Maurizio Daniele e il suo Ampli per Sub

Chiamato  MKII

 Di cosa si tratta

Amplificatore per subwoofer

Chi lo ha costruito

Maurizio Daniele   Maurizio.daniele@marconi.com

Caratteristiche particolari

Molto interessante ..   forse  non adatto ai principianti

Mia presentazione

Maurizio  costruisce veramente di tutto ...   progetto impegnativo ..  e molto interessante  ... Gustatevelo   Davide Sbisa'

Sistema subwoofer attivo mSub

PREMESSA

Personalmente farei volentieri a meno del subwoofer ma, per motivi di spazio, non ho alternative e devo utilizzare la soluzione satelliti più subwoofer. Di necessità bisogna far virtù e così è nato questo progetto.

Si tratta di un amplificatore mono di potenza integrato con un filtro crossover attivo.

Il sistema è costituito dai seguenti blocchi funzionali:

1.       Alimentatori

2.      Crossover.

3.      Finale di potenza.

4.      Circuiti di protezione.

Alimentatori

La qualità di questo amplificatore è determinata dal sistema di alimentazione, semplice ma raffinata. A differenza di quanto si possa credere, per ottenere buoni risultati, non è necessario ricorrere a particolari sofisticazioni, basta solo utilizzare i giusti componenti nel modo giusto.

Prima di tutto ho utilizzato due diversi alimentatori separati per crossover e finale di potenza in modo da eliminare qualsiasi interferenza reciproca.

L’alimentatore del finale di potenza è il classico alimentatore non stabilizzato basato su un massiccio trasformatore toroidale da circa 170VA che faceva parte di un vecchio kit di Nuova Elettronica.

Grazie a questo componente l’impedenza dell’alimentatore risulta essere molto bassa così come il flusso disperso, quest’ultimo particolare molto importante, vista la vicinanza di un circuito che esalta le frequenze da 20 a 150Hz.

alimentatore

Questo trasformatore alimenta un robusto ponte raddrizzatore da 10A a cui segue una batteria di due coppie di condensatori elettrolitici Kendeil da 4700mF.

In vari punti dell’alimentatore sono posti condensatori in polipropilene WIMA da 100nF, in modo da eliminare il più possibile qualsiasi forma di rumore.

Ho provato vari condensatori elettrolitici ma devo dire che i Kendeil hanno veramente qualcosa in più, sicuramente non possono competere con altri più blasonati ma hanno un buon rapporto qualità/prezzo.

Da questo circuito ricavo una tensione duale di 40V con cui alimentare lo stadio finale di potenza.

I circuiti del crossover necessitano di una tensione duale a 15V. Questa tensione duale viene ricavata mediante un alimentatore stabilizzato completamente separato dall’alimentatore dello stadio finale. Anche in questo alimentatore si usano delle generose capacità di livellamento (2200mF per ramo) anche se la corrente assorbita è veramente irrisoria.

Utilizzando un apposito trasformatore separato la massa di questo alimentatore è mantenuta separata dalla massa dell’alimentatore dell’amplificatore.

Il punto di giunzione delle due masse ottimale va ricercato sperimentalmente, nel mio caso ho scoperto che il modo migliore è attraverso la connessione di segnale tra cross-over e finale.

Elenco componenti alimentatori

C1: 100nF – 400V Classe X2

C2, C3, C4: 100nF – 100V poliestere/polipropilene

C5, C6, C7, C8: 4700mF – 63V

C11, C12: 2200mF – 25V

C13, C14, C15, C16: 100nF ceramico

C17, C18: 100mF – 25V

B1: Ponte raddrizzatore 600V - 10A

D1, D2, D3, D4: 1N4003

IC1: LM7815

IC2: LM7915

TF1: Trasformatore 220V, secondario 2x29 – 30V / 3A

TF2: Trasformatore 220V, secondario 2x15V – 10VA

Varie: Portafusibili per circuito stampato

Fusibili 3.15A

Morsettiere per circuito stampato

Crossover

Il circuito di Crossover  provvede alle funzioni qui elencate:

Ø      Disaccoppiamento degli ingressi;

Ø      Miscelazione dei segnali provenienti dai canali L e R;

Ø      Filtraggio passa-alto con taglio a 20Hz;

Ø       Filtraggio passa-basso con taglio a 150Hz;

Ø       Regolazione livello di uscita e disaccoppiamento.

Le linee provenienti dai connettori RCA di ingresso collegate ciascuna ad un voltage follower realizzato con un circuito integrato LF356.  Questo circuito è necessario per avere un’alta impedenza di ingresso e per poter successivamente sommare i due segnali L e R senza influenzare le linee di ingresso.

crossover

Sull’uscita di ogni circuito integrato si ha una serie composta da un condensatore poliestere e da una resistenza, il condensatore ha lo scopo di eliminare l’offset introdotto dall’amplificatore operazionale e la resistenza consente di realizzare un nodo sommatore.

I segnali L e R vengono quindi miscelati assieme per mezzo di un semplice sommatore realizzato con uno degli amplificatori contenuti in un circuito integrato TL072.

Il motivo di questa soluzione è che le frequenze al di sotto di 200Hz perdono la caratteristica di direzionalità. In base a questo principio si possono tranquillamente sommare i contributi dei canali destro e sinistro in un unico canale e quindi realizzare solamente un filtro e soprattutto un solo amplificatore finale.

Il segnale somma ottenuto viene quindi inviato ad un filtro passa-alto realizzato intorno all’altro amplificatore operazionale contenuto nel circuito integrato TL072. Questo circuito è di tipo Butterworth del II ordine, quindi con una pendenza di 12dB/ottava, i componenti utilizzati sintonizzano la frequenza di taglio a circa 20Hz in modo da evitare di amplificare dannose frequenze subsoniche.

Il circuito successivo è il cuore del sistema, ovvero il filtro passa-basso, questo è realizzato intorno ad un altro circuito integrato TL072. Anche in questo caso la configurazione adottata è Butterworth del II ordine.

La frequenza di taglio deve essere scelta in base alle caratteristiche dell’altoparlante utilizzato nel diffusore acustico, in questo caso ho scelto una frequenza di 150Hz per adattare il sistema al mio subwoofer.

La frequenza di taglio deve essere scelta in base alle caratteristiche dell’altoparlante utilizzato nel diffusore acustico, in questo caso ho scelto una frequenza di 150Hz. Il punto di taglio può essere facilmente calcolato con le seguenti formule:

F1= 1.414/(2pRC_A)

F1= 0.7071/(2pRC_B)

C_A = C5 = 100nF

C_B = C6+C7 = 47+2.9nF = 49.9nF

R = R11 = R12 = 15kW

F1 = 150.10Hz

F1 = 150.4Hz

Si ha una buona aprossimazione.

In uscita al filtro passabasso viene posto il controllo di livello realizzato mediante un potenziometro ALPS da 50kohm.

Allo scopo di minimizzare le interferenze il potenziometro è montato direttamente sul circuito stampato e il suo alberino di comando viene rinviato al pannello frontale mediante una prolunga.

Subito dopo il potenziometro troviamo un voltage follower realizzato con il secondo operazionale dell’integrato TL072; mediante questo circuito è possibile collegare qualsiasi tipo di finale senza caricare l’uscita del filtro passa-basso.

E’ stata posta particolare attenzione al layout del circuito stampato in quanto, visto che il circuito enfatizza le basse frequenze, l’insorgere di ronzii sarebbe deleterio.

Invece del solito lago di massa comune ogni circuito ha la sua linea di massa dedicata che converge in un unico punto di collegamento allo 0 centrale dell’alimentazione.

Tutti gli amplificatori operazionali sono dotati di condensatori ceramici di bypass da 100nF posti tra i due rami di alimentazione e massa.

Elenco componenti crossover

Finale di potenza

Il finale di potenza, utilizzando adeguati transistor di potenza e una tensione di alimentazione duale di 40V può erogare fino a 100W su 4ohm. Si tratta di un progetto pubblicato sulla rivista Elektor negli anni ’80, una rivista di cose ben fatte (Nota: purtroppo questa rivista non viene più pubblicata in Italia).

In questo progetto viene utilizzata una tensione di alimentazione non stabilizzata, quindi sotto carico tende a diminuire, di conseguenza la massima potenza dichiarata non può essere raggiunta. Ipotizzando di avere una tensione duale di 35V a pieno carico, possiamo considerare una potenza di circa 55W su 8ohm e di 70W su 4ohm.

finale

L’ingresso è realizzato con un amplificatore differenziale basato su due transistor PNP. Segue poi un transistor di pilotaggio il cui collettore è collegato ad un transistor funzionante da “diodo zener” regolabile per determinare la corrente di riposo.

Nonostante la presenza di transistor BJT l’impedenza di ingresso è piuttosto alta, circa 100kohm, perchè questo circuito adotta una configurazione di tipo “bootstrap” poco conosciuta e descritta solamente in pochi testi di elettronica.

I transistor finali previsti nel progetto originale sono dei darlington della serie BDX, quindi necessitano di una corrente di base ridotta in quanto hanno un elevato guadagno in corrente.

I tipi proposti originariamente sono BDX66B e BDX67B hanno le seguenti caratteristiche:

Vcemax:                     100V

Icmax:                                   16A

Pdiss continua:          150W

Per questioni di ingombro (case TO-3) e per la difficile reperibilità dei BDX66/67 ho scelto di optare per una coppia complementare in case TO-218, meno ingombranti e più facilmente reperibili. La coppia complementare di potenza è così formata da un TIP142 e da un TIP147, le cui caratteristiche sono:

Vcemax:                     100V

Icmax:                                   10A

Pdiss continua:          125W

I transistor finali di potenza non sono montati sulla scheda principale dell’amplificatore, ma su una schedina apposita che incorpora anche i rispettivi condensatori di Miller.

Il circuito è completato con una piccola raffinatezza che difficilmente si vede, anche su amplificatori commerciali. Si tratta di una coppia simmetrica di filtri RC posti sulle linee di alimentazione, queste reti simmetriche RC servono ad annullare gli effetti dell'induttanza residua dei condensatori. Si tratta semplicemente di condensatori polipropilene e normali resistenze.

Elenco componenti finale di potenza

La taratura è semplicissima, basta cortocircuitare l’ingresso e regolare il trimmer P1 per misurare una corrente di 80mA sul ramo positivo di alimentazione.

Circuiti di protezione

L’amplificatore presenta diversi sistemi di protezione in grado di prevenire danni ad alimentatori ed altoparlanti.

Il primo sistema di protezione è dato dal controllo automatico di corrente in uscita dai transistor finali.

In serie ai transistor finali sono poste delle resistenze di potenza che, oltre a compensare le inevitabili differenze nella coppia complementare, forniscono una valutazione della corrente di uscita. La tensione rilevata ai capi di queste resistenze viene applicata a due partitori che controllano la polarizzazione di due piccoli transistor.

Se la corrente in uscita eccede il valore predisposto i transistor si portano in conduzione limitando il pilotaggio in base dei transistor finali.

I rapporti determinati dai partitori determinano a quale corrente deve intervenire la protezione.

vista anteriore

Il secondo sistema di protezione è dato dai fusibili posti sulle linee di alimentazione.

In caso di eccessivo assorbimento da parte di qualche componente si ha l’interruzione del fusibile che protegge la linea coinvolta.

Il terzo sistema di protezione riguarda l’altoparlante per prevenire danni dovuti a tensioni continue e bump di accensione, che comprende anche un indicatore di stato.

Questo sistema viene alimentato da una tensione di 12V che, in questo caso, è fornita da un piccolo alimentatore stabilizzato, la tensione alternata viene fornita da un avvolgimento ausiliario del trasformatore principale TF1.

L’alimentatore comprende anche un semplice circuito che, per alcuni secondi, consente di mantenere in muting l’uscita dell’amplificatore ed evitare quindi il fastidioso (e dannoso) bump di accensione e spegnimento.

Il circuito di protezione contro le tensioni continue è collegato in parallelo all’uscita dell’amplificatore finale ed è costituito da un filtro passa-basso calcolato in modo tale che il sensore si attivi in presenza di corrente continua ma non di segnali a bassa frequenza.

L’uscita altoparlanti è interrotta dal contatto di un relè.

Al momento dell’accensione il relè viene attivato con un piccolo ritardo e quindi evita di udire il fastidioso “bump”.

Quando viene rilevata la presenza di tensione continua, di qualsiasi polarità, il sensore interviene disattivando il relè e quindi scollegando l’altoparlante. Per garantire questa possibilità occorre utilizzare due normali condensatori elettrolitici da 47mF collegati in antiserie o un condensatore non polarizzato da 22mF.

Lo stato di funzionamento del relè è indicato da un led, a relè diseccitato il led lampeggia, con relè eccitato il led è acceso a luce fissa.

Elenco componenti circuiti di protezione

Assemblaggio

Questo dispositivo richiede una particolare cura, non tanto nell’assemblaggio delle singole schede, quanto piuttosto nel collegamento delle medesime e nella messa a punto finale.

Trattandosi di un amplificatore che esalta le frequenze da 20 a 150Hz occorre prestare molta attenzione alle masse e quindi evitare i pericolosi “loop”.

Non si può dettare una regola generale, ma bisogna trovare per via sperimentale quale sia la collocazione migliore delle schede all’interno dello chassis e, soprattutto verificare come collegare tra di loro le varie masse.

In particolare è importante verificare in modo sperimentale quale sia il punto migliore per congiungere la massa del crossover con la massa del finale di potenza.

Chassis

Tutto il sistema è stato sviluppato nell’ottica di ottenere una realizzazione molto compatta. Tutte le parti sono state infatti alloggiate in un cabinet autocostruito in legno e alluminio alto solo 60mm.

I pannelli superiore e posteriore sono realizzati in laminato di alluminio da 3mm verniciato con vernice nera per alluminio che ricrea l’effetto anodizzato.

Il pannello di fondo è in MDF da 5mm verniciato in nero.

Sul pannello posteriore vengono montate tutte le prese di ingresso e uscita e la presa di alimentazione con fusibile oltre che il dissipatore dei transistor finali.

Il dissipatore è un recupero da un vecchio kit di nuova elettronica ma può essere reperito a prezzi onesti da un rivenditore di semilavorati metallici ben fornito.

La cornice in legno di mogano è spessa 10mm e alta 60mm ed internamente è incollata ad un’altra cornice sempre in legno duro da 10mm e alta 50mm. In questo modo si realizzano due scalini in cui inserire a battuta il pannello superiore e quello inferiore.

Nella parte anteriore della cornice è presente un foro perfettamente in asse con il potenziometro di volume. Per mantenere l’allineamento del perno di comando, nella parte interna della cornice ho avvitato una particolare boccola di ottone.

Questa boccola è stata ricavata da un inserto di diametro 8mm normalmente utilizzato nei mobili. Questi inserti normalmente hanno una filettatura esterna che consente l’avvitamento nel legno e una filettatura interna adatta a ricevere viti di normale passo metrico MA.

Ho provveduto ad eliminare la filettatura ripassando il foro con una punta da 6.5mm ed ecco ricavata la mia boccola.

La parte interna del pannello frontale è coperta da un foglio di rame da 0.2mm che contribuisce alla schermatura. Anche i circuiti più critici in termini di interferenze sono protetti con questa schermatura.

Conclusione   Su richiesta posso fornire gli schemi e i disegni dei circuiti stampati in formato eagle.   Maurizio.daniele@marconi.com

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