LM386 - odkrywanie staruszka na nowo...

[pmochocki]

Pomimo posiadanej mniejszej lub większej wiedzy z zakresu elektroniki, zazwyczaj omijałem zagadnienia związane z audio. Oczywiście była jakaś pozytywka, gdzie dla zabawy składałem sygnał z dwóch PWMów, aby uzyskać 16bitowe wyjście, ale to raczej wyjątek potwierdzający regułę. Ostatnio kupiłem mojemu synowi gitarę elektryczną i aż się prosi, aby zrobić dla niej samemu (to znaczy z synem) jakiś wzmacniacz. Jako, że mój dziewięciolatek jest z elektroniki zielony, trzeba zacząć od czegoś prostego. A co może być prostsze od kultowego LM386?

Sam układ scalony LM386 został wynaleziony w zakładach Motoroli w 1969 roku przez Erniego Leroy'a Longa. Pierwsze zastosowanie tego układu na skalę przemysłową było oczywiście związane z... układem wtrysku paliwa dla samochodów marki Ford (ha ha ha, ja też myślałem, że będzie AUDIO 🙂 ). Układ jest obecnie produkowany przez Texas Instruments i występuje w kilku wariantach, z których wymienię trzy w obudowie DIP:

• LM386N-1 - moc: 325 mW
• LM386N-3 - moc: 700 mW
• LM386N-4 - moc: 1000mW

Najprostsza konfiguracja (wzmocnienie x20), zaczerpnięta z noty katalogowej, wygląda tak:

Do pinu 6 podpinamy zasilanie z zakresu 4-12V. Nie musimy się martwić o ujemne napięcie. Składową stałą na wyjściu odcinamy jakimś dużym elektrolitem 250µF. Mamy też układ Zobela: 10Ω i 0.05µF, który ma zapewniać kompensacje indukcyjności cewki głośnika. Wejście odwracające zwieramy do masy, a do wejścia nieodwracajacego podajemy sygnał. Potencjometr na wejściu można sobie odpuścić w moim przypadku, bo mogę używać potencjometru umieszczonego na gitarze elektrycznej.

No i tyle, nie ma się chyba więcej nad czym rozpisywać... no chyba, że nie poprzestaniemy na poziomie dziewięciolatka i na chwilkę zerkniemy na schemat z noty katalogowej i pomyślimy nad jego charakterystycznymi cechami:

Mamy część, która jest końcówką mocy i umożliwia nam podłączenie bezpośrednio głośnika:

Mamy rezystory, które ustawiają wstępnie wzmocnienie na x20. Wpinając kondensator + rezystancję między piny 1 i 8 możemy płynnie regulować wzmocnienie od 20 do 200.

A na koniec coś co sprawiło, że tak na prawdę zacząłem się zastanawiać, jak ten układ w ogóle działa. Zasilamy układ pojedynczym napięciem 4-12V a na wejściu podajemy sygnał od -0.4V do 0.4V

Czyli schodzimy -0.4V poniżej masy układu i mimo pojedynczego napięcia zasilania wszystko działa. Nie potrzebne są nam żadne układy do ustawiania składowej stałej na wejściu. Jak to jest możliwe?

Na pewno niespotykaną rzeczą w zwykłych wzmacniaczach operacyjnych, są rezystory zwierające wejścia do masy:

Dla mnie nie było to oczywiste. Ale wyjaśnieniem zagadki jest chyba Vbe zaznaczonego tranzystora:

 Nawet jeśli wejście spada poniżej zera - to ta część:

Nadal poprawnie działa, bo napięcie jest tam wyższe o około 0.6V

Może dla niektórych nie jest to zaskoczeniem, ale ja się zdziwiłem, bo chyba nie często spotyka się układy, które projektowane są aby działały poza swoimi napięciami zasilania.

Edytowano Listopad 29, 2021 przez pmochocki

[Gieneq]

@pmochocki wnikliwe podszedłeś do tematu, przeczytałem z zaciekawieniem. Jak kojarzysz podjąłem temat elektroniki analogowej i układów audio więc każda wiedza się przyda 🙂 

Przyznam że użyłem a nie wiedziałem co używam - układ Zobela. Poczytałem trochę więcej, niestety w polskiej części internetu nie ma o tym zbyt wiele, ale nawet anglojęzyczna wikipedia dość dobrze wyjaśnia ten temat. Czyli chcielibyśmy żeby głośnik miał tylko moc czynną (tą związaną z rzeczywistym oporem R), ale przez indukcyjny charakter ma opór bierny (reaktancję) stąd zazwyczaj podajemy nominalną impedancję np. 4R lub 8R.

Schemat jaki można znaleźć na wikipedi wygląda tak:

I patrząc na to aż chce się podstawić jakieś dane. Ale pomyślałem przez chwilę... Dlaczego zazwyczaj nie podaje się indukcyjności głośników? R to tzw. R_DC - opór zmierzony omomierzem i on wynosi np. dla tego głośnika 3.4R:

Wziąłem więc rozpisałem wzór na impedancję tego modelu głośnika Z = R + jwL, wziąłem z tego moduł czyli (R² + w²L²) i z dokumentacji wynika że pik jest w 220Hz gdzie jest częstotliwość rezonansowa i Z = 11R:

Wyszła indukcyjność 47,6 mH... ale to już można śmiało włożyć między bajki, bo taki model głośnika to jest dobry na wykłady dla studentów liczących impedancje na kartce. Ten zielony wykres niestety nie wyjdzie gdy podstawimy R, L. A pojemność 4 mF to w ogóle...

W dalszej części dokumentacji doczytałem, że indukcyjność wynosi 0.1 mH - to już zdecydowanie bardziej rzeczywista wartość:

Czyli R = 3.4 R, a C = L/3,4^2 = 8.65 uF - seems legit.

13 godzin temu, pmochocki napisał:

A co w takim przypadku z kondensatorem? Masz pomysł jak mają się wartości R i C? Domyślam się, że R już nie przekłada się bezpośrednio na R_DC.

13 godzin temu, pmochocki napisał:

Nawet jeśli wejście spada poniżej zera - to ta część:

Tu się nie znam, ale to na co wskazujesz to połówka pary różnicowej i lustra prądowego. Gdyby nie było rezystorów przy wejściu GAIN(8) to powinny przenosić prąd co do wartości z lewej gałęzi na prawą. Niezrównoważenie wynikające z innych napięć na emiterach PNP (domyślam się) jest istotą działania wzmacniacza.

Jak patrzyłem na konfiguracje wzmacniaczy to dla układu nieodwracajacego od wejścia (-) do masy był rezystor, a od wyjścia (tu Vout 5) do (-) był kolejny rezystor. Jak się ma to do tego rysunku?

13 godzin temu, pmochocki napisał:

Patrzyłem że w dokumentacji nie wzoru na wzmocnienie, tak się zastanawiam jakie rezystory biorą w tym udział.

[pmochocki]

6 godzin temu, Gieneq napisał:

A co w takim przypadku z kondensatorem? Masz pomysł jak mają się wartości R i C? Domyślam się, że R już nie przekłada się bezpośrednio na R_DC.

Niestety... Jak pisałem, nigdy nie bawiłem się w audio. Gdy pisałem to wczoraj moja wiedza ograniczała się do:

"Audio Power Amplifier Design", 6th Edition, Douglas Self
Jakoś nie przywiązywałem do tych wartości jakiejś szczególnej wagi, gdy doczytałem:

Temat jest na pewno interesujący, ale przydałaby się jakaś rozsądna literatura.

6 godzin temu, Gieneq napisał:

Jak patrzyłem na konfiguracje wzmacniaczy to dla układu nieodwracajacego od wejścia (-) do masy był rezystor, a od wyjścia (tu Vout 5) do (-) był kolejny rezystor. Jak się ma to do tego rysunku?

Ty mówisz o normalnym wzmacniaczu operacyjnym - tak? Tu jest inaczej, jeszcze do końca nie rozgryzłem zasady działania. To znaczy rozumiem opis, ale nie potrafię jeszcze wyjaśnić, dlaczego zmiany rezystancji w obwodzie tego lustra prądowego i rezystor 15K wpływają na wzmocnienie. 

Gdybym miał czas bym chętnie przeanalizował to na jakimś modelu. Na studiach 20 lat temu używałem PSpice'a i pomagał zrozumieć takie zagadki. 

6 godzin temu, Gieneq napisał:

Patrzyłem że w dokumentacji nie wzoru na wzmocnienie, tak się zastanawiam jakie rezystory biorą w tym udział.

Niestety nie doszedłem do tego. Tak jest 200:

Tak jest 50:

Czyli wszystko proste. wzmocnienie = 30k/(150 + (Rpin1pin8 || 1,35k)

Ale jak dodamy informację, że taki obwód:

ma taką charakterystykę:

To jednak stwierdzam, że do końca nie rozumiem jakie są zależności...

Edytowano Listopad 29, 2021 przez pmochocki

[Gieneq]

@pmochocki ok dziękuję za materiały i wyjaśnienie. Fakt dobrze byłoby to zasymulować, przeprowadzić sporo testów. Może uda mi się coś w tym temacie podziałać. Tak dopytuję, bo zrobiłem w międzyczasie drugie podejście do naprawy głośnika ze wzmacniaczem Sony MHC-V11. Wyszło na to że układ dekodera i sterownik są sprawne (ciekawostka sterownik na STM32F0) ale za układem DAC coś się zepsuło i nie reaguje na wzmocnienie, muzykę - jest tylko stały szum. Najpewniej któryś z tych "robaczków"

I właśnie przeglądając dokumentację serwisową przyjrzałem się wyjściu wzmacniacza i też są tam takie Zoble:

sony_mhc-v11_ver1.0_sm.pdf

Tak przy okazji warto obejrzeć schemat - przynajmniej dla laika jak ja było tu wiele nowości. Np to że przełączenie kanałów wejścia FM/AUX odbywa się przy użyciu multiplexera analogowego z rodziny 74HC 😮 

Tak w ogóle ciekawy przypadek, bo podobno kolumna została zalana, ale nie wiem co się zepsuło. Napięcia zasilania są ok, wszystkie regulatory działają. Jedyne co wyglądało podejrzanie to spora korozja wokół układu wyjściowego mocy TAS5624A. Raz w parze z procesorem audio jest to jakieś 10-20zl na Ali i zastanawiam się czy wymiana coś zmieni. Jeżeli uszkodzenie poszło dalej i propagowało aż do układu DSP to gorzej bo nigdzie nie widzę możliwości kupna. Popatrzę jeszcze na sygnały czy coś tam się zmienia i pomyślę co dalej.

Edytowano Listopad 30, 2021 przez Gieneq

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay