SB10-05A2, SB10-04А3, SB16-04LHP, MBRS140T3, MBRS340T3. Диоды Шотки MBRS130LT3 можно заменить 1N5817, 1N5818 или упомянутыми ранее. Стабилитрон BZV55C-4V7 можно заменить 1N4732A, TZMC-4V7 и другими аналогичными маломощными.

Для получения напряжения 5,3…5,4 В на обкладках конденсатора С17 при токе нагрузки 0,1 А может потребоваться подбор типа и экземпляра стабилитрона VD3. В небольшом диапазоне выходное напряжение преобразователя можно установить подбором сопротивления резистора R16.

Стабилитроны 1N4734A можно заменить TZMC-5V6, BZV55C-5V1. На время проверки работоспособности преобразователя напряжения эти стабилитроны временно отключают.

Светодиоды можно установить любого типа непрерывного свечения без встроенных резисторов, например, из серий КИПД21, КИПД40, L-63. Оптрон PS2501-1 можно заменить EL817, PC817, LTV817, PC123. Составные транзисторы 2SD2010 можно попробовать заменить отечественными из серии КТ972 с буквенными индексами А, В, Г, Вместо транзисторов 2SC3199 подойдут любые из серий 2SC3330, SS9014, КТ315, КТ3102, КТ645. Миниатюрный германиевый р-n-р транзистор ГТ109И можно заменить любым из этой серии или транзистором с более крупным корпусом из серий ГТ322, МП25, МП26, МП39-МП42. Желательно подобрать экземпляр транзистора с наименьшим напряжением насыщения перехода база-эмиттер. Вместо микросхемы TDA7056B можно установить TDA7056A, но эта микросхема имеет меньшую максимальную выходную мощность (3 Вт) и рассчитана на подключение к нагрузке сопротивлением 16 Ом. Микросхему устанавливают на дюралюминиевый, латунный или медный ребристый теплоотвод.

Импульсный блок питания HNA120050Е можно заменить любым малогабаритным на выходное напряжение 12… 13 В, рассчитанным наток нагрузки не менее 0,5 А. Он приобретается в отделах магазинов, торгующих зарядными устройствами, сетевыми адаптерами для мобильной аппаратуры. Можно применить импульсный блок питания от видеомагнитофона или DVD-плеера [2].

Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель MF-R050 можно заменить LP60-050, LP30-050.

Стандартное USB гнездо расположено на передней панели корпуса. Его металлический корпус электрически соединён с «минусовым» выводом этого гнезда. Динамическая головка любая широкополосная с паспортной мощностью не менее 5 Вт, с сопротивлением катушки 8…16 Ом. Следует учитывать, что для современных динамических головок обычно указывают максимальную кратковременную мощность.

Литература:

1. Бутов А.Л. Преобразователь напряжения для карманного плеера // Радиоаматор. — 2009.
2. Бутов А.Л. УМЗЧ 2×4 Вт с импульсным питанием // Радиоаматор. — 2009.

Источник: Радиоаматор №3 2013
Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.

C этой схемой также часто просматривают:

ЗАЖИГАЛКА ДЛЯ ГАЗА
Зарядное устройство для автомобильных и мотоциклетных батарей
Зарядное устройство аккумуляторов от 1,2 до 15 В и от 0,1 до 10 А*ч
Зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов
Имитатор для проверки телефонных аппаратов
Универсальный УМЗЧ на LM383
Ограничитель мощности для паяльника без термопары
Радионяня, или передатчик для младенца
Стереопередатчик системы CCIR