Jak dobrać zasilacz do akcesoriów Audio dla Raspberry Pi?
W poprzednim wpisie chciałem przybliżyć Wam kwestię zasilania popularnej „Malinki”. Dzisiaj chciałbym pójść dalej i pokazać, że można jeszcze lepiej.
Jeżeli masz już liniowe zasilanie samego komputera, muzyka płynie, sprawia przyjemność i zastanawiasz się czy może być jeszcze lepiej? Otóż odpowiadam – rzadko kiedy nie może, i tutaj mam na myśli pewną konkretną kwestię.
Nie poruszałem jej do tej pory gdyż nie dotyczy ona samego komputera a akcesorów, które pozwalają przekształcić go w odtwarzacz multimedialny. Jak wiadomo sama „malina” jest uniwersalnym komputerem i nie posiada purystycznych rozwiązań znanych z odtwarzaczy dedykowanych do audio. Nie mniej jednak jest to system otwarty i nic nie stoi na przeszkodzie aby takie elementy dołożyć do niej w postaci tzw. „hatów”. Są to nakładki posiadające na pokładzie dodatkowe elementy do obsługi wyjść S/PDIF, generacji sygnałów zegarowych, DACów itp. Akcesoria takie mogą również zostać dołożone przez złącza USB.
Ale wróćmy do początku. Mamy już super wypasiony zasilacz liniowy, którego szum jest praktycznie niemierzalny w laboratorium typowego elektronika. Nie mamy innych „impulsówek” w okolicy i mamy nadzieję, że wyeliminowaliśmy wszystkie zakłócenia z systemu ograniczające jakość naszego audio. A tu doopa – dalej coś nie gra tak jak powinno. Oczywiście ograniczyliśmy je sporo, ale zakłócenia nie są generowane tylko przez zasilanie. Każde urządzenie cyfrowe je generuje. Im więcej prądu pobiera, tym większe, a im wyższe częstotliwości pracy tym trudniejsze do wyeliminowania i cięższe do analizy gdy nie posiadamy sprzętu za setki tysięcy złotych (albo komory za kilka baniek…).
Aby zrozumieć specyfikę zakłóceń w układach cyfrowych, musimy poznać zasadę pobierania przez nich prądu. Inaczej niż w układach analogowych przez układ cyfrowy w stanie wysokim czy niskim, prąd nie płynie. Wewnątrz są tranzystory dobrane tak, że jak pracuje jeden, to drugi się wyłącza i prąd nie płynie. W układach gdzie mamy do czynienia z jakimiś sygnałami, procesami, obliczeniami, nie mamy jednego stanu w nieskończoność. Stany te zmieniają się miliony razy na sekundę. Właśnie w momencie tej zmiany jest taki bardzo krótki czas, kiedy mogą pracować obydwa tranzystory. Czas jest super krótki, prąd maleńki, ale kiedy tranzystorów jest 500 mln to uzbiera się z tego jakieś 100A.
Takiego rzędu wielkości prąd występuje oczywiście w procesorach dedykowanych do desktopów, ale w piękny sposób obrazuje to problem. Z czegoś co nie pobiera prądu, a co za tym idzie w ogóle się nie grzeje, skala i niewielkie niedopasowania sprawiają, że musimy mieć ogromne radiatory i mocne zasilacze.
Stawia to oczywiście spore wymagania co do zasilania. Takie procesory aby w ogóle mogły pracować wymagają kondensatorów, które kompensują indukcyjność połączeń zaraz bezpośrednio pod układem, a nawet na nim samym. Spektrum prądu sięga tak wysokich częstotliwości (pasmo GHz), że każdy milimetr ścieżki jest sporym dławikiem i może uniemożliwić pracę układu. Jeżeli nawet nawalimy wiadro kondensatorów możliwie jak najbliżej układu, ścieżki poprowadzimy w postaci blach miedzianych na 12 warstwach laminatu, a nasz komputer zdaje się działać stabilnie to i tak niemożliwe jest aby te zakłócenia nie rozpłynęły się nam po całej okolicy. Jak już wspomniałem ten przykład obrazuje to co dzieje się w naszych PCtach z TDP>100W, a nasza malina pobiera >6W (model 4B) więc musimy to wszystko podzielić przez 20, to ciągle jest dużo.
Jeżeli nasza „Malina” ma stanowić element systemu audio wysokiej klasy to należy rozpatrywać ją jako duże źródło zakłóceń. Oznacza to tyle, że chcąc osiągnąć więcej będziemy musieli się od niej jak najlepiej odizolować. Pierwsze co należy zrobić to nie zasilać z niej żadnych wrażliwych elementów takich jak: zegary taktujące szynę audio, DACi, konwertery S/PDIF, urządzenia USB. Sprawa ma się różnie w zależności od tego jak podłączamy do komputera akcesoria, ale generalnie panaceum na wszystko będzie osobne zasilanie:
- osobne zasilanie nakładek audio, szczególnie jeżeli posiadają na pokładzie zegary,
- osobne zasilanie portów USB dla DACów, chyba że są to urządzenia z całkowicie własnym zasilaniem, nie pobierające nic z portu USB.
Zegary, czyli inaczej generatory kwarcowe są w świecie cyfrowym niczym napięcie odniesienia w domenie analogowej. Dlatego w świecie gdzie czas niesie informację o amplitudzie (jak w przypadku modulatorów delta-sigma) to właśnie od precyzji odmierzania tego czasu będzie zależeć jakość sygnału analogowego jaki otrzymamy po konwerterze cyfra-analog (DAC) na samym końcu. Przez pojęcie precyzji mam na myśli:
- dokładność częstotliwości i jej powolną fluktuację w zależności od czynników zewnętrznych (jitter nisko-częstotliwościowy),
- szybką fluktuację częstotliwości (jitter) inaczej zwany szumem fazowym.
Z doświadczenia w projektowaniu, produkowaniu i analizy generatorów kwarcowych, mając do dyspozycji kalibrowany sprzęt o dokładności pomiaru 0,1ppmi, OCXO wielkości pięści dorosłego mężczyzny, które aby mierzyć dokładnie nigdy się nie wyłącza i żłopie 24h/dobę 30W coraz droższego prądu, wiem że gdy zbudujemy układ który generuje stabilny przebieg z dokładnością do <1ppm to nawet ma znaczenie, czy światło w pomieszczeniu jest zaświecone. A co dopiero kiedy zasilanie nam szumi… O.o
Szum napięcia zasilania zamieni się na szum fazowy generatora i nasze marzenia o Hi-Endzie zostaną pogrzebane. Dokładność częstotliwości odpowiada za ewentualne rozciągnięcie lub ściśnięcie materiału muzycznego, które objawią się transpozycją, czyli zmianą tonów dźwięku! Oznacza to tyle, że niby puścimy nasze wzorcowe 1k, a w praktyce poleci 1001Hz. Powiecie niewiele, ale zapewniam Was, że człowiek jest tak czuły na czas, że gdy jesteśmy osłuchani i mamy swój wzorzec, lub po prostu swoją wizję dźwięku, to za cholerę coś nie będzie nam grać. Nie w czas, jakoś nie tak, coś uwiera, a to tylko ten 1Hz.
Nawet jeżeli nie ma tam żadnych generatorów to jest logika, która poziom wyzwalania zbocza uzależnia procentowo od wartości VCC, a jeżeli to jest zaszumione, to przełączanie następuje w różnym czasie powodując jitter.
Reasumując: jeżeli chcemy lepszej jakości to musimy zapewnić czystsze zasilanie dla naszej elektroniki audio. I tu proponuję rozwiązanie kompleksowe – drugi zasilacz, dedykowany do części audio. Przed podłączeniem zewnętrznego zasilania musimy zadbać o to, żeby nie mieszało się ono z napięciem 5V obecnym na pinach GPIO. W dedykowanych dla Raspberry Pi nakładkach często służą do tego zworki, rezystory 0R, które należy zdemontować aby rozłączyć ciągłość zasilania. W niektórych nakładkach jest obecna dodatkowa przetwornica DC/DC. Co prawda, oddziela ona zasilanie, ale dostarcza je mocno zaszumione, a przecież z tym walczymy.
Przegląd dostępnych rozwiązań z oferty MuzgAUDIO:
- Zasilacz z transformatorem 2,5VA -> https://muzgaudio.com/produkt/zasilacz-z-transformatorem/
Zdecydowanie najmniejszy z wszystkich proponowanych, mierzący zaledwie 60 x 40mm. Zbudowany w oparciu o najbardziej znany i lubiany regulator napięcia V3.2. Może dostarczyć maksymalnie:
- 500mA przy napięciu 3,3V,
- 250mA przy napięciu 5V.
Zasilacz ten jest wystarczający aby zasilić większość nakładek. Jego jakość zdecydowanie przewyższa większość rozwiązań zbudowanych na LDO dostępnych na rynku.
2. Zasilacz z transformatorem 2,5VA -> https://muzgaudio.com/produkt/zasilacz-z-transformatorem/
Bardzo kompaktowy, gdyż mierzący zaledwie 75 x 50mm. Zbudowany w oparciu o najbardziej znany i lubiany regulator napięcia V3.2. Może dostarczyć maksymalnie:
- 800mA przy napięciu 3,3V,
- 500mA przy napięciu 5V.
Propozycja zbliżona do poprzedniej, ale z większą wydajnością prądową. Sprawdzi się wszędzie tam, gdzie potrzebujemy wysokiej jakości i większej wydajności:
3. Zasilacz z transformatorem 16VA -> https://muzgaudio.com/produkt/zasilacz-z-transformatorem/
Jest to najmniejszy zasilacz z transformatorem 16VA z ofercie MuzgAUDIO. Zbudowany został w oparciu o znany i lubiany regulator V3.2 i pozwala wykorzystać w pełni jego potencjał dostarczając 1500mA przy napięciu 3,3-5V. Propozycja dla osób nie lubiących kompromisów i lubiących zawsze mieć zapas.
4. Zasilacz audio PREMIUM -> https://muzgaudio.com/produkt/zasilacz-audio-premium/
Najbardziej zaawansowany zasilacz zbudowany z elementów dyskretnych w ofercie MuzgAUDIO. Posiada filtr CLC oparty o znaczne pojemności, zaawansowaną filtrację napięcia odniesienia, 3 dodatkowe źródła prądowe, bootstrap dla wysokich częstotliwości. Jest najwydajniejszym, a zarazem najlepszym jakościowo wyborem z wszystkich prezentowanych. Sprawdzi się wszędzie tam, gdzie potrzeba najwyższej jakości napięcia zasilania.
Jego wydajność to 1500mA w zakresie 3,3 – 5V.
Podsumowanie:
| Wersja rozwiązania | Cechy cena/wydajność/jakość | Cena | Uwagi |
| Zasilacz z transformatorem 2,5VA | +++/+/++ | 140zł | Najmniejszy |
| Zasilacz z transformatorem 6VA | +++/++/++ | 160zł | Najlepszy stosunek rozmiar/wydajność |
| Zasilacz z transformatorem 16VA | ++/+++/++ | 180zł | Najwydajniejszy |
| Zasilacz audio PREMIUM | ++/+++/+++ | 250zł | Najwydajniejszy i najlepszy jakościowo |
