Доработка китайского индикатора уровня GHXAMP с диапазоном 57дБ

Внешний вид индикатора

Мне понадобился индикатор выходного уровня в заводском корпусе со стандартной шириной 430 мм и с надписями на передней панели. Выбор оказался невелик, и я остановился на готовом устройстве GHXAMP AUDIO DB100 с двумя линейками из 40 светодиодов с заявленным диапазоном -57dB..0dB, что меня полностью устраивало (хотя цена, конечно, могла быть и поменьше). Корпус устройства изготовлен из железа, передняя панель с нанесённой шелкографией имеет толщину 2 мм. Единственными ненужными элементами корпуса являются крепёжные «уши» по бокам  для установки в 19-дюймовую стойку, но их можно аккуратно отпилить, а место среза закрасить чёрной краской. Каждая из двух линеек состоит из 10 пар зелёных (уровни -57..-30 дБ), 5 пар жёлтых (уровни -27..-15 дБ) и 5 пар красных светодиодов (уровни -12..0 дБ). На передней панели расположен выключатель питания, две ручки потенциометров для подстройки чувствительности каждого канала и переключатель режима отображения «Столбец» (Bar) / «Точка» (Dot). Сзади располагается разъём для подключения внешнего блока питания 12VDC 400mA и 2 пары звуковых разъёмов RCA (вход/выход). В работе индикатор выглядит довольно симпатично и позволяет быстро оценить уровень сигнала по цвету светящихся светодиодов.

Что же выявила проверка:

  • индикатор имеет максимальную чувствительность порядка 0,7В для уровня 0 дБ;
  • количество уровней индикатора — всего 20 при 40 светодиодах на каждый канал, так как  светодиоды для каждого уровня в линейках включены попарно — на самом деле в этом ничего «страшного» нет, этого количества уровней вполне достаточно, индикатор смотрится хорошо и способен выполнить требуемые функции;
  • реальный диапазон индикации составил менее 30 дБ, что ни в какие рамки не лезет — на малые уровни сигнала индикатор не реагирует, и надписи на передней панели не соответствуют реальным значениям.

Для выяснения причины указанного недостатка пришлось восстанавливать схему индикатора по печатной плате. Это не вызвало бы никаких проблем, если бы «ушлые» китайские товарищи не спилили названия двух микросхем (обе — с 14 выводами, в планарных корпусах), однако их функциональное назначение всё же было довольно быстро расшифровано. Теперь сразу стали понятны недочёты и ошибки, допущенные при разработке схемы.

Ниже приведена полученная схема с пояснениями, а также схема необходимых доработок. При желании на основе этих схем можно самостоятельно собрать аналогичный индикатор, но корпус для него придётся изготавливать самостоятельно.

Схема индикатора уровняОснову индикатора составляют две микросхемы U1, U2 измерителя уровня LM3915, каждая из которых обеспечивает отображение 10 уровней уровня сигнала с шагом 3 дБ, а вместе они перекрывают диапазон от -57 до 0 дБ для одного канала (подобная схема включения двух микросхем под названием «Extended Range VU Meter» приведена на стр. 16 даташита на микросхему LM3915). В микросхеме U3 угадывается счетверённый операционный усилитель (в котором реально используется всего два элемента) для реализации пиковых детекторов. Микросхема U4 — это набор КМОП-ключей наподобие СD4066, который довольно оригинально задействован для работы в режиме мультивибратора (ключи с инверсией U4/3 и U4/4) с частотой генерации порядка 80 Гц (частота определяется номиналами резисторов R30, R32 и конденсаторов C1, C2 — по расчётам 0,1 мкФ) и попеременно через ключи U4/1 и U4/2 коммутирует выходы пиковых детекторов U3 на совмещённый вход U1, U2, а также переключает линейки светодиодов через транзисторные ключи Tr3+Tr2 и Tr4+Tr1.

Для питания индикатора используется микросхема U5 LM7808 с двумя диодами D5, D6, повышающими выходное напряжение стабилизатора до +9,3В, в результате падение напряжение на микросхеме U5 минимально (около 2.7В), и она может использоваться без радиатора.

Проблема узкого диапазона индикатора связана с двумя некорректными схемными решениями:

  • однополярное питание пиковых детекоров, которое не позволяет производить обработку сигналов малого уровня из-за перехода выходных каскадов операционных усилителей в режим насыщения с ненулевым начальным напряжением;
  • наличие диодов D3 и D4 непосредственно в цепи прохождения выпрямленного сигнала — использованные диоды обладают заметным прямым падением напряжения, и даже с учётом смещения этих диодов за счёт начального напряжения на выходах ОУ, они «режут» нижнюю границу измеряемого диапазона.

Частично проблема может быть решена заменой диодов D3 и D4 на диоды Шоттки — хорошие результаты были получены с диодами SD101 — диапазон индикации составил уже порядка 42 дБ. При использовании диодов с ещё меньшим прямым падением напряжения может появиться начальная подсветка светодиодов нижних уровней из-за ненулевых (и, как правило, ещё и отличающихся) напряжений на выходах ОУ, так что дальнейшее улучшение без более серьёзной доработки невозможно.

Предлагаемые доработки на самом деле не очень сложные:

ДоработкиДля реализации доработок нужно изготовить две небольшие дополнительные платы, размещаемые между линейками светодиодов сверху основной платы: плата источника питания -9В (инвертор на микросхеме U1' MC34063) и плата новых пиковых детекторов на быстродействующих прецизионных операционных усилителях U2', U3' AD711JRZ с цепями точной установки нуля на выходе. В предлагаемом варианте пиковых детекторов диоды для исключения влияния их нелинейности включены в цепь ООС операционных усилителей, как это рекомендовано в даташите на микросхему LM3915, при этом используется неинвертирующее включение усилителей.

Примечательно то, что использование однополярного питания микросхемы U4 практически не мешает коммутировать с её помощью малые положительные уровни сигналов с выходов пиковых детекторов. Если же влияние сопротивлений открытых ключей на малых уровнях сигнала с конкретным экземпляром микросхемы окажется заметным, его можно компенсировать незначительным увеличением «нуля» на выходах пиковых детекторов с помощью потенциометров R8', R13'.

Платы можно изготовить методом ЛУТ из двухстороннего стеклотекстолита толщиной 1 мм: верхний слой используется в качестве экрана, а нижний — в виде токопроводящих дорожек (правда, на печатной плате пиковых детекторов толщина дорожек всего 0,2 мм, так что потребуется аккуратность и терпение). Рисунок печатных плат приведён во вложении в архивном файле. Ниже приведены фотографии доработок.

Плата источника питания -9В снизу:

Плата питания -9В

Плата источника питания -9В сверху (светодиод не ставить, так как он отсвечивает):

Плата питания сверху

 

Монтаж платы источника питания -9В:

Монтаж платы источника питания

Монтаж конденсатора C3' 1000 мкФ x 16В:

Вид снизу на конденсатор C3'

Плата новых пиковых детекторов снизу:

Плата пиковых детекторов

Плата пиковых детекторов сверху:

Плата пиковых детекторов сверху

 

Подготовка к монтажу платы пиковых детекторов:

Подготовка к монтажу пиковых детекторов

Монтаж платы пиковых детекторов:

Монтаж платы пиковых детекторов

Конденсаторы E3, E4 на основной плате заменены на неполярные, E5, E6 исключены. Корпус устройства необходимо заземлить. Снизу корпуса целесообразно приклеить небольшие резиновые ножки.

После проведения доработок диапазон индикатора стал практически соответствовать заявленному.

В процессе эксплуатации индикатора был выявлен ещё один недостаток: небольшое, но заметное снижение уровня яркости зелёных светодиодов в режиме «Bar» при загорании линейки жёлтых и красных светодиодов; в целом ощущалась нехватка яркости свечения всех светодиодов. В процессе решения этой проблемы «всплыли» ещё две недоработки: завышенная яркость жёлтых и красных светодиодов по сравнению с зелёными и перегрев некоторых элементов схемы.

Для начала пришлось заменить стабилитроны D1 и D2 с напряжением стабилизации 2,7V на диоды с бо́льшим напряжением Uст = 7,5V. Указанные стабилитроны служат для ограничения мощности, рассеиваемой микросхемами U1, U2, за счёт снижения напряжения на анодах светодиодов до уровня Uст-0,7V  (примерно +6,8V). Величина напряжения на эмиттерах транзисторов Tr1, Tr2, ограниченная изначально применёнными стабилитронами, оказалась явно недостаточной: для нормального свечения используемых светодиодов требуется прямое падение порядка 1,8..2,2V — в нашем случае оно было на грани, и ток через светодиоды был меньше расчётного (расчётные: 23 mA для каждой пары зелёных светодиодов и 20 mA для пары жёлтых и красных). После замены стабилитронов D1, D2 этот недостаток проявился по-другому: теперь при засветке всех светодиодов яркость зелёных не «проседала», но она была меньше яркости жёлтых и красных; светодиоды стали светить слишком ярко, и некоторые элементы начали перегреваться (Tr1, Tr2, U1, U2). Кроме того, возрос уровень помех, воздействующих на чувствительные узлы индикатора.

Интенсивность свечения удалось снизить и выровнять увеличением номиналов резисторов R3 (510 Ом вместо 150 Ом), R4 (12 кОм вместо 2,7 кОм), R5 (3,9 кОм вместо 750 Ом), R6 (750 Ом вместо 560 Ом) — эти изменения выделены на схеме красным цветом — с целью снижения тока через зелёные (до 17 mA на пару), жёлтые и красные (до 6 mA на пару) светодиоды. Свечение всех светодиодов стало практически равномерным; их токи стабилизируются выходными ключами микросхем LM3915.

Кстати, номинал резистора R3 изначально был выбран неправильно: он определяет верхний порог для микросхемы U1, который должен соответствовать -30 дБ (светодиоды LED37..LED40), т.е. быть на 3 дБ меньше уровня нижнего порога для микросхемы U2 -27 дБ (светодиоды LED41..LED44). При изначально установленных номиналах резисторов R3, R4, R5 верхний порог для микросхемы U1 был завышен до -27,6 дБ, в результате шаг между указанными уровнями не соответствовал 3 дБ, т.е. эти уровни были расположены слишком близко друг к другу: для исправления этого недостатка достаточно было уменьшить номинал резистора R3 до 110 Ом.

Транзисторы Tr1, Tr2  (2SC1815) необходимо заменить на более мощные BC817-40.215 (хотя, по-хорошему, туда надо было бы поставить транзисторы не в корпусах SOT-23, а в «нормальных» корпусах с обычными выводами). Максимальный ток, потребляемый светодиодами для микросхемы U1, составляет 10x17мА=170mA, для микросхемы U2 — 10x6mA=60mA, для двух микросхем — 170mA+60mA=230mA (линейки светодиодов для левого и правого каналов коммутируются поочерёдно, поэтому общий ток не превышает указанного значения). Этот ток течёт и через транзисторы Tr1, Tr2, которые греются, так как на них падает разница между напряжением питания (+9,3V) и напряжением на анодах стабилитронов (+6,8V). Эта разница составляет сейчас около 2,5V при максимальном токе 0,23A (падением напряжения на ограничительных резисторах R1, R2 можно пренебречь), следовательно, на транзисторах, с учётом импульсного характера их работы (мощность нужно делить на 2), может рассеиваться максимальная мощность, доходящая почти до 2,5*0,23/2=0,29W (при допустимой 0,31W). При таком режиме на транзисторы целесообразно приклеить небольшой теплоотвод:

Теплоотвод на транзисторы

Напряжение на управляющих светодиодами выходах микросхем U1, U2 будет ограничено на уровне примерно 5V (со стабилитронами D1, D2 на 7,5V), так как часть напряжения, поступающего с выходов ключей Tr1, Tr2, будут «забирать» светодиоды (порядка 2V), поэтому мощность, рассеиваемая микросхемой U1, может достигать 1,15W, микросхемой U2 — 0,3W, что не превышает максимально допустимого предела 1,365W, но теплоотводы для микросхем, особенно U1, лучше  всё-таки тоже предусмотреть.  Таким образом, выбор стабилитронов с напряжением 7,5V является оптимальным и позволяет довести мощность, рассеиваемую на элементах Tr1, Tr2, U1, U2, до приемлемых значений с сохранением равномерной и достаточно высокой яркости свечения светодиодов.

Полностью доработанный индикатор обеспечивает достоверный и удобный контроль за выходной мощностью усилителя. Этот пример наглядно демонстрирует то, как выполнены многие китайские разработки, а также как хорошую идею можно «угробить» не до конца продуманной реализацией.

Вложение:
platy-dorabotok-indikatora-urovnja.zip 21 Кбскачан 24 раза
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!