[size=150]JOHDANTO[/size]
Ammattikoulun lopputyönä (Sähköalan perustutkinto, elektroniikka-asentaja, valmistumisvuosi 2010) tein stereovahvistimen, johon lähdin sisällyttämään kaupallisista tuotteista tuttuja ominaisuuksia, kuten LCD-näytön, sisääntulon valitsimen, kauko-ohjauksen ja digitaalisen äänenvoimakkuuden säädön, käyttäen mikroprosessoria. Osa ominaisuuksista karsiutui pois työn aikana, osittain aikarajoituksen, mutta myös oman suunnitteluni ongelmien takia.
[size=150]VAHVISTIN[/size]
Aloittaessani suunnittelemaan/etsimään sopivaa vahvistimen piirikaaviota oli edellytyksenä vain, että se on kohtalaisen yksinkertainen, erilliskomponenteilla toteutettu MOSFET-vahvistin. Monimutkaisemman piirikaavion ongelmana oli hinta, joten sen täytyi olla kohtalaisen yksinkertainen. Jotta työ soveltuisi paremmin aikaisempaan koulutukseen, halusin tehdä piirilevyt erilliskomponenteilla, jolloin juottamista tulisi enemmän, ja siten osoittaisi osaamista sillä aihealueella (totta puhuakseni, juotokset eivät olleet työn vahvin osa-alue). MOSFETit olivat oma päähänpistoni, sillä koulutuksen aikana käsiteltiin BJT-transistorivahvistimet perinpohjaisesti läpi, mutta MOSFETejä ei niinkään käsitelty vahvistinten muodossa.
Valitsin lopulta redcircuits.com -sivustolta löytyneen piirikaavion. Kaavio on riittävän selkeä, eikä se tarvitse erillistä etuvahvistinta tai muita lisukkeita. Tehoakin siitä löytyi omaan käyttööni riittävästi, 25W. Mittaukset kuitenkin osoittavat, että tehoa lähtee jopa 45W 8 ohmin kuormaan. Piirikaavio on yhdelle kanavalle, joten ko. piirejä tulee kaksi kappaletta stereovahvistimeen. Lisäksi vielä virtalähteen piirikaavio.
Piirilevyt suunnittelin Texas Instrumentsin Multisim -ohjelmalla, johon koululla oli lisenssi. Ko. ohjelmalla luodaan ensin simulaatio kytkennästä, jonka jälkeen se viedään piirilevyn suunnitteluosioon. Näin tehtynä komponenttien yhteydet ovat valmiiksi tehty, ja osat tarvitsee “vain” asetella hyvin ja vetää kuparivedot. Syvemmin ohjelman käyttöön en pureudu, sillä itsellänikin oli käytössä ohjeet piirilevyn tekemiseen ohjelmalla, ja ohjeita oli luultavasti melkein kaksikymmentä sivua.
Valmiin suunnitelman jälkeen vein ohjelmasta saadut gerber-tiedostot koulun jyrsinkoneelle, josta sain jyrsityt levyt takaisin. Tämän jälkeen edessä oli kaikkien piirilevyjen juottaminen valmiiksi sekä testaaminen. Osat tilasin K-S Elektroniikan kautta.
Vahvistimen piirilevy toimi lähes suoraan, eli siis heti kun juotosvirheet ja muut lastentaudit oli hoidettu. Päätetransistorien jäähdytyksestä vastaa kaksi alumiinirivastoa sekä tietokoneen tuuletin, jota käytetään 7 voltilla. Kotelon minulle teki eräs tuttuni vanhoista laudoista, jotka on liimattu yhteen ja petsattu.
Vahvistimen virtalähteenä toimii yllä näytetty virtalähde, josta saa nimellisesti +/-33 volttia, mutta joka todellisuudessa on +/-37 volttia kuorman kanssa. Virtalähde on tavallinen rengassydänmuuntajaa ja tasasuuntaussiltaa käyttävä lineaarivirtalähde. Virtaa siitä saa ulos noin amppeerin verran kummastakin linjasta (yhden amppeerin sulakkeet linjoissa, todellisuudessa virtalähde kestäisi jonkin verran enemmänkin.).
[size=150]MIKROPROSESSORI[/size]
Mikroprosessorina käytin aikaisemmilta kursseilta tuttua PicMicroa, 16F877A, ja ohjelmointiympäristönä Matrix Multimedian Flowcodea. Tein prosessoria varten “hakkeroidun” alustan, jossa oli vain kaikki prosessorin toiminnan kannalta tärkeät ominaisuudet ja tarvittavat liittimet. Ohjelmoinnin tein Matrixin ohjelmointialustalla, josta sitten siirsin piirin omalle alustalleni.
Mikroprosessoria käytin sisääntulon valitsimeen, digitaaliseen äänensäätöön, kauko-ohjaukseen sekä LCD-näytön ohjaamiseen.
[size=150]SISÄÄNTULON VALITSIN[/size]
Sisääntulon valitsin on toteutettu 4016-piireillä, joissa prosessorilla ohjataan “kytkintä”, jonka läpi audiosignaali kulkee. Nykyään tiedän, että AC-signaalin saa ko. piiristä läpi asettamalla piirin “maan” miinus-jännitteeseen, mutta työssäni tein hiukan eri tavalla. Ennen kuin audiosignaali pääsee piirille, siihen lisätään +2,5V tasajännite jännitteenjakokytkentää käyttäen (suodatuskondensaattori ennen tasajännitteen lisäämistä), jolloin koko aalto on positiivista jännitettä. Tämän jälkeen se ajetaan piirin läpi ja sen jälkeen suodatetaan 1uF kondensaattorilla, jolloin siitä saadaan taas tavallinen audiosignaali. Piirin jälkeen eri sisääntulot vielä yhdistetään ennen kuin signaali pääsee suodatuskonkalle. Valitettavasti ko. kytkennästä ei ole piirikaaviota, vaan osa eteni lähes lennossa, vähän jotain paperinreunaan suhaisten.
[size=150]VOLUME[/size]
Signaalin kulkua seuraten digitaalinen äänenvoimakkuuden säätö oli pienoinen pettymys, mutta siitä lisää seuraavassa kappaleessa. Ideana oli “simuloida” potentiometriä siten, että audiosignaali eteen asetetaan yksi vakioarvoinen vastus, ja tämän jälkeen on useampi eriarvoinen vastus rinnakkain, joiden yhteyttä maahan ohjataan MOSFETeillä, joiden hilaa ohjaa mikroprosessori. Vastukset toteuttavat näin jännitteenjaon, ja vahvistimelle kulkeva audio otetaan vastusten välistä. Mitä suurempi vastus maihin oli kytkettynä, sitä suurempi signaali pääsi vahvistimelle.
Kytkennän suunnittelin itse, ja ideaalitapauksessa (simuloituna) se toimikin hyvin. Todellinen maailma kuitenkin harvoin vastaa ideaalimaailmaa, ja se tuli selväksi tässä työn osassa. Oletettavasti vastusten ohjaamiseen käytetyt MOSFETit loivat häiriötä signaaliin, jolloin signaaliin tuli merkittävä määrä kohinaa, jonka lisäksi äänenvoimakkuus ei säätynyt lähellekään suunniteltua käyrää, vaan hyppi lähes satunnaisesti korkeasta matalaan. Kytkentä olisi sijoittunut em. 4016-piirien jälkeen ja suodatinkondensaattoreita ennen, jotta vaihtosignaali ei vaikuttaisi MOSFETeihin. Lopputuloksena oli kytkennän korvaaminen tavallisella logaritmisella stereopotentiometrillä.
Vaihtoehtoinen ja luultavasti suositellumpi tapa yrittää digitaalista äänenvoimakkuuden säätöä olisi digitaalisen potentiometrin käyttäminen, esimerkiksi piiri MCP42010.
[size=150]KAUKO-OHJAUS[/size]
Kauko-ohjausta lähdin toteuttamaan infrapunalla. Ostin vanhan kaukosäätimen, jonka pulssikoodin selvitin koulusta löytyneellä oskilloskooppiin liitettävällä infrapunavastaanottimella. Tämän jälkeen lähdin muokkaamaan Matrix Multimedian keskustelupalstalta löytynyttä vastaavaa ohjelmaa, joka kuitenkin käytti eri pulssikoodia.
Harmikseni myös kauko-ohjaus jäi valmiista työstä pois, sillä flowcode ei tukenut alle millisekunnin viivettä, jota pulssikoodi olisi vaatinut. Lisäksi myöhemmin selvisi, että työssä käytetty infrapunavastaanotin oli viallinen, eikä antanut pulssia ulos alkuunkaan.
[size=150]LCD- JA KYTKINPANEELI[/size]
Samalle piirilevylle kauko-ohjauksen kanssa tein kytkinpaneelin sekä LCD-näytön kytkennät. Ko. piirilevy sijaitsee työn etupaneelissa, ja on tarkoitettu vahvistimen ohjaukseen. Kytkimillä voidaan valita haluttu sisääntulokanava, kasvattaa/vähentää äänenvoimakkuutta (joka jäi vain haaveeksi, joten ko. painikkeet ovat vain hämäystä) sekä laittaa vahvistin mute-tilaan, joka käytännössä tarkoittaa, ettei 4016-piirien yksikään portti ole auki. Kytkimet ovat fyysisesti mikrokytkimiä.
Kytkinten vieressä on LCD-paneeli, joka on 16*2 merkin kokoinen. Flowcodesta löytyy valmiit kirjastot hitachi-yhteensopivan paneelin ohjaamiseen, joten sen lisääminen ei lisännyt työmäärää juurikaan. Paneelista näkee aktiivisena olevan sisääntulokanavan sekä (vanhana ominaisuutena) äänenvoimakkuuden.
[size=150]MITTAUKSET[/size]
Kuten alussa mainitsin, vahvistin on mitoitettu alunperin 25 watille, mutta redcircuits.com -sivuston sekä minun suorittamat mittaukset näyttävät, että tehoa on saatavilla 45 wattia 8 ohmiin. 4 ohmin kuormaan tehoa oli saatavilla 64 wattia. Myös virtalähde vastaa suurempaa tehoa, sillä mitoitettu +/-33 V ylittyy noin 5V:lla. Vahvistimen jännitevahvistus on noin 37 dB, ja maksimitehon vahvistimesta saa ulos 310/370 mV(peak) sisääntulosignaalilla (4/8 ohmin kuormaan). Vahvistimen äänenlaadussa ei ihmiskorvin ole säröä kuultavissa, mutta mittaukset osoittavat, että ulostulosta noin 1% on harmonista säröä. Redcircuits.com ilmoittaa särön määräksi alle 0,02%.
Mittauksiin käytin funktiogeneraattoria, josta otin 1kHz 2 V(p-p) sinisignaalia, kahta 8 ohmin keinokuormaa, oskilloskooppia sekä yleismittaria. THD:n mittaamiseen käytin koululta löytynyttä ko. tarkoitukseen soveltuvaa mittaria.
[size=150]LOPPUSANAT[/size]
Työ oli mielestäni erittäin opettavainen, sillä opin lisää koko ajan työtä tehdessäni. Työ on “hieman” yliampuva ammattikouluun, mutta sisältää tärkeimmät osa-alueet käydystä koulutuksesta, jotka “pitäisi” hallita koulutuksen jälkeen. Elektroniikan suunnittelu ei kuulu ammattikoulun opetusmäärään, mutta eipä opettajakaan ko. määreitä noudattanut, vaan opetus oli osittain suunnittelua opettavaa. Työ ei ole täydellinen ja muutamissa kohdin on menty aasinsiltaa pitkin, eikä kaikki edes toiminut niin kuin suunniteltu, mutta opettajani sanoja lainaten “ei tuotesuunnittelu aina tuota onnistunutta tuotetta”.
Tällä hetkellä (hitaasti) työn alla on paranneltu versio työstä. Uudessa mallissa aion käyttää AtMega328:ia prossuna ja toteuttaa ominaisuudet paremmin (ja muutaman lisää, mm. SPI-väylää käyttäen), sekä hieman tehokkaampi vahvistin.
Toivottavasti työstäni on hyötyä jollekin, mielestäni työssä ainakin riittää ideoita vahvistinta suunnittelevalle. Palaute on hyvin tervetullutta!
Alla vielä työn raportti kiinnostuneille.Opinnaytetyo_2.pdf (1.19 MB)
EDIT: Lisätty tietoa vahvistimen virtalähteestä sekä vaihdettu opinnäytetyön raportin formaatiksi PDF.
Pahoittelen.
Suunnitelma sen kuin kehittyy, saa nähdä millainen hirviö lopulta saadaan aikaan. 