Вторая жизнь Belarus'а
или
применение китайских mp3 модулей

Давно обращал внимание на появившиеся уже несколько лет встраиваемые mp3 модули, позволяющие за смешную цену получить воспроизведение mp3 и радио, а, немного доплатив, получаем ещё и bluetooth. Для испробования mp3 модуля был заказан в популярном китайском магазине вот такой модуль (обратная сторона моего немного отличается от фото):

В качестве объекта для внедрения модуля был выбран корпус от популярного в своё время отечественного магнитофона "Беларусь". Забегая вперёд, скажу, что это не самый лучший или худший выбор. Если есть возможность, лучше выбирать магнитофон с лучшими (бо́льшими) акустическими системами, например "Весна 212С" и т.п. Конечно, можно было просто выбросить лентопротяжный механизм, врезать модуль в кассетоприёмник, подключить его ко входу имеющегося темброблока и всё бы заработало, но захотелось сделать интереснее и лучше. Внутренняя начинка практически полностью была переделана, дабы получить максимальную функциональность. Структурная схема переделанного "магнитофона" приведена на рисунке.

1. Блок питания и зарядное устройство для батареи, от которой устройство может питаться автономно. В качестве батареи использован необслуживаемый герметичный аккумулятор FIAMM FG10721. По простому - шестивольтовый аккумулятор от "бесперебойника".
2. Так как напряжение при разряде батареи может уменьшаться практически до пяти вольт, понадобился стабилизатор напряжения с низким падением напряжения на нём (Low Dropout).
3. В устройстве есть батарея - значит, нужно следить за её зарядом. Для этого добавлен индикатор напряжения.
4. Собственно сам mp3 модуль
5. Регулятор громкости, темброблок и фильтр высоких частот. Малогабаритные динамики не могут воспроизводить низкие частоты, так что их выгоднее "срезать", чтобы не перегружать динамики, что приводит к появлению хрипов и лишь напрасно тратит энергию аккумулятора.
6. Усилитель мощности звуковой частоты, усиливает звук для подачи его на динамики.

1. Блок питания и зарядное устройство

Принципиальная схема блока питания и зарядного устройства приведена на рисунке ниже.

Блок питания собран по классической схеме обратноходового преобразователя. Основные детали и трансформатор взяты от неизвестного блока питания с выходным напряжением 7,5 вольт. Можно применить и детали от зарядных устройств мобильных телефонов. Принцип работы подобных преобразователей многократно описан в Интернете, поэтому рассмотрим его только вкратце:
Cетевое напряжение выпрямляется диодами VD1-VD4 и сглаживается фильтром на конденсаторах C6 и C7 и дросселе L1. Через резисторы R4 R5 в базу ключевого транзистора VT2 подаётся начальный ток, приоткрывающий его. Ток начинает течь через первичную обмотку трансформатора Tr1, на вспомогательной обмотке появляется напряжение, которое через цепочку R6C10 открывает транзистор VT2 полностью. В трансформаторе накапливается энергия, и ток коллектора VT2 линейно возрастает. На резисторе R10 напряжение также линейно растёт, и, когда оно достигает 0.5 вольта, открывается управляющий транзистор VT1, прикрывающий VT2. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора меняют полярность и управляющая обмотка через цепочку R6С10 полностью закрывает ключевой транзистор VT2. Также от управляющей обмотки трансформатора через диод VD10 в этот момент заряжаются конденсаторы C14 и С16, паразитный выброс на коллекторе VT2 гасится цепочкой R7C13VD9, а энергия, накопленная в трансформаторе, со вторичной обмотки через диоды VD12 и VD14 заряжает конденсаторы C17-C20 во вторичных цепях. Когда передача накопленной энергии заканчивается, процесс повторяется. Дополнительно открыть управляющий транзистор VT1 можно через оптрон, который управляется со вторичной стороны и служит для ограничения напряжения на батарее в процессе заряда. Ток заряда специально не ограничивается и максимальное его значение зависит от накопленной в трансформаторе Tr1 энергии, что зависит от максимального тока через первичную его обмотку, который задаётся сопротивлением резистора R10. Конденсатор C11 используется для снижения помех и должен быть обязательно типа Y2 или (лучше) Y1.

Верхняя часть схемы на вторичной стороне используется для получения питающего напряжения при работе устройства от сети. Также от этого напряжения включается реле K1, которое своими контактами переключает питание на работу от сети, вместо батареи. Диоды VD21 и VD23 снижают напряжение на реле, так как используется реле с обмоткой на 5 вольт. Нижняя часть схемы на вторичной стороне образует зарядное устройство. При подаче сетевого питания, пока не зарядился конденсатор C22, транзистор VT7 закрыт. Напряжение на выходе зарядного устройства зависит от падения напряжения на светодиоде оптрона, стабилитронах VD15 VD16 и диоде VD22. Стабилитроны подбираются таким образом, чтобы это напряжение составляло 7.2-7.5 вольт. Такое напряжение рекомендовано для зарядки батареи производителем. При разряженной батарее ток заряда будет больше 100mA, транзистор VT6 откроется и не даст открыться VT7, даже когда откроется VT8 после заряда C22. Одновременно открывается VT5 и загорается светодиод HL2, показывающий, что идёт зарядка батареи. По мере заряда батареи, зарядный ток снижается, когда он становится меньше 100mA, транзистор VT6 закрывается, а VT7 открывается, шунтируя диод VD22, что приводит к уменьшению напряжения заряда на примерно 0,7 вольта. Зарядное устройство переходит в режим поддержания напряжения на батарее, что может продолжаться неограниченно долго. Также гаснет светодиод HL2, что означает, что батарея заряжена.

Ток короткого замыкания батареи может превышать 500 ампер, так что обязателен предохранитель F2! Клеммы аккумулятора нужно снаружи изолировать (например, термоусадкой или силиконовыми колпачками).

2. Стабилизатор напряжения с низким падением напряжения

Несмотря на то, что mp3 модули работают и при напряжении, меньшем 5 Вольт, было решено делать всё как положено, так что понадобился стабилизатор напряжения с низким падением напряжения (напряжение в конце разряда аккумулятора может быть 5.8 вольта). Можно, конечно, выбрать что-нибудь готовое из микросхем, но было решено делать стабилиатор из имеющихся деталей. Идея была взята отсюда http://myelectrons.ru/mosfet-tl431-ldo-linear-voltage-regulator. Принципиальная схема стабилизатора приведена на рисунке ниже.

На микросхеме IC1 собран удвоитель напряжения. Микросхема 74HCT14 содержит шесть инвертирующих триггеров Шмидта и широко представлена на многих материнских платах, откуда её легко выпаять. На одном элементе собран генератор прямоугольных импульсов с частотой примерно 100 KHz, которая задаётся R2 и С6. Выход элемента-генератора прямоугольных импульсов (вывод 4) подаётся на входы трёх других триггеров Шмидта (выводы 1, 5 и 13). Проинвертированный сигнал с вывода 12 поступает на два оставшихся триггера (входы 11 и 9). В итоге на выводах 2,6 и 8,10 присутствуют прямоугольные импульсы в противофазе. К этим выводам подключены конденсаторы C4, C8, C9, C12 удвоителя, которые заряжаются через диоды VD5, VD6 и разряжаются через диоды VD7, VD8 заряжая конденсатор C15 почти до удвоенного напряжения питания (минус падение напряжения на двух кремниевых диодах).

Так как максимальное напряжение питания микросхемы 74HCT14 составляет 7 Вольт, а на входе может быть до 9 Вольт, применён ограничивающий резистор R1, c которым напряжение питания не превысит 7 Вольт. Также дополнительно 5-0.7=4.3 Вольт питание подаётся через диод VD13. В правой части схемы расположен обычный линейный стабилизатор с защитой от максимального тока. К сожалению, резистор защиты также увеличивает падение напряжения, при необходимости, защиту можно не ставить (R17 - перемычка, R15, VT4 типа КТ3102), тогда при коротком замыкании перегорит предохранитель, но можно будет подключать к USB разъёму для зарядки устройства, требующие ток 2-3 ампера (современные смартфоны, планшеты с большой диагональю). При сопротивлении R17 в 1 Ом ток ограничен величиной 500mA. Можно уменьшить R17, увеличив таким образом максимальный ток. Транзистор T1 можно взять практически любой n-канальный из неисправной материнской платы. Стабилитрон VD17 ограничивает максимальное напряжение затвор-исток.

3. Индикатор напряжения

В корпусе магнитофона "Беларусь" предусмотрены места для двух 5мм светодиодов. Один из них - индикатор зарядки. Второй - индикатор напряжения. Любители минимализма могут применить однопороговый индикатор на TL431, схему можно посмотреть тут. Был использован трёхцветный (RGB) 5мм светодиод, управляемый микроконтроллером, цвет и режим означают разные уровни заряда батареи и сам факт зарядки. Схема индикатора напряжения приведена ниже.

Сопротивления резисторов R4-R6 подобраны так, чтобы при включении всех кристаллов светодиода получался белый цвет. Микроконтроллер с помощью встроенного АЦП с частотой примерно 4.8KHz измеряет напряжение батареи. Измеренные значения заносятся в буфер из 160 элементов. В буфере находится минимальное значение и оно используется как значение для индикации. Опорное напряжение для АЦП выбрано 2.56 Вольта, используются 8 старших разрядов данных. Алгоритм работы индикатора и значения напряжения и заряда приведены в таблице.

Видно, что цвет при разряде просто меняется по радуге, что удобно для восприятия и смотрится достаточно эффектно. По факту оказалось, что яркость светодиода при выбранном токе слишком велика, так что она снижается аппаратным ШИМ'ом. Максимальное значение ШИМ для одного цвета не превышает 28, если нужно увеличить разрешающую способность, нужно увеличить сопротивления резисторов R4-R6. Частота ШИМ выбрана выше звукового диапазона, но всё равно для снижения влияния помех плата индикатора расположена на удалении от платы усилителя и входных звуковых цепей. Резисторы R2 и R3 использованы c 1% допуском. Есть смысл один из резисторов заменить цепочкой из подстроечного и последовательно постоянного (например, вместо R3 поставить последовательно постоянный резистор на 10KОм и подстроечный на 4.7KОм). Затем в готовой конструкции отрегулировать порог 0% заряда.

Исходный и откомпилированные файлы прошивки находятся здесь.

При желании можно сделать чисто аналоговый индикатор напряжения и заряда. Можно взять схему вольтметра с растянутой шкалой, например тут эту:

заменить стабилитрон на 4.7 Вольта, подобрать резисторы так, чтобы шкала используемого микроамперметра отображала заряд от 0 до 100%. Проградуировать шкалу можно, взяв за ориентир величины напряжений из таблицы выше.

4. Подключение mp3 модуля

На первый взгляд, тут всё просто: достаточно подключить питание и выходы и модуль готов к работе. Но не всё так просто. В отзывах на применение подобных mp3 модулей часто можно прочитать жалобы о том, что в процессе воспроизведения есть помехи, шумы, треск. Помехи могут быть всегда или только при работе Bluetooth или воспроизведении mp3. Причина этого в 99% случаях одна и та же: направильная разводка "земли" (общего провода). Об этом подробнее:

Разводка "земли" при подключении mp3 модуля

Строго говоря, в любом устройстве важна правильная разводка "земли". Наименее критичны к разводке земли цифровые устройства с невысоким быстродействием. Наиболее - импульсные преобразователи, чувствительные усилители. В импульсных преобразователях, например, неправильная разводка земли может привести к полной неработоспособности устройства. Фишка вся в том, что процессы, происходящие при неправильной разводке, довольно простые, но именно в простых вещах часто кроются серьёзные ошибки.

В идеальном случае mp3 модуль питается от собственного изолированного источника питания. В этом случае никаких проблем не возникает.

Красная стрелка показывает протекание тока по линии питания, пунктирная линия соединяет минус питания с общим проводом выхода, синяя и зелёная стрелки показывают протекание тока звукового сигнала через регуляторы громкости, с выходов которых сигнал поступает на усилитель и воспрозводится. Всё хорошо, но картина меняется, если питание у усилителя и модуля общее:

Типичная ситуация: подключение модуля в старый магнитофон, компьютерные колонки или автомобильную магнитолу.

В этом случае возникают два эффекта:

1. Возникает "земляной" контур A-B-C-D-E-F-A (синие точки на рисунке). Такой контур, особенно если оформлен в виде рамки, работает как рамочная антенна, один виток катушки, который принимает различные магнитные наводки, которые наводят на разных участках контура напряжение помехи. Например, появление такого напряжения на участке "общие выводы регуляторов громкости - точка D" приводит к поступлению его на вход усилителя и он становится слышен в виде разных гулов, помех и т.п.
2. Через участок B-A протекает ток питания модуля. Динамическая индикация, работа bluetooth, декодера, приводят к появлению всплесков тока через этот участок, так как провод имеет некоторое, пусть и небольшое, сопротивление, на участке B-A появляется напряжение помех. Через участок B-D эта помеха поступает на вход усилителя, причём, независимо от положения регулятора громкости, что слышно в виде треска, щелчков и писков.

Избавление от помех очевидно: нужно разорвать "земляной" контур A-B-C-D-E-F-A. Это можно сделать несколькими способами:

• Если усилитель для устройства проектируется "с нуля", можно убрать связь D-E
  
  В подавляющем большинстве случаев усилитель мощности выполнен как ОУ, в этом случае достаточно не соединять общий провод входа с общим проводом усилителя. На схеме это обозначено красной линией, которую нужно разорвать. В этом случае помеха с участка B-A хоть и поступает на вход усилителя, но не усиливается им. Так как напряжение полезного сигнала на выходе усилителя мощности гораздо выше напряжения помехи, она практически не слышна.
• Разорвать соединение B-C. Многие mp3 модули позволяют разорвать цифровую и аналоговую "земли", имея специальную перемычку для этого или 0 Омный резистор. В моём модуле эта перемычка подписана находится возле выходных разьёмов. Вот мои фото перемычек в некоторых mp3 модулях.
  
  Достаточно выпаять резистор с маркировкой 0 или разорвать перемычку из капли припоя, и помехи и шум исчезают. Нужно только помнить, что микросхема модуля рассчитана на работу, когда потенциал в точках B и С практически одинаков. Так что, разорвав перемычку "земли", нужно обязательно подключить общий провод выхода к схеме устройства.

Так как используется отдельный LDO стабилизатор 5 вольт, микросхема стабизатора напряжения 78M05 выпаяна из модуля, а вход и выход напряжения (крайние выводы 78M05) соединены перемычкой.

5. Регуляторы громкости и тембра, ФВЧ

Принципиальная схема регулятора громкости, фильтра высоких частот и усилителя мощности звуковой частоты приведена на рисунке ниже. На схеме показан только один канал. Второй выполнен аналогично.

Идея входной части взята из статьи Корректировка звучания носимых магнитол. Кратко: для получения удовлетворительного звука в переносной аппаратуре нужно иметь тонкомпенсацию, регулятор тембра по НЧ (недостаток НЧ ухудшает субъективное качество звука, избыток - легко перегружает малогабаритные громкоговорители), и ФВЧ для среза тех низких частот, которые АС устройства уже не может воспроизвести из-за своих размеров.

На схеме это часть от входа (R1) до разделительного конденсатора C12. Делитель R1R2R3 на входе ослабляет сигнал так, чтобы при максимальной громкости не было перегрузки каскада на VT1. R3-R5, C1, C2 - тонкомпенсированный регулятор громкости. C3, C6, R6-R10, VT1 - активный ФВЧ с частотой среза примерно 140Hz. Частота выбрана из соображений, что используемые динамики 3ГДШ-14-4 не могут воспроизводить нормально частоты ниже частоты своего резонанса (160Hz). Если используются другие динамики, номиналы конденсаторов С3 и С6 нужно обратно пропорционально изменить (для снижения частоты конденсаторы увеличить). В исходном варианте (в статье) используются конденсаторы ёмкостью 0.15μF, что даёт частоту среза около 60Hz.

Микросхема усилителя имеет избыточную чувствительность, поэтому сигнал после фильтра снимается с эммитера VT1, для уменьшения его амплитуды. Далее он поступает на темброблок, позволяющий потенциометром R12 регулировать уровень низких частот. Конструктивно регулятор тембра НЧ расположен вместо заводского регулятора стереобаланса в корпусе Belarus'а.

6. Усилитель мощности

Схема усилителя мощности звуковой частоты приведена выше. Используется хорошо зарекомендовавшая себя микросхема TEA2025B. Широкое напряжение питания (от 3 до 15 вольт), возможность мостового включения, позволили удачно её применить в конструкции. Тем более, что её можно найти во многих старых ISA звуковых картах, компьютерных колонках, кассетных магнитофонах импортного производства. Использование мостового включения позволяет при питании от 6 вольт получить выходную мощность 2.8 ватт на канал. Это "честные" ватты, в китайских можно смело клеить наклейку типа "Dual bridge amplifier. Mega power. 1200W" :). Схема включения практически типовая, рекомендованная производителем. При подключении наушников используется только один, верхний по схеме, усилитель микросхемы. Напряжение с нижних по схеме усилителей через резисторы R21 и R22 складывается и подаётся на общий провод наушников, формируя половинное напряжение питания для подключения наушников без разделительных конденсаторов. Выход верхнего по схеме усилителя поступает на левую обкладку конденсатора C9 (от противоположного канала). Пройдя через полосовой фильтр C9R17 R16C14 и ослабляясь делителем R18R20, сигнал от противоположного канала поступает на нижний по схеме вход усилителя. В результате к сигналу основного канала подмешивается сигнал противоположного канала в противофазе. Возникает эффект расширения стереобазы. При желании можно подобрать номиналы фильтра, они взяты из схемы Берестье-004С. При замыкании выключателя S1 добавление сигнала убирается и воспроизводится только сигнал своего канала, без расширения стереобазы. Кнопка включения S2 конструктивно расположена вместе с усилителем мощности, выход отключаемого питания с точки Vbat поступает на вход стабизизатора напряжения и измерительных вход индикатора напряжения.

Детали и конструкция

Конструктивно применены три печатных платы: плата усилителя мощности, входы; плата блока питания и зарядного устройства; плата индикатора напряжения. Плата звуковой части двухсторонняя:

Регуляторы громкости и тембра применены исходные, при использовании других печатную плату лучше подкорректировать. Кнопки включения и расширения стереобазы, гнездо наушников попадают в стандартные отверстия корпуса. Плата держится в корпусе за счёт имеющихся упоров и зафиксирована гайками регуляторов (как в оригинале магнитофона). Электролитические конденсаторы - на 16 вольт. Регулятор громкости - тип B (советский вариант) или А (audio - импортный). Регулятор тембра - такой же, но можно на крайняк и линейный.

Плата блока питания и зарядного устройства:

На плате размещены входные разьёмы, которые были в оригинальном магнитофоне. Их можно подключить как линейный выход mp3 модуля и как линейный вход (в модуле есть режим LINE и соответствующий разьём). На плату прикручена пластина, которая использовалась для крепления регуляторов тембра, и эта пластина прикручена к корпусу магнитофона (см. фото ниже). Для сборки высоковольной части блока питания лучше всего найти исправный импульсный блок и подкорректировать плату под его детали, трансформатор. Ключевой транзистор установлен на небольшой радиатор. Реле - Tianbo TR5V с обмоткой на 5 вольт и переключающим контактом. Плата индикатора напряжения содержит одну перемычку, использованы для простоты SMD детали, для микроконтроллера установлена панелька.

Чертёжы всех печатных плат в формате популярной программы Sprint-Layout можно скачать здесь.

Теперь фото:

Плата усилителя мощности, темброблока, регулятора громкости и ФВЧ:

Плата блока питания и зарядного устройства:

Общая компоновка. Видно крепление для аккумулятора, изготовленное из металлических пластин, прикреплённых заклёпками. Правый динамик упирался магнитом в трансформатор, так что динамики пришлось переклеить глубже в переднюю панель:

Прежний батарейный отсек удалён, по периметру оклеен плотным поролоном, получился отсек, в котором удобно хранить пульт дистанционного управления от mp3 модуля. К задней стенке прикреплена подходящая телескопическая антенна, которая подключена к соответствующему контакту mp3 модуля. В левой нижней части стенки (на фото виден только один болт крепления) расположено стандартное гнездо для подключения шнура 220 вольт, от импортного магнитофона:

В последствии бывший Belarus был обклеен симпатичными наклейками и сейчас имеет вид:

При использовании представленных материалов обязательна ссылка на сайт кафедры АСОИ http://gsu.by/asoi или мою личную страницу http://gsu.by/asoi/pages/chechet.