Введение
За период моего увлечения аудио и окологитарной электроникой я обратил внимание, что на гитарных DIY ресурсах катастрофически мало внимания уделяется вопросам питания педалей. Связано это, по всей видимости, с кажущейся риторичностью вопроса "как питание организовывать", ведь для многих блок питания (далее - БП) это просто диодный мост, электролит и стабилизатор на 7809 или LM317. Действительно, зачем усложнять, ведь это же для гитары?! (с).
Но тем не менее, поскольку дурная голова рукам покоя не дает, я решил попробовать сделать БП как минимум не хуже, чем "фирменная" продукция, не только в части стабилизирующих характеристик, величины шумов, пульсаций и полезного функционала, но и в части стоимости. Давайте посмотрим что из этого вышло, но перед этим попробую все же дать свой ответ на вопрос
1. А зачем усложнять?
Первая часть ответа, простите, эмоциональная, а именно:
- потому что я могу (в том числе позволить себе это финансово),
- потому что я получаю удовольствие от занятий аудио электроникой и особенно, когда это делаю типа не как все.
Вторая - более технически аргументированная.
Дело в том, что любое аналоговое аудио устройство, и гитарные педали тут не исключение, по сути является модулятором тока БП. То есть спектральные характеристики сигнала (которые отвечают за субъективную "приятность" или "не приятность" звука) на выходе определяются не только, к примеру, собственной нелинейностью схемы, но и спектром тока БП. Если ток БП насыщен гармониками, то всю эту историю можно увидеть на выходе питаемого устройства. Мало того, гармоники имеют свойство друг с другом взаимодействовать, порождая суммарно-разностные составляющие или как еще говорят - интермодуляционные искажения. Одним словом, при некачественной организации питания спектр выходного сигнала, а значит и субъективное качество звука, становится чем-то вообще неуправляемым.
В этом смысле особенно умиляет с каким рвением многие энтузиасты норовят вкорячить в аппарат какие-то дорогие лампы, редкие транзисторы, "те самые" операционники и все типа для улучшения звука. В большинстве случаев - абсурд. Ведь со ржавой водой из водопровода не борются путём замены смесителя с обычного на дорогой.
Для цифровых педалей эффектов техническая аргументация более мутная, но мой опыт сборки и эксплуатации аудио ЦАП высочайшего класса (будут отдельные статьи на этот счет) и сравнительных прослушиваний подсказывает, что правильная организация питания микросхем ЦАП имеет существенное влияние на конечный результат. Убеждался в этом неоднократно. Да и, строго говоря, полностью цифровых аудио устройств не бывает, так как всегда есть как минимум входной и выходной аналоговый каскад, ну а для них справедливы рассуждения из предыдущего абзаца.
В общем мое мнение такое - хороший звук начинается с хорошего блока питания :)
2. Какую схему выбрать?
Импульсную или линейную? У каждой есть свои преимущества и недостатки, вполне очевидные. Конечно импульсные БП весьма соблазнительны; в небольшом форм-факторе можно уместить аж 8 каналов по 0,5 А каждый. Но все они страдают своего рода генетическим заболеванием - ВЧ пульсациями в сигнале выходного напряжения от работы ШИМ и с этим ничего не поделать. Разумеется, можно принять определенные весьма эффективные меры по снижению уровня этих пульсаций, начиная от топологических решений при трассировке печатной платы и заканчивая дополнительными фильтрами и вторичными стабилизаторами на выходе БП. Но в любом случае это суть усложнение схемы (а они и без того сложные по сравнению с линейными БП) и ее удорожание.
Линейный БП такого рода проблемами не страдает, но вот необходимость изготовления хорошего трансформатора для многих является блокирующим фактором. Также не может он похвастаться компактностью и небольшим весом. Но для меня в данном случае эти минусы оказались вторичны, так как задача номер 1 - обеспечить высокую чистоту и стабильность питания. Как вы наверное уже поняли - я выбрал линейный БП и техническое задание сформировал следующим образом:
- 4 независимых гальванически развязанных канала,
- напряжение двух каналов по 9 В, двух других по 12 В с возможностью подстройки,
- предельный выходной ток каждого канала 350 мА,
- наличие защиты по перегрузке с индикацией срабатывания,
- "конкурентные" характеристики по шумам и пульсациям.
3. Силовой трансформатор
Трансформатор у меня тороидальный, изготовленный на заказ и предусматривающий 4 независимые вторичные обмотки на 14 В (для обеспечения 12 В на выходе БП) с отводом на 11 В (для обеспечения 9 В на выходе) и током по 370 мА каждая. Также предусмотрена экранная обмотка (электростатический экран).
Очень захотелось мне упаковать тор в некий кожух а-ля Talema, в связи с чем проект такого кожуха был отрисован в среде 3Д моделирования и напечатан на принтере.
Для обеспечения вариативности при снятии напряжений я решил использовать клеммную колодку 4ПС7-15, которая монтируется прямо в кожух. В общем в конечном счете получилось вот так
Скажу честно - я наверное так делать больше не буду. Печать пластикового кожуха стоит денег, при этом никакими экранирующими свойствами он, понятное дело, не обладает. Пластик в части нарезки резьбы тоже такой себе материал. Куда правильнее заказать стальной кожух. Хорошо, что с электромагнитной наводкой проблем у меня нет, так как индуктивность рассеяния достаточно низкая и куда бы я ни ставил свой БП, никаких негативных последствий не возникает. Но выводы для себя я сделал.
4. Плата выпрямителя и стабилизатора
Сердцем моего БП является, неожиданно, относительно древняя отечественная микросхема К157ХП2, предназначенная для построения генераторов токов стирания и подмагничивания. Внимание на нее обратил в своем паблике наш выдающийся инженер Дмитрий Андронников. Приведенные ниже графики получены именно им, поэтому в их корректности можно не сомневаться.
Из графиков хорошо видно, что шумовые характеристики К157ХП2 оказались лучше современных и относительно дорогих чипов (на вторичном рынке эту микросхему можно вообще за копейки найти). Более того, у К157ХП2 есть очень удобный для реализации защиты по току функционал: стабилизатор работает пока на его 9 ноге есть напряжение питания, но как только оно с ноги снимается, напряжение на выходе стабилизатора становится равным 0. Итак, схема БП приведена на рисунке ниже.
В общем рассказывать тут особо нечего. Выпрямление производится на мосте из диодов Шоттки КД289Б. Для подавления переходных процессов при работе диодов установлен RC-снаббер. После выпрямления напряжение попадает на CLC-фильтр и далее на стабилизатор К157ХП2. Подстройка напряжения осуществляется резистором RV1. Резистор R5 работает в качестве датчика тока для системы защиты: когда падение напряжения на нем составит около 0,6 В транзистор VT1 откроется и включит оптопару U1 и сигнализацию на D5, при этом транзистор оптопары открывается и притягивает потенциал 9 ноги стабилизатора к земле, напряжение на выходе становится равным нулю, индикатор D6 гаснет. Выходным "умощняющим" транзистором служит КТ892. Вот в принципе и все техописание, ничего сложного.
Данная схема размещена на двухсторонней печатной плате 30 мм на 100 мм, таких плат 4, отдельные на каждый канал.
К комплектующим у меня всегда подход серьезный, поэтому использованы такие производители как Rifa, Panasonic, Philips, Bourns, Toshiba. В сборе платы выглядят следующим образом
5. Корпусировка
Одной из самых крутых фичей среды KiCad является возможность экспорта печатных плат в step. модели, с которыми уже можно работать в среде 3Д моделирования. Уже там выполняется точная подгонка корпусных и внутрикорпусных элементов под все установочные отверстия, индикаторы и так далее. На рисунке ниже представлен результат такой виртуальной сборки. Кстати для крепления плат на торец мною использованы также напечатанные пластиковые крепежи.
Полный цикл изготовления алюминиевого корпуса, включающий лазерную резку, гнутье, окраску, лазерную гравировку я доверил этим ребятам. Сто лет с ними работаю, никогда не подводили. В итоге после всей сборки вышло вот так. Внешние размеры корпуса 230 мм на 120 мм.
6. Тестирование
У некоторых производителей, особенно не очень крупных, бывает не принято, простите, за базар отвечать, но я не буду уподобляться и за словосочетание "low noise" и за все остальное постараюсь ответить :) При измерениях я использовал мультиметр Hewlett Packard 34401A, осциллограф Agilent 54624A, в качестве нагрузки - набор резисторов, к сожалению нормальной электронной нагрузкой не обзавелся еще.
6.1 Зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки
Напряжение при холостом ходу БП было выставлено на 9,014 В. При нагрузке в 250 мА напряжение стало 9,005 В, то есть изменение составило около 0,1 %. График приводить даже смысла не имеет, он очень скучный.
6.2 Зависимость амплитуды пульсаций от тока нагрузки
А вот тут кое что интересное. Амплитуда пульсаций на холостом ходу составила 121 мкВ RMS и 880 мкВ амплитудного значения. Осциллограмма приведена на рисунке ниже. Это уже предел разрешающей способности моего осциллографа. Фоновые шумы, как выяснил позже, это наводки от импульсного БП компьютера, монитора и лампы освещения.
Далее была подана нагрузка с потреблением в 250 мА. Ожидаемо пульсации возросли и составили 206 мкВ RMS и 1,2 мВ амплитудного значения. Еще раз - под нагрузкой в 250 мА амплитуда пульсаций 1,2 мВ и это на отечественной микросхеме из 80-х! Осциллограмма приведена ниже. Причем обращаю внимание, что при измерении амплитуды Y-курсор я выставлял именно по максимуму "фоновых картинок", чтоб никто не предъявил. Если бы вышло полностью от них избавиться, то, полагаю, амплитуды выше 500-700 мкВ при токе в 250 мА я бы не намерил. Да, обнадеживает, едем дальше.
6.3 Переходные характеристики
Их я посмотрел для 3 случаев:
- включение БП,
- наброс нагрузки с 10 мА до 250 мА,
- срабатывание защиты.
Цель - посмотреть устойчивость схемы. Итак, при включении БП видим следующую картину. Выход на проектное напряжение происходит как будто ступеньками в течение 40 мс. После достижения 9 В не видно никаких переколебаний или выбросов.
Далее 25-кратный наброс нагрузки. Видно, что стабилизатор его отрабатывает за примерно 60 мс, при этом просадка напряжения в течение этого периода не превышает 700 мВ.
Далее - срабатывание защиты, например при коротком замыкании. Видно, что процесс визуально самый неказистый. Я не знаю с чем это связано, может быть К157ХП2 тут вообще не причем, и это следствие схемотехники защиты (транзистор/оптопара), но как бы то ни было время отработки защиты и сброса номинального напряжения до 0 составило 490 мкс.
7. Итоги
В общем что можно сказать. Я полагаю, что при столь простой схеме и без лишних усложнений, о которых часто тут вспоминал, получилось сделать довольно-таки хороший БП. Полученные характеристики я сравнил с паспортными характеристиками имеющегося у меня лабораторного БП от Agilent E3640A, и получил следующее:
- для E3640A максимальное изменение напряжения под нагрузкой 5мВ , в моем БП получилось 9 мВ.
- для E3640A значение амплитуды пульсаций менее 2,5 мВ и 500 мкВ RMS, в моем БП получилось 1,2 мВ и 206 мкВ RMS соответственно.
- для E3640A значение времени отработки переходных процессов нормируется в 50 мкс, в моем БП самое быстрое это почти 500 мкс.
Конечно сравнил я просто для прикола, так как между уровнем лабораторного БП от Agilent и моим БП пропасть, но просто хотел понимать насколько эта пропасть широкая.
Что касается цены, то как и любое штучное изделие высокого класса БП вышел не копеечный. Основные вкладчики это трансформатор, кожух для него, 4 платы и корпус. Остальные же детали для всех 4 каналов я думаю укладываются в 1000 рублей. Но по моим прикидкам совокупная стоимость БП все равно оказалась примерно в 1,5 раза ниже рыночных альтернативных предложений.
К слову об альтернативах. А быть может они лучше моего БП и их стоимость оправдана и вообще зря я время терял и стоило купить что-то в магазине? Попробую хотя бы плюс/минус понять.
8. Альтернативы
Очень бы мне хотелось иметь в доступе для тестов какой-нибудь флагманский БП от Strymon, Eventide или Cioks, но увы в наличии был только вот такой. Хотя чего, изготовитель пишет, что он "low noise operation". Тест с ним я сделал достаточно интересный, надеялся, что не получится, но получилось.
Итак, методика была следующей: на вход гитарного лупера я подавал синус частой 1 кГц и амплитудой 0,5 В. Источником сигнал являлся генератор АКИП-3408/2. Далее записывал фрагмент в несколько секунд, выключал генератор и смотрел что показывает осциллограф. Выполнял я это при питании от своего БП и от указанного выше импульсного БП.
Вот что получилось с моим БП. Синус и синус, ничего интересного.
А вот что получилось с фирменным.
При более близком рассмотрении видно, что частота пульсаций около 65 кГц и двойным значением амплитуды 72 мВ (!). Это является прямым подтверждением двух вещей, о которых я говорил выше:
- эксплуатация импульсных БП реально требует специальных мер по подавлению пульсаций, причем желательно не только на борту БП, но и на входе в педаль,
- на картинке выходного сигнала работа импульсного БП обязательно себя проявит, соответственно влияние на спектр выходного сигнала будет нехилым.
Хочу обратить внимание, что у флагманских изделий очень может быть картина существенно лучше. Не мерил, не знаю, врать не буду и не буду отговаривать от покупки таковых. Да и очень может быть, что такое понятие, как "малошумящий блок питания" мы с фирмачами по-разному интерпретируем? Вот, например, как это понимает некий гитарный блогер...
Всем удачи и всего хорошего!
