音频放大器开源设计

描述

请注意：我仍然认为这是一个原型。该项目将获得第二个版本，以解决此版本出现的一些问题。如果您想构建这样的东西，请阅读整个故事以及我对我遇到的问题的评论。

这是我第一个不制造计算机的大型电子项目。回顾我写这篇文章时，我将在未来的项目中避免我为这个项目所做的一些设计选择。

我最初将其设计为一种学习体验，以自学更多有关电子产品，尤其是音频放大器的知识。我在高中四年级开始设计和研究这个，直到我去上大学的前几天才“完成”它。

我对这个项目的设计目标是制作一个功能强大的放大器，它可以接受平衡或非平衡输入，并具有不同类型的输出。

我在下面链接了放大器板和主电源的数据表，因此您可以查看深入的规格并缩短此说明。

关于零件的一些信息：

放大器/前置放大器：

• 主放大器： 3e Audio 的 TPA3255 放大器板版本听起来非常清晰和精确，价格实惠。该板的额定功率为 2x260W @4Ohm <1% THD。它很小，具有听不见的本底噪声，在其额定扬声器负载中具有极低的 THD，并且非常高效。3e Audio 还提供 1x480W @4Ohm 选项。
• 非平衡前置放大器：这是 Douk Audio 制造的前置放大器板，最初配备 NE5532 OpAmp。我用 LM4562 OpAmp 替换了 NE5532。它们是针脚兼容的，因此可以直接替换（只要确保方向正确）。
• 平衡前置放大器：我使用了 2 个 AD828 前置放大器，每个平衡通道一个。

请注意：在一些早期的图片中，您可以看到不同的平衡前置放大器（黑色的在与 AD828 相同的位置）。我没有使用那些，因为我在测试过程中不小心过度电压炸了一个。

电源：

• 主电源： Connexelectronic 的 SMPS600RS 是一款噪声极低的开关电源，可提供 600W 的连续功率。它们以不同的输出电压出售，48VDC 版本是最接近 TPA3255 板可接受的最大 50V 的版本。该电源还具有辅助 12V 500mA 输出。我用它来为风扇和继电器供电。如果您需要为某些继电器和 12V 风扇供电，我建议您使用单独的 12V 电源。我正在接近 500mA 限制，8 通道继电器模块打开，风扇打开。我注意到辅助电源的一些意外情况是，如果电源与主放大器断开连接，或者主放大器进入复位状态，辅助 12V 电源轨会变成褐色，导致继电器板闪烁。
• PreampSupply：这个 MeanWell +/-15VDC 电源用于前置放大器。它在每个轨上的最大输出为 1A，对于前置放大器来说应该足够了，而且它具有相当低的纹波和噪声。如果你真的想要一个，你可能会找到更好的供应，但我对这个供应很满意。

编辑：我没有意识到前置放大器板接受交流输入并对其进行整流。出于某种原因，我认为这是一个 +/-15VDC 输入。而不是这个 SMPS，而是使用适当的变压器。我没有注意到使用 meanwell 电源为前置放大器供电的任何问题，它可以将放大器驱动到削波就好了。但是，我真的建议避免这个错误并改用变压器。感谢 Saravanan J 指出这一点！

输入/输出：

• BalancedInput：这里我使用了 XLR，因为它们是我使用的设备的标准配置。您也可以将它们换成 1/4" TRS 插孔。
• UnbalancedInput：我只使用了一个 3.5 毫米 TRS 插孔，因此我可以将此放大器与过去几十年生产的几乎所有消费类设备一起使用。
• SpeakonOutputs：我使用了一对 4 极扬声器，每个都使用了 +/-1 极，另一个 4 极扬声器使用了所有四个极。这应该确保与扬声器中扬声器连接的各种布线更好的兼容性。
• SpeakerBindingPosts：这些在消费级放大器中是相当标准的。他们接受香蕉插头或裸线。

案子：

• 我用木头做了一个临时外壳来制作放大器的原型。机箱的最终目标是使其适合 2U 高度的 19 英寸机架。
• 当前的“箱子”尺寸为 17.5 英寸（长度）x 3.5 英寸（高度）x 12 英寸（深度）。

杂项：

• 端子排：我使用了小端子排，以便更轻松地将来自前置放大器的输入信号连接到主放大器。我使用较大的接线板将电源侧电线连接在一起。电源侧线包括 120VAC、+/-15VDC 电源输出和来自主电源辅助电源输出的 12VDC。我知道额定电流为 45A 的端子排对于通过这些端子排的电流量来说太过分了。如果你只使用 15A 额定的条带，你应该没问题。
• 旋转开关：我希望能够使用旋转开关来切换输出，它的额定电压/电流足够高，我可以很舒服地将它贴在放大器输出上。这个开关很大，输出位置比我用过的多。出于某种原因，直到我得到开关之后，我才想到使用较小的旋转开关来控制继电器来改变输出。
• 继电器：这些继电器用于切换每个单独的输入线。所有平衡输入到 8 通道板，所有非平衡输入到 4 通道板。此方法留下空通道，并且不如其他方法有效。继电器位于信号链中的前置放大器之后。
• InputSelectorSwitch：此开关是一个 ON-ON 3PDT 开关。该开关处理放大器上的输入跳线和继电器的控制信号。

大概步骤：

您不必按此顺序执行这些步骤。我就是这样做的。不幸的是，我没有拍很多构建过程的照片，但我确实附上了接线图。另外，我觉得我必须进一步警告您，如果您不知道自己在做什么，那么使用交流壁式电源是一个可怕的想法。如果您对更高电压的电子设备不满意（与我在本网站上常见的 5V/12V 电子设备相比），请不要这样做。

1. 首先将所有组件布置在您想要的大致位置。我把它们放在我认为最能减少电线使用量的地方。

2. 拧下不平衡前置放大器上的金属盖，将 NE5532 运算放大器更换为 LM4562。确保重新盖上盖子。

3. 标记所有要在“外壳”中钻孔的安装孔，并使用支架和 M3 螺钉安装所有板和连接器。

4. 接下来使用 45A 接线板和环形连接器连接交流电源侧，以对输入火线和零线进行多个连接。确保将电源开关直接放在输入输入上，并为两个电源提供交流电源。

5. 将主电源的 48V 输出直接连接到主放大器的电源输入。

6. 然后，使用 45A 接线盒将 +/-15V 连接到所有前置放大器，以进行多个连接。我为电源上的 COMM 引脚运行了一根电线，因为这些引脚已经连接。非平衡前置放大器需要 +/-15V，而平衡前置放大器只需要 +15V。

7、最后需要做的电源侧接线是主电源辅助电源的12V。使用 45A 接线端子作为中间连接点，将电源连接到继电器板、继电器信号和风扇。风扇 12V 连接到一个 33 Ohm 电阻以限制风扇的电流以及一个 100 Ohm 线性电位器来控制速度。GND 直接连接到风扇，因此风扇不能一直关闭。用于指示继电器打开/关闭的 12V 应连接到 3PDT 拨动开关上的一个极。切换的一个输出到一个继电器板，另一个输出应该到另一个继电器板。每个继电器板的信号输入都用“U”形的小型实芯线跨接在一起。

8. 继续说信号线，非平衡输入是最简单的接线，所以我选择从那里开始。将电线从 3.5 毫米输入连接到非平衡前置放大器。从那里，前置放大信号的每根线应连接到 4 通道继电器板上的单独 COM 引脚（仅使用 4 个通道中的 3 个）。然后将每个使用的继电器板通道的 NO 引脚连接到放大器板上输入的相应引脚。将信号 GND 连接到两个放大器输入 GND，将右通道连接到放大器 IN+ 引脚之一，将左通道连接到另一个 IN+ 引脚。我使用 15A 螺丝端子排作为中介将多根电线连接在一起。

9. 不平衡线应首先连接到 2x 1 kOhm 对数电位器。每个锅只能采用一个通道的音频输入，热线和冷线位于同一锅的不同杆/甲板上。罐的两极/甲板上的 GND 可以连接在一起。将电位器的输出连接到平衡前置放大器，然后将平衡前置放大器的输出连接到 8 通道继电器板，方法与连接非平衡信号的方式相同。最后，使用 15A 接线板作为中间连接，将继电器上的 NO 引脚连接到主放大器上的相应位置。

10. 接下来，将主放大器的跳线连接到 3PDT 拨动开关。拨动开关的每一极都应该有一个通道，跳线的中间引脚是公共的，另外两个引脚与继电器板信号连接的一侧匹配。我在拨动开关的顶部引脚上有所有不平衡的开关信号，在底部引脚上有平衡。然后输入将进入中间。

11. 将主放大器输出的每个通道的“-”连接到每个输出的“-”。我将它们连接到接线柱，然后将其他输出从接线柱连接，因为它们有更多的空间来焊接电线。将每个输出通道的“+”连接到旋转开关的一组极/面板。关闭每组旋转开关输出/投掷，连接每个相应的扬声器输出。

12. 检查所有连接是否牢固。我建议使用带有连续性测试的万用表来验证所有电线是否正确连接并连接到正确的位置。检查是否在主交流电源输入中插入了具有足够额定值的保险丝。检查以确保您没有任何裸线相互接触。无论如何，裸线或电线部分可能不是一个好主意，因此请用电工胶带或热缩管覆盖它们。

13. 测试启动放大器。如果出现问题，请准备好（安全地）拔掉插头。检查主电源、继电器板和主放大器上的 LED 指示灯是否亮起。

14. 最后，如果一切正常，请插入输入源和扬声器，并使用一些音频进行测试。如果一切顺利，你就完成了，你可以开始听了！

 

 

 

 

1 / 2 •只连接了几根电线的放大器。另外，请注意我在这些图片中的构建中还有其他前置放大器，并且尚未放入平衡音量罐。

 

这是完全组装和接线的放大器。对角线穿过放大器的较大黑色电缆是 XLR。

 

其他信息：

问题：

• 目前不存在接地。一旦外壳由金属制成，它将被添加。当您触摸音量电位器时，这会导致一些奇怪的噪音问题，因为它们没有正确接地到外壳上。
• 在平衡模式下关闭放大器时，会出现大量爆音。我怀疑这是由于平衡前置放大器在放大器之前关闭造成的。这是一个非常糟糕的问题，将在版本 2 中修复。

我会做什么不同/建议：

• 我会推荐一个连接到继电器的小得多的旋转开关来处理切换到不同的输出。这个开关太大了，我需要的输出太多了。
• 如果您只需要平衡或只需要非平衡输入，那么整个设计可以简单得多。所有用于切换输入的组件和其他输入类型的前置放大器都可以移除。
• 如果只需要一种输出，设计也可以简化一点。您可以移除烦人的旋转开关（或我之前建议的继电器）和其他输出。
• 从技术上讲，平衡和非平衡输入都可以在同一组继电器上，一组在 NO 引脚上，另一组在 NC 引脚上。

版本 2 计划：

• 其中相当一部分正在重新设计。我完全摆脱了烦人的大旋转开关，我将简化很大一部分接线。
• 输入都将在同一个继电器板上进行，NC 引脚上是不平衡的，NO 引脚上是平衡的。
• 我将放弃平衡前置放大器，转而使用另一个 LM4562 前置放大器。希望这将消除电源关闭问题的弹出
• 我将添加一个 arduino 来控制放大器的许多方面，例如通过继电器切换输入和输出。我还将添加一个小屏幕来显示实时音频分析器。
• 风扇将有一个连接器，因此我可以在拆开放大器时断开它。
• 我将设计一个金属 19" 机架式机箱来代替我拼凑的木制机箱。每当我这样做时，我一定会包含一个 CAD 文件。那将是在构建版本 2 之后。
• 我将拍摄放大器和构建过程的新照片。

结论

总的来说，我对这款放大器的性能印象深刻。我用一套中档的书架式扬声器测试了它，我以前用的是一个平庸的 2x120w 放大器，我被这个放大器的音质所震撼。一切听起来清晰准确，没有明显的失真，即使电平接近削波。电源和放大器都不会发热太多。他们的散热器永远不会变得足够热，以至于即使在接近限位的情况下运行了多个小时，我也无法触摸。此外，本底噪声几乎不存在。我的耳朵必须离扬声器驱动器不到一英寸才能听到任何放大器的嗡嗡声。