Косяки БП «Электроника-004»
Когда плату проектирует дурак, получается более предсказуемый результат, чем когда ее проектируют идейные разработчики, движимые какой-то собственной идеей. Из всех плат магнитофона «Электроника-004» плата блока питания (БП), пожалуй, является самой выдающейся по глупостям разводки.
Блок питания содержит несколько выпрямителей с конденсаторами фильтра и несколько стабилизаторов. На выходе он обеспечивает следующие напряжения:
- Стаб. +15 В (ток до 0.5 А) и -15 В (до 0.5 А) для питания аналоговых схем.
- Стаб. +5 В (до 0.3 А) для питания схем управления аналоговым трактом.
- Стаб. +5 В (до 0.5 А) для питания блока управления.
- Стаб. +24 В (до 0.5 А) для питания ведущего двигателя.
- Нестаб. +38 В (до 0.4 А) для питания электромагнитов.
- Нестаб. +150 В (до 0.01 А) для питания газоразрядных индикаторов.
На плате БП установлены небольшие радиаторы, на которых расположены регулирующие транзисторы стабилизаторов.
Эти радиаторы с помощью алюминиевых пластин соединены с основным радиатором, расположенным сверху магнитофона. Тепло по пластинам будет передаваться туда. Неплохое техническое решение.
Кроме собственно источников питания на плате БП собрана часть схемы управления боковыми двигателями. Сюда приходят провода от двигателей, фазосдвигающих конденсаторов и регулирующих транзисторов. С трансформатора подаются переменные напряжения 60 В и 100 В с отдельных обмоток для каждого двигателя. 60 В подается на двигатель через мост и регулирующий транзистор, 100 В - через симистор.
Недостатки разводки проявляют себя повышенными пульсациями и помехами. Электрическая схема магнитофона спроектирована с учетом разделения земляных проводников для разных участков схемы. Но на плате БП эти земли бездумно сведены вместе. Такая топология иногда используется, она называется «звезда». Но здесь «звезда» выполнена довольно длинными печатными проводниками, по которым протекают токи разных источников.
Одну из проблем БП я заметил при отладке программы нового блока управления (БУ). Если нажать кнопку реверса, лента сначала должна остановиться, и только после некоторой паузы начать движение в обратном направлении. Эта пауза нужна для разгона ведущего двигателя после смены направления вращения. Штатная логика на это время выключала боковые двигатели и отпускала механические тормоза. Чтобы лишний раз не щелкать электромагнитами, я решил некоторое время постоять в режиме электронного торможения, когда боковые двигатели создают с двух сторон одинаковые натяжения. В момент, когда ведущий двигатель реверсируется, наблюдаются сильные колебания натяжения ленты. На графике показано натяжение ленты, когда она неподвижна. Я вручную переключал направление вращения ведущего двигателя туда-сюда, каждый всплеск на графике - это такое переключение.
Сначала подозрение пало на программу, проверил ее вдоль и поперек и ничего не нашел. Пришлось брать в руки щуп осциллографа. Оказалось, что во время реверсирования ведущего двигателя резко меняются показания датчиков натяжения ленты, даже если рычаги натяжителей при этом совершенно неподвижны.
Картина прояснилась. Эти резкие «ступеньки» приходили на вход PID-регулятора поддержания натяжения ленты, его реакция как раз и была видна в виде выбросов натяжения.
Виновником выбросов на сигнале датчиков натяжения оказался БП. Часть земляного проводника, куда подключен датчик натяжения, использовалась в качестве проводника возвратного тока источника питания +24 В, питающего ведущий двигатель. Во время разгона двигателя его потребляемый ток сильно увеличивается (примерно до 2 А вместо 200 - 300 мА в штатном режиме). Этот ток создает заметное падение на земляном проводнике, которое суммируется с выходным сигналом датчика натяжения.
На плате БП есть и другие «косяки». У всех источников они однотипные - кто-то применил очень авангардную топологию для выпрямительных мостов и фильтрующих конденсаторов. Вместо того, чтобы использовать нормальную топологию, как на картинке слева, здесь руководствовались какими-то своими идеями (картинка справа):
Фрагмент печатной платы БП показан ниже. Синими стрелками показано странное подключение фильтрующего конденсатора C18 к мосту V7. Зеленой стрелкой показаны тоненькие силовые дорожки питания +5 В и +24 В.
Ситуацию усугубляет применение аксиальных конденсаторов К50-29. Они хороши своей маленькой высотой, но выводы расположены далеко друг от друга, поэтому разводка получается не лучшей. У оригинала (Revox A-700) тоже применялись аксиальные конденсаторы, но разводка БП была намного более адекватной. Стабилизаторы там тоже сделаны на «россыпи», но надо учесть, что это 1972 год.
Кстати, в БП этого магнитофона "Электроника-004" 1986 года выпуска нет ни одного конденсатора, требующего замены. Вместе с К50-29, с которыми никогда обычно проблем не бывает, тут используются К50-35 довольно странного вида - они обтянуты прозрачной термоусадкой.
Выход один - дорожки на печатной плате БП придется резать, а новую топологию создавать проводами. Так я и поступил. Для всех источников сделал топологию мост - конденсатор - стабилизатор. Выходы стабилизаторов соединил прямо с разъемами потребителей, чтобы по дорожкам, объединяющим земли разных источников, не текли токи нагрузок. В результате плата обзавелась множеством проводов. Всего установлено 12 перемычек, дорожки разрезаны в 10-ти местах (кликабельно).
Устранен и совсем «детский» косяк: конденсатор фильтра источника +38 В не имел никакого тока разрядки после выключения аппарата. В результате даже на обесточенном аппарате был риск что-то повредить, случайно замкнув заряженный конденсатор на какую-то цепь. По крайней мере, при демонтаже электромагнитов искры сыпались регулярно. В таких случаях параллельно конденсатору обязательно должен быть разрядный резистор, который разработчики не предусмотрели. Пришлось этот резистор добавить.
После доработки уровень пульсаций на входах стабилизаторов уменьшился, а глюк с дерганьем натяжения ленты во время реверса ведущего двигателя полностью исчез:
Повышенные пульсации напряжения питания в этом магнитофоне - вина не только БП. Я уже описывал здесь возмутительный косяк - схема управления боковыми двигателями потребляет от «аналогового» питания +15 В импульсный ток частотой 100 Гц, что приводит к появлению пульсаций 50 мВ! Эти пульсация хорошо слышны как фон и в канале воспроизведения, и в канале записи (в этом, конечно, есть и часть вины аналоговых схем, которые имеют недостаточный коэффициент подавления пульсаций питания). Вся борьба с фоном в виде экранирования сведена на нет глупым схемотехническим решением. Причем у оригинала (Revox A-700) питание схемы управления боковыми двигателями взято от нестабилизированного источника, но никак не от источника питания аналоговых схем. Новый блок управления на микроконтроллере не использует аналоговое питание, там этот недостаток устранен полностью.
Параметры стабилизаторов тоже заслуживают критики. Выходное сопротивление стабилизаторов в звуковой полосе частот довольно значительное, что вызывает пульсации с частотой тока потребления. Для аналоговых схем потребление меняется с частотой звукового сигнала. Например, вот что видим на выходе стабилизатора +15 В при работе магнитофона в режиме воспроизведения с подключенными наушниками на среднем уровне громкости (10 мВ на деление):
Замена схемы штатного стабилизатора одной микросхемой LM317 в стандартном включении дает намного лучшую картину:
Пульсации напряжения питания определяются не только выходным импедансом стабилизаторов, но и импедансом подводящих проводов. Тут они длинные, БП установлен в верхней части аппарата, а корзина с аналоговой электроникой - внизу. К тому же, аналоговое питание транзитом проходит через плату блока управления, что еще добавляет разъемов на пути и дополнительно удлиняет проводники. А на самой корзине конденсаторы отсутствуют. Поэтому непосредственно на разъемах питания аналоговых плат картина еще хуже.
Со штатным стабилизатором:
С LM317:
Надо сказать, что после доработки плата БП стала совершенно непрезентабельной. Слишком много пришлось резать и переделывать. К тому же, имеются недостатки, связанные со схемотехникой - высокий выходной импеданс стабилизаторов, лишние подстроечные резисторы уровней напряжения и т.д. Поэтому возникло желание сделать новую плату БП. Попутно можно улучшить и топологию соединений блоков магнитофона - отказаться от малопонятных жгутов проводов, а сделать соединения точка-точка на отдельных разъемах. Я над этим работаю, сейчас решается вопрос компоновки нового БП.