Привет, Хабр! Какие подводные камни таит в себе копеечный китайский модуль с этой фотографии, и как их преодолеть? Как сделать усилитель дешёвых компьютерных колонок менее чувствительным к помехам по питанию?

Как устроен расширитель стереобазы, он же «Surround sound» или «трёхмерный звук»? Как заставить маленькую моноблочную стереосистему звучать ещё объёмнее при помощи цифровых линий задержки?

Обо всём этом расскажет мой маленький проект, начавшийся десять лет назад и не законченный до сих пор.

▍ Старый добрый бестселлер

Всё началось с того, что сосед предложил забрать старые компьютерные колонки Genius Fantasia, они же активная акустическая система KYE SYSTEMS CORP SP-G10, которые он собирался выкинуть.



Корпуса находились в ужасном состоянии, от проводов остались лохмотья, сетевой трансформатор сгорел, зато громкоговорители и плата усилителя были как новенькие.

▍ Расширитель стереобазы

Казалось бы, что может быть более скучным, чем усилитель дешёвых компьютерных колонок? Всего-навсего один широкополосный динамик на канал, нет ни сабвуфера, ни даже регулировки тембра. Зато есть волшебная кнопка «3D», при нажатии которой происходит настоящая магия.

Благодаря таинственному преобразованию стереофонического аудиосигнала, слушатель внезапно чувствует себя не перед двумя скромными китайскими громкоговорителями в пластмассовых корпусах, а в самой гуще звуковых событий. Звук окружает слушателя, и поэтому такой эффект часто называется «surround sound» — «окружающий звук».

При этом на плате усилителя нет никакого DSP — цифрового процессора сигналов. Вообще, нет ни одного транзистора и ни одной микросхемы, кроме двухканального интегрального усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) LA4192 производства компании SANYO.

И это не модерновый цифровой усилитель класса D, (по сути представляющий собой импульсный преобразователь напряжения, опорой для усилителя ошибки которого служит воспроизводимый аудиосигнал).

LA4192 — это самый обычный винтажный аналоговый УМЗЧ класса AB, выполненный в виде интегральной микросхемы. Разновидностей таких микросхем очень много, и все они основаны на двухтактном бестрансформаторном усилителе Лина, который мы изучали в 2023 году.

Перед нами эквивалентная структурная схема LA4192. На ней мы видим, что оба входа — инвертирующий и неинвертирующий — входного операционного усилителя (ОУ) каждого из каналов выведены на соответствующие ножки микросхемы.



А так устроена плата усилителя Genius Fantasia. Чтобы не загромождать схему, входные и выходные цепи левого канала на ней не изображены. Как легко догадаться, они полностью идентичны цепям правого канала.



Обратите внимание, что регулятора тембра нет, зато на входах предусмотрены пассивные RC-фильтры тонкомпенсации, чтобы маленькие дешёвые громкоговорители звучали наилучшим образом. Неспроста эти компьютерные колонки стали народными любимцами.

При замкнутых контактах выключателя SW1 инвертирующие входы правого и левого каналов соединяются между собой через RC-цепочку С8R7C9.

Это создаёт отрицательную обратную связь между левым и правым каналами, благодаря чему частично подавляется центральная составляющая стереосигнала.

К сигналу правого канала добавляется разностный сигнал правого минус левого, и, соответственно, к сигналу левого добавляется разность левого минус правого.

Таким простейшим и чисто аналоговым способом, без всяких DSP, получается волшебство расширения стереобазы, известное под разными маркетинговыми названиями.

Наличие у платы усилителя такой функции меня очень порадовало, и захотелось собрать стереофоническую активную колонку в виде портативного моноблока.

▍ Из того, что было

Тем временем мы как раз завершали утепление и отделку садового домика. Пара обрезков стеновой МДФ панели, оцинкованная направляющая и саморезы с пресс-шайбами после недолгой работы превратились в неказистый, но крепкий корпус для динамиков и усилителя от соседских колонок.

На видео представлена уже модернизированная поделка в её сегодняшнем состоянии. А десять лет назад она позволяла слушать музыку с телефона через провод. Это было как нельзя кстати в процессе частых огородных работ и редкого поедания шашлыка, Если находилось время, то была и возможность подключить электрогитару или аналоговый синтезатор.

▍ Делаем звук ещё объёмнее

Чтобы последние звучали интереснее, к конструкции добавлен пинг-понг дилей (ping-pong delay), то есть два эффекта эхо, по одному для каждого из каналов, правого и левого.

Модуль собран на зелёной макетной плате с двумя микросхемами PT2399 и шестью потенциометрами. А светло-коричневая плата с серебристым «крылатым» радиатором — это УМЗЧ из колонок Genius.



Два больших сдвоенных потенциометра СП3-30Г из советского электрофона служили регуляторами громкости до и после дилея. А третий отвечал за распределение сигнала с монофонического входа между левым и правым каналами.

Задержанные повторы сигнала с выхода левого дилея поступают на вход правого, и наоборот, с выхода правого узла задержки поступают на вход левого. Таким образом, эхо гуляет вправо-влево, что особенно хорошо звучит с расширителем стереобазы.

Каждый из каналов задержки собран по стандартной схеме из заводского технического описания микросхемы PT2399 от её разработчика — компании Princeton Technologies. Эту замечательную микросхему мы подробно рассматривали в отдельной статье.



Каждая из половинок стереоэффекта снабжена регуляторами громкости отражённого сигнала, времени задержки и времени затухания, иными словами, частоты и количества повторов.

Кроме гнезда для питания, на корпус было выведено целых пять «тюльпанов» — розеток RCA. Два из них служили стереовходом, третий — входом для монофонического сигнала гитары или синтезатора, и ещё два гнёзда с выходов модуля эхо, на случай, если понадобится записать обработанный сигнал или вывести его на другой усилитель мощности.

▍ Импульсный стабилизатор напряжения

Для питания всего устройства была предусмотрена синяя китайская платка понижающего DC-DC преобразователя на микросхеме LM2596, настроенного на выходное напряжение 9 вольт.

Последнее было дополнительно выведено на винтовые клеммы, чтобы иметь возможность питать самодельные аналоговые синтезаторы. Например, Noise Toaster от Music from Outer Space. Со стереоэффектами он звучит гораздо интереснее.

Благодаря понижающему преобразователю, колонка могла питаться от аккумуляторной батареи автомобиля, шуруповёрта или вообще любого источника постоянного напряжения в диапазоне от 10 до 45 вольт. В условиях садового участка такое решение оказалось особенно удобным. Чаще всего использовался самодельный повербанк из трёх последовательно соединённых литий-ионных аккумуляторов Ultrafire 18650.

Микросхема LM2596 работает на частоте 150 килогерц, которая в три раза выше, чем у её старшей сёстры LM2576. Благодаря этому, сколько-нибудь значительных шумов в громкоговорителях, несмотря на такое совсем не аудиофильское решение, не наблюдалось.

Один DPDT тумблер на три положения ВКЛ-ВЫКЛ-ВКЛ совмещал функции выключателей питания и расширителя стереобазы. В среднем положении акустическая система отключена, в нижнем включена без «трёхмерного звука», а в верхнем — с ним.

Ни в коем случае не буду спорить с тем, что описываемая конструкция неоптимальна, несовершенна и, мягко говоря, не очень эстетична, (если не рассматривать стили, в названиях которых есть слово «панк»). Зато она работает, и её можно сделать лучше во всех отношениях.

Как мне кажется, такие штуки вдохновляют. Напишите своё мнение в комментариях. И да, проводники из витой пары — это одни из самых худших монтажных проводов. С этим я тоже не спорю, хотя когда-то они мне нравились, потому что их легко зачищать и лудить.

▍ Новая жизнь

После переезда из садоводческого товарищества в городскую квартиру колонка долго пылилась на антресолях без дела, пока мне не попался на глаза копеечный китайский модуль марки KEBIDU, способный подарить старой поделке новую жизнь в более современном контексте.

Такие модули существуют во множестве разновидностей и могут иметь или не иметь усилитель мощности, дисплей или индикатор, микрофон, гнездо AUX под мини-джек, защиту от переполюсовки питания и функцию УКВ ЧМ радиоприёмника.

Зато блютус, инфракрасный пульт дистанционного управления и гнёзда для USB накопителя и microSD-карты есть практически у всех. Из вышеприведённого списка у моего модуля нет встроенного УМЗЧ и микрофона. Последний можно было бы использовать для осуществления громкой связи в автомобиле, чтобы во время телефонного разговора музыка заглушалась, а у водителя были свободны руки.

Размеры модуля таковы, чтобы его можно было установить в пространство старой автомагнитолы, предназначенное для аудиокассеты. И соответственно лишиться устаревшего функционала, приобретя вместо него современный.

▍ Подводные камни встраиваемого проигрывателя

Итак, первоначальное предназначение этого китайского изделия — быстрая и лёгкая модификация автомагнитол. И в связи с этим, устройство имеет три характеристики, являющиеся недостатками в случае нештатного применения.

Во-первых, чувствительность SDR (software defined radio) УКВ ЧМ радиоприёмника здесь низка, потому что предполагается применение хорошей автомобильной антенны, которая сама по себе даёт усиление радиосигнала.

На маленький телескопический штырь в квартире многоэтажного дома слышно только пару самых мощных станций, да и то с сильными помехами. Проблема решается приобретением дешёвой компактной активной автомобильной антенны.

Во-вторых, динамическая индикация светодиодного дисплея создаёт очень сильные помехи по питанию. Автомобильная электроника их не боится, потому что бортовая сеть всегда полна помех от множества реле, электродвигателей и системы зажигания.

Зато усилитель компьютерных колонок оказался очень чувствительным импульсным помехам от переключения светодиодных сегментов. Чуть ниже я расскажу, каким образом получилось их преодолеть.

И наконец, в-третьих, стереосигнал со входа AUX не просто коммутируется на аналоговый выход модуля, а проходит через дешёвый, медленный цифровой эквалайзер.

Эквалайзер — это хорошо. Для прослушивания музыки с флешки или через блютус это приятный и полезный бонус. Но играть на электрогитаре через предусилитель, подключённый во вход AUX, оказалось невозможным по причине просто огромной задержки аудиосигнала.

Поэтому в ближайшем будущем я планирую подвергнуть эту многострадальную поделку ещё нескольким техническим и эстетическим модификациям. В частности, снова сделаю честный аналоговый вход, только на этот раз с более подобающими разъёмами, и реализую более качественную схему питания.

▍ Активный фильтр

В сегодняшнем варианте я использую хороший стабилизированный блок питания для гитарных эффектов MOSKY ISO-10, поэтому изначально понижающий модуль на микросхеме LM2596 был исключён из схемы.

Но когда при первом испытании из громкоговорителей донеслись просто ужасные шумы, напоминающие фон от электросети переменного тока, но пульсирующие в такт с индикацией на дисплее, было опробовано временное решение. Как раз его работу мы слышим на видео.

DC-DC конвертер был перенастроен на 7.5 вольт, и китайский проигрыватель подключён через него. На вход и выход преобразователя дополнительно подключены электролитические конденсаторы ёмкостью по 1000 микрофарад.



Такое применение преобразователя напряжения в качестве активного фильтра дало неплохой результат, и помехи от светодиодной индикации теперь еле слышны. Тем не менее они не устранены полностью.

Так уж вышло, что именно эта микросхема LA4192 особенно чувствительна к импульсным помехам по питанию, о чём инженеры компании Sanyo честно сообщили в документации.

Интегральный УМЗЧ предназначался, в частности, для портативных магнитофонов, где присутствуют коллекторные электродвигатели, и уже поэтому про особенность микросхемы нельзя было умалчивать.

Производитель позаботился и о решении проблемы: следует подсоединить обыкновенный быстрый выпрямительный диод, например, DS442, между шестым и двенадцатым выводами микросхемы. То есть, катодом к плюсу внешнего питания и анодом к плюсу питания входных операционных усилителей.



Этот диод на плате KYE SYSTEMS CORP SP-G10 не предусмотрен, и его я установлю позже, когда буду полностью разбирать колонку для финальной модернизации. А может быть, и не финальной. Тогда получится ещё интереснее.

Продолжение следует.

Помоги спутнику бороться с космическим мусором в нашей новой игре! ????