Показометры
Индикатор выходной мощности - вещь красивая и полезная одновременно. В современных автомобильных усилителях их используют все чаще и чаще, даже в бюджетных моделях. Вот только посмотреть на эту красу удается не всегда - стоит она обычно в багажнике, поэтому польза от нее, мягко говоря, сомнительная. Совсем другое дело, если индикатор стоит на панели приборов. Однако пока такой прибор в "отдельном" исполнении есть только один - McIntosh. Габариты у него 1 DIN, цена - как бы это помягче... В общем, самое время сделать это чудо своими руками, имея кроме паяльника только мультиметр.
Все индикаторы мощности подключаются к выходу усилителя. Можно использовать как отдельные индикаторы для каждого канала, так и общий индикатор суммарной мощности двух и более каналов. Такая индикация нагляднее и удобнее, чем раздельная по каналам. А если каналов пять или шесть, то сколько же глаз нужно? Во всяком случае, больше двух индикаторов устанавливать не стоит. В шестиканальном усилителе McIntosh всего два - один показывает мощность каналов с первого по четвертый, второй - пятого и шестого, более мощных.
Приводимые далее схемы предельно упрощены. Оборотная сторона этой простоты - необходимость подбора элементов при настройке. Это вполне оправдано при "штучном" изготовлении, но к серийному производству эти схемы малопригодны.
Стрелочные индикаторы
Стрелочные индикаторы наиболее просты. Для их изготовления требуется минимум деталей и квалификации, особенно, если использовать "фирменный" измерительный прибор с красивой шкалой. Впрочем, в наше время изготовление самодельной шкалы трудности не представляет - ее можно напечатать на принтере и наклеить поверх старой. В качестве основы проще всего использовать стрелочные индикаторы от магнитофонов старых типов или малогабаритные щитовые измерительные приборы магнитоэлектрической системы с током полного отклонения 0,25...1 мА. Приборы электромагнитной системы (например, автомобильные вольтметры) и миллиамперметры с током полного отклонения более 5 мА для наших целей непригодны.
Поскольку простые схемы стрелочных индикаторов не требуют питания, их можно подключить к выходам усилителя по схеме "mixed mono", что позволяет несколько сократить число деталей (рис.1).
На рис. 2 приведена схема простейшего индикатора. При необходимости число каналов можно увеличить, добавив резисторы и диоды, как показано пунктиром. При использовании индикатора совместно с усилителем магнитолы последовательно с резисторами R1,R2 нужно включить электролитические конденсаторы емкостью 47...100 мкФ ("плюсом" к магнитоле). Можно также использовать "mixed mono" (см. рис.1), при этом конденсаторы не требуются, а цепочку R2VD2 можно исключить.
Сопротивление резистора, включенного последовательно с прибором зависит от тока полного отклонения. Примерное значение сопротивления можно найти по приведенной на рисунке формуле. Точное значение следует скорректировать при настройке по необходимому отклонению стрелки при заданной мощности. Остальные детали можно использовать любых типов. Сглаживающий электролитический конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не ниже 25 вольт при измерении мощности до 15 Вт и не ниже 50 вольт - при большей мощности. Запас по напряжению нужен потому, что конденсатор используется в цепи переменного тока. Подбирая его емкость в пределах 1...100 мкФ, можно регулировать время обратного хода стрелки на любой вкус.
Недостаток схемы - малый динамический диапазон, не превышающий 10 дБ. Для магнитолы этого хватит, но при работе с усилителем большой мощности стрелка будет отклоняться лишь на пиках сигнала. В этом случае лучше применить схему, показанную на рис.3.
Ее основное отличие - расширитель динамического диапазона на диоде VD1 и светодиоде HL1. Как только выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 достигает значения 0,7 В, диод открывается и дальнейший рост напряжения замедляется резистором R3. Подбирая его сопротивление в пределах 100 Ом...10 кОм, можно регулировать "ход" шкалы в средней части. Следующее ограничение наступает в момент зажигания светодиода и дальнейший рост напряжения практически прекращается. Светодиод при этом можно использовать как индикатор перегрузки. Сопротивление резисторов на входе определяется максимальной мощностью усилителя и током примененного светодиода. Расчетная формула приведена на рисунке, точное значение сопротивления следует скорректировать по моменту зажигания светодиода при максимальной мощности.
Сопротивление резистора, включенного последовательно с прибором можно найти по второй формуле. Точное значение следует скорректировать при настройке по необходимому отклонению стрелки в момент зажигания светодиода. Напряжение на красном светодиоде составляет примерно 1,6 В, на более ярком желто-оранжевом - примерно 2,5 В. Остальные детали можно использовать любых типов. Сглаживающий электролитический конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение 6,3...10 В, поскольку напряжение на нем ограничено светодиодом. Подключается индикатор так же, как и предыдущий.
Динамический диапазон такого индикатора можно легко довести до 20 дБ, для дальнейшего расширения динамического диапазона уже требуется специальная схема управления с логарифмическим усилителем, а такая схема уже выходит за рамки простейших.
Светодиодные индиаторы
Конструкция светодиодных индикаторов несколько сложнее. Конечно, при использовании специальной микросхемы управления ее можно упростить до предела, но тут притаилась маленькая неприятность. Большинство таких микросхем развивает на выходе ток не более 10 мА и яркость светодиодов в условиях автомобиля может оказаться недостаточной. Кроме того, наиболее распространены микросхемы с выходами на 5 светодиодов, а это только "программа-минимум". Поэтому для наших условий схема на дискретных элементах предпочтительней, ее можно расширять без особых усилий.
Простейший индикатор на светодиодах (рис.4) не содержит активных элементов и в питании поэтому не нуждается. Подключение - к магнитоле по схеме "mixed mono" или с разделительным конденсатором, к усилителю - "mixed mono" или напрямую.
Схема предельно проста и не требует налаживания. Единственная процедура - подбор резистора R7. На схеме указан номинал для работы со встроенными усилителями головного устройства. При работе с усилителем мощностью 40...50 Вт сопротивление этого резистора должно быть 270...470 Ом. Диоды VD1...VD7 - любые кремниевые с прямым падением напряжения 0,7...1 В и допустимым током не менее 300 мА.
Светодиоды любые, но одного типа и цвета свечения с рабочим током 10...15 мА. Поскольку светодиоды "питаются" от выходного каскада усилителя, их количество и рабочий ток увеличить в этой схеме нельзя. Поэтому придется выбрать "яркие" светодиоды или найти для индикатора такое место, где он будет защищен от прямого освещения. Еще один недостаток простейшей конструкции - малый динамический диапазон.
Для улучшения работы необходим индикатор со схемой управления. Помимо большей свободы в выборе светодиодов можно простыми средствами сформировать шкалу любого типа - от линейной до логарифмической, или "растянуть" только один участок. Схема индикатора с логарифмической шкалой приведена на рис. 5. Пунктиром показаны необязательные элементы.
Светодиоды в этой схеме управляются ключами на транзисторах VT1...VT5. Пороги срабатывания ключей задают диоды VD3...VD9. Подбирая их количество, можно изменять динамический диапазон и тип шкалы. Общую чувствительность индикатора определяют резисторы на входе. На рисунке приведены примерные пороги срабатывания для двух вариантов схемы - с одиночными и "сдвоенными" диодами. В основном варианте диапазон измерения - до 30 Вт на нагрузке 4 Ом, с одиночными диодами - до 18 Вт.
Светодиод HL1 светится постоянно, он обозначает начало шкалы, HL6 - индикатор перегрузки. Конденсатор C4 задерживает на 0,3...0,5 сек погасание светодиода, что позволяет заметить даже кратковременную перегрузку. Накопительный конденсатор C3 определяет время обратного хода. Оно, кстати, зависит от количества светящихся светодиодов - "столбик" от максимума начинает спадать быстро, а потом "притормаживает". Конденсаторы C1,C2 на входе устройства нужны только при работе со встроенным усилителем магнитолы. При работе с "нормальным" усилителем их исключают. Количество сигналов на входе можно увеличить, добавив цепочки из резистора и диода. Количество ячеек индикации можно увеличить простым "клонированием", главное ограничение - "пороговых" диодов должно быть не больше 10 и между базами соседних транзисторов должен быть хотя бы один диод.
Светодиоды можно использовать любые в зависимости от требований - от одиночных светодиодов до светодиодных сборок и панелей повышенной яркости. Поэтому на схеме приведены номиналы токоограничивающих резисторов для разных рабочих токов. К остальным деталям никаких специальных требований не предъявляется, транзисторы можно использовать практически любые структуры n-p-n с мощностью рассеяния на коллекторе не менее 150 мВт и двукратным запасом по току коллектора. Коэффициент передачи тока базы этих транзисторов должен быть не менее 50, а лучше - больше 100.
Эту схему можно несколько упростить, при этом в качестве побочного эффекта появляются новые свойства, весьма полезные для наших целей (рис.6).
В отличие от предыдущей схемы, где транзисторные ячейки были включены параллельно, здесь использовано последовательное включение "столбиком". Пороговыми элементами являются сами транзисторы и открываются они по очереди - "снизу вверх". Но в данном случае порог срабатывания зависит от напряжения питания. На рисунке показаны примерные пороги срабатывания индикатора при напряжении питания 11 В (левая граница прямоугольников) и 15 В (правая граница). Видно, что с ростом напряжения питания больше всего смещается граница индикации максимальной мощности. В случае использования усилителя, мощность которого зависит от напряжения аккумулятора (а таких немало), подобная "автокалибровка" может принести пользу.
Однако плата за это - возросшая нагрузка на транзисторы. Через нижний по схеме транзистор протекает ток всех светодиодов, поэтому при использовании индикаторов с током более 10 мА транзисторы тоже потребуются соответствующей мощности. "Клонирование" ячеек еще более увеличивает неравномерность шкалы. Поэтому 6-7 ячеек - это предел. Назначение остальных элементов и требования к ним - те же, что и в предыдущей схеме.
Слегка модернизировав эту схему, получим другие свойства (рис.7). В этой схеме в отличие от ранее рассмотренных, нет светящейся "линейки". В каждый момент времени светится только один светодиод, имитируя движение стрелки по шкале. Поэтому потребление энергии минимально и в этой схеме можно применить маломощные транзисторы. В остальном схема не отличается от рассмотренных ранее.
Пороговые диоды VD1...VD6 предназначены для надежного отключения неработающих светодиодов, поэтому если будет наблюдаться слабая засветка лишних сегментов, необходимо использовать диоды с большим прямым напряжением или включить последовательно по два диода. "Клонирование" ячеек уменьшает яркость свечения верхних по схеме сегментов, для устранения этого вместо резистора R9 нужно вводить генератор тока. А мы договорились - не усложнять. Поэтому в данном случае 8 ячеек - это максимум.
Питание
Индикаторы, потребляющие ток менее 150...200 мА вполне можно питать от выхода Remote головного устройства. Напряжение там на 0,5...1 В меньше, чем в бортовой сети, но это на работе устройства никак не скажется. Если же потребляемый индикатором ток больше, придется использовать маломощное реле (РЭС-55, РЭС-10) или собрать электронное реле по схеме рис.8.
И уж коли речь зашла о питании, неплохо бы снабдить аудиосистему собственным вольтметром. Даже если он есть в штатном оборудовании автомобиля, при выключенном зажигании он не работает. К тому же напряжение он измеряет в какой-то неведомой точке. В отечественных автомобилях на его показаниях сказывается решительно все - от включенных "поворотников" до мигающей лампочки ручного тормоза. Для наших же целей лучше измерять напряжение на клеммах аккумулятора или на буферном конденсаторе - где будет удобнее.
Простой стрелочный вольтметр не подходит - у него линейная шкала, а все, что ниже 10-11 вольт нам неинтересно. Порядочное головное устройство блокируется или "зависает", если напряжение в бортовой сети опускается до этих пределов. Поэтому шкалу надо растянуть, чтобы она напоминала шкалу обычного автомобильного вольтметра на щитке приборов. Кстати, "обычный автомобильный" для этой цели использовать можно, но не стоит. Он потребляет от бортовой сети достаточно приличный ток (несколько десятков миллиампер), почему и включен через замок зажигания. А нам нужен вольтметр, работающий постоянно или хотя бы независимо от зажигания. Схема такого вольтметра приведена на рис. 9.
Стабилитрон с напряжением стабилизации около 10,5...11 В обеспечивает "растяжку" шкалы, резистором вольтметр калибруется на максимальное отклонение при максимальном напряжении в бортовой сети (14,5-16 В). Шкалу придется строить по точкам, используя регулируемый источник питания и эталонный вольтметр. Если точные значения не требуются, можно ограничится только определением границ "зеленого" и "красного" сектора. Потребляемый ток определяется током отклонения индикатора (меньше миллиампера), поэтому вольтметр можно и нужно сделать неотключаемым - часы потребляют намного больше.
Для светодиодного индикатора мощности больше подойдет следующая схема (рис.10).
Принцип ее действия тот же, что и у предыдущей. Пока напряжение в бортовой сети в норме, транзистор открыт и шунтирует светодиод. Как только напряжение снизится до напряжения стабилизации стабилитрона, транзистор закроется и светодиод вспыхнет, сигнализируя о проблеме. Для лучшей заметности можно использовать "мигающий" светодиод со встроенной схемой управления. Порог срабатывания определяется стабилитроном, поэтому для точной настройки его придется подбирать. В отличие от предыдущей эта схема потребляет больший ток, определяемый резистором R2. Хотя он и невелик (порядка 10 мА), лучше питать ее от выхода Remote, учитывая потери напряжения на нем.
Если пойти этим путем дальше, можно поставить еще и термометр, измеряющий температуру усилителя (или водителя). Так что пока остановимся на этом.
Конструкция
При отладке конструкций можно использовать подстроечные резисторы, но в готовую схему их переносить не стоит - надежность может пострадать, особенно при использовании малогабаритных потенциометров открытого типа. Лучше измерить установленное сопротивление цифровым прибором и впаять постоянный резистор нужного номинала.
Стрелочные индикаторы содержат минимум деталей, поэтому их можно собрать навесным монтажом, приклеив детали к корпусу измерительного прибора. Шкалу можно отпечатать на цветном принтере (в доисторические времена приходилось чертить ее тушью и раскрашивать).
Светодиодные шкалы и табло удобны в работе, но позволяют получить только "линейку" или "столбик". Если же нужна шкала ломаной или криволинейной формы, ее придется выполнять из одиночных светодиодов. Их нужно вклеить в переднюю (несущую) панель индикатора, закрыть сверху отпечатанной шкалой с отверстиями, а поверх нее - тонким оргстеклом. Для фиксации светодиодов можно использовать плотную посадку или клей.
Для светодиодных индикаторов лучше использовать монтаж на плате - деталей немало. Делать полноценную печатную плату ради единственной конструкции имеет смысл только при наличии опыта, поэтому проще воспользоваться для монтажа деталей макетной платой промышленного изготовления. На ней размещают детали, а соединения делают тонким монтажным проводом. В крайнем случае можно разместить детали на листе тонкого текстолита или картона, попустить выводы на обратную сторону и соединить их по схеме, используя как сами выводы, так и монтажный провод. Монтажную плату можно объединить в одно целое с панелью светодиодов. Готовую схему после настройки следует промыть от остатков флюса спиртобензиновой смесью (берегите пластиковые детали индикатора!) и покрыть лаком для защиты от окисления. При желании можно даже залить все в "кубик" из эпоксидной смолы...
Ну и напоследок. Индикатор - не измеритель мощности, а только указатель. Поэтому к его показаниям нужно относиться с осторожностью, хотя шкалу можно откалибровать.
Опубликовано в журнале "Мастер 12вольт" № 32 (апрель 2001), Автор статьи: А.И.Шихатов
