Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), или усилитель низкой частоты (УНЧ) является одним из самых распространенных электронных устройств. Все мы получаем звуковую информацию, используя ту или иную разновидность УНЧ. Не все знают, но усилители низкой частоты используются также в измерительной технике, дефектоскопии, автоматике, телемеханике, аналоговой вычислительной технике и других областях электроники.
Хотя, конечно же, основное применение УНЧ – донести до нашего слуха звуковой сигнал с помощью акустических систем, преобразующих электрические колебания в акустические. И сделать это усилитель должен максимально точно. Только в этом случае мы получаем то удовольствие, которое доставляют нам любимая музыка, звуки и речь.
С появления в 1877 фонографа Томаса Эдисона до настоящего времени, ученые и инженеры боролись за улучшение основных параметров УНЧ: прежде всего за достоверность передачи звуковых сигналов, а также за потребительские характеристики, такие как потребляемая мощность, размеры, простота изготовления, настройки и использования.
Начиная с 1920-ых годов сформировалась буквенная классификация классов электронных усилителей, которая используется и по сей день. Классы усилителей отличаются режимами работы применяемых в них активных электронных приборов – электронных ламп, транзисторов и т.д. Основными «однобуквенными» классами являются A, B, C, D, E, F, G, H. Буквы обозначений классов могут сочетаться в случае совмещения некоторых режимов. Классификация не является стандартом, поэтому разработчики и производители могут использовать буквы достаточно произвольно.
Особое место в классификации занимает класс D. Активные элементы выходного каскада УНЧ класса D работают в ключевом (импульсном) режиме, в отличие от остальных классов, где большей частью используется линейный режим работы активных элементов.
Одним из основных преимуществ усилителей класса D является коэффициент полезного действия (КПД), приближающийся к 100%. Это, в частности, приводит к уменьшению рассеиваемой активными элементами усилителя мощности, и, как следствие, уменьшению размеров усилителя за счет уменьшения размеров радиатора. Такие усилители предъявляют значительно меньшие требования к качеству источника питания, который может быть однополярным и импульсным. Другим преимуществом можно считать возможность применения в усилителях класса D цифровых методов обработки сигнала и цифрового управления их функциями – ведь именно цифровые технологии преобладают в современной электронике.
С учетом всех этих тенденций компания Мастер Кит предлагает широкий выбор усилителей класса D , собранных на одной и той же микросхеме TPA3116D2, но имеющих различное назначение и мощность. А для того, чтобы покупатели не тратили время на поиски подходящего источника питания, мы подготовили комплекты усилитель + блок питания , оптимально подходящие друг к другу.
В этом обзоре мы рассмотрим три таких комплекта:
- (Усилитель НЧ D-класса 2х50Вт + источник питания 24В / 100Вт / 4,5A);
- (Усилитель НЧ D-класса 2х100Вт + источник питания 24В / 200Вт / 8,8A);
- (Усилитель НЧ D-класса 1х150Вт + источник питания 24В / 200Вт / 8,8A).
Первый комплект предназначен, прежде всего для тех, кому необходимы минимальные размеры, стереозвук и классическая схема регулировки одновременно в двух каналах: громкость, низкие и высокие частоты. Он включает в себя и .
Сам двухканальный усилитель имеет беспрецедентно маленькие размеры: всего 60 х 31 х 13 мм, не включая ручек регуляторов. Размеры блока питания 129 х 97 х 30 мм, вес – около 340 г.
Несмотря на небольшие размеры, усилитель отдает в нагрузку 4 ома честные 50 ватт на канал при напряжении питания 21 вольт!
В качестве предварительно усилителя применена микросхема RC4508 – двойной специализированный операционный усилитель для аудиосигналов. Он позволяет идеально согласовать вход усилителя с источником сигнала, имеет крайне низкие нелинейные искажения и уровень шума.
Входной сигнал подается на трехконтактный разъем с шагом контактов 2,54 мм, напряжение питания и акустические системы подключаются с помощью удобных винтовых разъемов.
На микросхему TPA3116 с помощью теплопроводящего клея установлен небольшой радиатор, площади рассеяния которого вполне хватает даже на максимальной мощности.
Обращаем ваше внимание на то, что с целью экономии места и уменьшения размеров усилителя отсутствует защита от неверной полярности подключения источника питания (переполюсовки), поэтому будьте внимательны при подаче питания на усилитель.
С учетом небольших размеров и эффективности сфера применения комплекта весьма широка – от замены устаревшего или вышедшего из строя старого усилителя до очень мобильного звукоусилительного комплекта для озвучивания мероприятия или вечеринки.
Пример использования такого усилителя приведен .
На плате отсутствуют отверстия для крепления, но для этого с успехом можно использовать потенциометры, имеющие крепления под гайку.
Второй комплект включает в себя на двух микросхемах TPA3116D2, каждая из которых включена в мостовом режиме и обеспечивает до 100 ватт выходной мощности на канал, а также с выходным напряжением 24 вольта и мощностью 200 ватт.
С помощью такого комплекта и двух 100-ваттных акустических систем можно озвучить солидное мероприятие даже вне помещения!
Усилитель снабжен регулятором громкости с выключателем. На плате установлен мощный диод Шоттки для защиты от переполюсовки блока питания.
Усилитель снабжен эффективными фильтрами низкой частоты, установленными согласно рекомендациям производителя микросхемы TPA3116, и обеспечивающими совместно с ней высокое качество выходного сигнала.
Питающее напряжение и акустические системы подключаются с помощью винтовых разъемов.
Входной сигнал может быть подан как на трехконтактый разъем с шагом 2,54 мм, так и с помощью стандартного аудиоразъема типа Jack 3,5 мм.
Радиатор обеспечивает достаточное охлаждение обеих микросхем и прижимается к их термопадам винтом, расположенным с нижней части печатной платы.
Для удобства использования на плате также установлен светодиод зеленого свечения, сигнализирующий о включении питания.
Размеры платы, с учетом конденсаторов и без учета ручки потенциометра составляют 105 х 65 х 24 мм, расстояния между крепежными отверстиями - 98,6 и 58,8 мм. Размеры блока питания 215 х 115 х 30 мм, вес около 660 г.
Третий комплект представляет собой l и с выходным напряжением 24 вольта и мощностью 200 ватт.
Усилитель обеспечивает до 150 ватт выходной мощности на нагрузке 4 ома. Основное применение этого усилителя – построение качественного и энергоэффективного сабвуфера.
По сравнению со многими другими специализированными сабвуферными усилителями, MP3116btl отлично раскачивает низкочастотные динамики достаточно большого диаметра. Это подтверждается отзывами покупателей рассматриваемого УНЧ. Звук получается насыщенный и яркий.
Радиатор, занимающий большую часть площади печатной платы обеспечивает эффективное охлаждение TPA3116.
Для согласования входного сигнала на входе усилителя применена микросхема NE5532 – двухканальный малошумящий специализированный операционный усилитель. Он имеет минимальные нелинейные искажения и широкую полосу пропускания.
На входе также установлен регулятор амплитуды входного сигнала со шлицем под отвертку. С его помощью можно подстроить громкость сабвуфера под громкость основных каналов.
Для защиты от переполюсовки питающего напряжения на плате установлен диод Шоттки.
Питание и акустические системы подключаются с помощью винтовых разъемов.
Размеры платы усилителя 73 х 77 х 16 мм, расстояния между крепежными отверстиями – 69,4 и 57,2 мм. Размеры блока питания 215 х 115 х 30 мм, вес около 660 г.
Во все комплекты включены импульсные источники питания компании MEAN WELL.
Основанная в 1982 году, компания является ведущим производителем импульсных источников питания в мире. В настоящее время корпорация MEAN WELL состоит из пяти финансово независимых компаний-партнеров на Тайване, в Китае, США и Европе.
Продукция MEAN WELL характеризуется высоким качеством, низким процентом отказов и длительным сроком службы.
Импульсные источники питания, разработанные на современной элементной базе, удовлетворяют самым высоким требованиям по качеству выходного постоянного напряжения и отличаются от обычных линейных источников малым весом и высоким КПД, а также наличием защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе.
Источники питания LRS-100-24 и LRS-200-24, используемые в представленных комплектах, имеют светодиодный индикатор включения и потенциометр для точной регулировки выходного напряжения. Перед подключением усилителя проверьте выходное напряжения, и при необходимости выставьте его уровень на 24 вольта с помощью потенциометра.
В примененных источниках используется пассивное охлаждение, поэтому они совершенно бесшумны.
Необходимо отметить, что все рассмотренные усилители могут быть с успехом применены для конструирования звуковоспроизводящих систем для автомобилей, мотоциклов и даже велосипедов. При питании усилителей напряжением 12 вольт выходная мощность будет несколько меньше, но качество звука не пострадает, а высокий КПД позволяет эффективно питать УНЧ от автономных источников питания.
Также обращаем ваше внимание на то, что все рассмотренные в этом обзоре устройства можно приобрести по отдельности и в составе других комплектов на сайте .
Казалось бы, что может быть проще — взял блок питания, подключил его двумя или тремя проводами к усилителю и всё... должно запеть? Оказывается не всегда. Как мы уже выяснили в этого цикла статей, тут существует множество подводных камней.
Продолжим разбираться в хитросплетении питающих усилитель проводов. И как ни странно, больше всего проблем может доставить общий (земляной) проводник.
Для начала исправим одну оплошность. В статьи была опубликована схема двухполярного блока питания усилителя, но отсутствовала его монтажная схема.
Вот вам и то, и другое:
Двухполярный блок питания усилителя мощности.
Монтажная схема двухполярного блока питания усилителя мощности
По сути здесь два «отзеркаленных» однополярных блока.
Обратный ток акустической системы
Как известно, акустическая система является реактивной нагрузкой. А значит, она может возвращать ток усилителю. Этот ток, протекая по проводникам, создаёт разность потенциалов, что может привести к появлению положительной обратной связи и как следствие нестабильности усилителя.
Для избежания этого, земляную клемму громкоговорителя следует подключать к общему выводу конденсаторов фильтра питания. Часто вывод громкоговорителя подключают к общему выводу микросхемы, как показано на рисунке:
Такое подключение замыкает отрицательную полуволну сигнала в локальном контуре, исключая фильтрующий конденсатор, который мог бы снизить излучаемые помехи и повысить стабильность системы.
На рисунке показано, как ток утечки на землю одной полуволны сигнала может навести неприятные помехи и искажения, если общий провод громкоговорителя подключен к выводу выходного каскада микросхемы:
Аналогично, если на плате усилителя в цепях питания есть байпасные конденсаторы (а они обычно есть) довольно большой ёмкости в несколько сотен микрофарад, то импульсы зарядного тока также создадут на общем проводнике разность потенциалов. Поэтому, повторимся ещё раз, наилучшая точка подключения общего провода акустической системы — это общий вывод конденсаторов фильтра питания.
Чем больше мощность, тем хуже...
Часто радиолюбители стараются сделать свой усилитель как можно мощнее (типа, так круче), да и аудиофилы зачастую оснащают свои системы усилителями с мощностью в разы превышающей необходимую для озвучивания обычной комнаты до нормального уровня громкости, мотивируя тем, что так получается больший динамический диапазон. Такие усилители (большой мощности) порой решают одни проблемы, но создают другие.
Индуктивность проводников питания является основным «слабым звеном» усилителей мощности класса АВ. В таких усилителях выходные транзисторы включаются и выключаются поочередно, соответственно по плюсовой и минусовой шинам питания протекают полуволны зарядных токов.
Если эти импульсы через емкостные и индуктивные связи попадут в звуковой тракт это приводит к ужасному размытому звучанию.
Такое происходит, если какая-то чувствительная дорожка (проводник) проходит рядом с шиной питания. Бифилярная свивка проводов питания эффективно подавляет излучаемые помехи за счёт взаимной компенсации положительной и отрицательной полуволн.
На печатной плате этот метод можно реализовать, если шины питания расположить друг над другом с двухсторон платы (требуется двухсторонняяя печатная плата)
Достойный образец проектирования печатной платы для усилителя мощности — это конструкция Ultra-LD 200W, представленная в одном из номеров журнала «Практическая электроника каждый день». На печатной плате этого усилителя реализованы все рекомендации по монтажу, представленные в данном цикле статей. И во многом за счёт этого удалось получить уровень шумов -122 дБ и уровень нелинейных искажений ниже 0,001%.
Примечание редакции РадиоГазеты: если нашим читателям интересно, пишите в комментариях и мы опубликуем описание этого усилителя.
Заземление одной стороны печатной платы хорошо работает в высокочастотных и слаботочных конструкциях. Для усилителей мощности это не подходит, потому как трудно предсказать протекание токов в зависимости от выбора точек заземления.
В современных ламповых усилителях часто общую шину делают в виде отрезка тостого лужёного провода. Многие гуру проповедуют разводку звездой с единственной точкой подключения. Бывают случаи, когда при таком подходе усилители плохо работают. Сказывает большое количество длинных проводов, которые снижают стабильность конструкции.
Как правило, в хорошем усилителе есть несколько точек заземления.
Развязка
При использовании двух фильтрующих конденсаторов при двухполярном питании надо следить, чтобы две полуволны сигнала суммировались в одной точке , как показано на рисунке:
Часто применение одного конденсатора, включенного между плюсом и минусом питания, позволяет решить эту проблему. Этот метод хорошо работает с операционными усилителями типа 5532, и для усилителей мощности типа LM3886.
Когда питание драйверного каскада и выходного каскада подключено раздельными проводами, это может вызвать некоторую нестабильность усилителя на высоких частотах. Проблема решается подключением керамического конденсатора небольшой ёмкости между выводами питания микросхемы:
увеличение по клику
Если ёмкость байпасных (блокировочных) конденсаторов больше 100мкФ, их общий провод должен подключаться к «грязной» земле, так как большие зарядные токи могут создавать ощутимые помехи, если конденсаторы будут подключены к сигнальной земле.
Цепь Цобеля
Цепь Цобеля на выходе усилителя предотвращает его возбуждение на высоких частотах. Импульсы тока в этой цепи могут вызвать проблемы, поэтому должны замыкаться на «грязную» землю, то есть на общий вывод конденсаторов фильтра или байпасных конденсаторов.
Для некоторых микросхем усилителей мощности длинные провода в цепях Цобеля вызывают нестабильность на отрицательных полуволнах сигнала.
Пример монтажа моно-усилителя
Обычно «звезда» в усилителе с однополярным питанием бывает трёхлучевой: сигнальная земля, земля конденсаторов фильтра питания и «грязная» земля. Пример представлен на рисунке:
увеличение по клику
Здесь под усилителем следует понимать как интегральное исполнение, так и усилители на дискретных элементах.
Как видно, к одному лучу подключена сигнальная земля — здесь токи очень малы, поэтому подключать все элементы отдельными проводниками нет необходимости. Ко второму лучу отдельными проводниками подключены выводы сильноточных цепей: выходного каскада, цепи Цобеля, общий вывод акустической системы и байпасных конденсаторов. К третьему лучу подключен общий вывод фильтрующего конденсатора блока питания.
Правильное подключение общего провода к выводам микросхем показан на рисунке:
Вариант «с» — это неправильный вариант. Из-за сопротивления дорожки большой ток поднимет потенциал слаботочного общего провода относительно вывода микросхемы, что приведет к росту искажений.
Продолжение следует...
Статья подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Вольный перевод: Главный редактор « »
Другие статьи посвящённые постройке этого УНЧ.
Принципиальная схема блока питания.
Блок питания собран по одной из стандартных схем. Для питания оконечных усилителей выбрано двухполярное питание. Это позволяет использовать недорогие высококачественные интегральные усилители и устраняет ряд проблем связанных с пульсациями напряжения питания и переходными процессами возникающими при включении. https://сайт/
Блок питания должен обеспечивать питание трёх микросхем и одного светодиода. В качестве оконечных усилителей мощности используются две микросхемы TDA2030, а в качестве регулятора громкости, сетеробазы и тембра – одна микросхема TDA1524A.
Электрическая схема блока питания.
|
VD3... VD6 – КД226 |
C1 – 680mkFx25V C3... C6 – 1000mkFx25V |
На диодах VD3… VD6 собран двухполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Такая схема включения снижает падение напряжения на диодах выпрямителя в два раза по сравнению с обычным мостовым выпрямителем, так как в каждый полупериод ток течет только через один диод.
В качестве фильтра выпрямленного напряжения применены электролитические конденсаторы С3… С6.
На микросхеме IC1 собран стабилизатор напряжения для питания схемы электронного регулятора громкости, стереобазы и тембра. Стабилизатор собран по типовой схеме.
Применение микросхемы LM317 обусловлено лишь тем, что она оказалась в наличии. Здесь можно применить любой интегральный стабилизатор.
Защитный диод VD2, обозначенный пунктирной линией, при выходном напряжении на микросхеме LM317 ниже 25 Вольт применять не обязательно. Но, если входное напряжение микросхемы 25 Вольт и выше, а резистор R3 подстроечный, то лучше диод всё же установить.
Величина резистора R3 определяет выходное напряжение стабилизатора. Во время макетирования, я впаял вместо него подстроечный резистор, установил с его помощью напряжение около 9 Вольт на выходе стабилизатора, а затем измерил сопротивление этого подстроечинка, чтобы можно было установить вместо него постоянный резистор.
Выпрямитель, питающий стабилизатор, выполнен по упрощённой однополупериодной схеме, что продиктовано чисто экономическими соображениями. Четыре диода и один конденсатор стоят дороже, чем один диод и один конденсатор чуть большей ёмкости.
Ток, потребляемый микросхемой TDA1524A всего 35мА, поэтому такая схема вполне оправдана.
Светодиод HL1 – индикатор включения питания усилителя. На плате блока питания установлен балластный резистор этого индикатора – R1 с номинальным сопротивлением 500 Ом. От сопротивления этого резистора зависит ток светодиода. Я использовал зелёный светодиод рассчитанный на 20мА. При использовании красного светодиода типа АЛ307 на ток 5мА, сопротивление резистора можно увеличить в 3-4 раза.
Печатная плата.
Печатная плата (ПП) спроектирована, исходя из конструкции конкретного усилителя и имеющихся в наличии электроэлементов. У платы есть всего одно отверстие для крепления, расположенное в самом центре ПП, что обусловлено не совсем обычной конструкцией .
Для увеличения сечения медных дрожек и экономии хлорного железа, свободные от дорожек места на ПП были залиты с использованием инструмента «Полигон".
Увеличение ширины дорожек также предотвращает отслаивание фольги от стеклотекстолита при нарушении теплового режима или при многократной перепайке радиодеталей.
По чертежу, приведённому выше, была изготовлена печатная плата из фольгированного стеклотекстолита сечением 1мм.
Для присоединения проводов к печатной плате в отверстиях платы были расклёпаны медные штырьки (солдатики).
This movie requires Flash Player 9 |
||
А это уже собранная печатная плата блока питания.
Чтобы увидеть все шесть видов, потяните картинку курсором или используйте кнопочки со стрелками, расположенными в нижней части картинки.
Сеточка на медных дорожках ПП, это результат использования вот технологии.
Когда плата собрана её желательно испытать ещё до подключения оконечных усилителей и блока регуляторов. Для испытания блока питания нужно подключить к его выходам эквивалент нагрузки, как на приведённой схеме.
В качестве нагрузки выпрямителей +12,8 и -12,8 Вольт подойдут резисторы типа ПЭВ-10 на 10-15 Ом.
Напряжение на выходе стабилизатора, нагруженного на резистор сопротивлением 100-150 Ом, неплохо посмотреть осциллографом на предмет отсутствия пульсаций при снижении переменного входного напряжения с 14,3 до 10 Вольт.
P.S. Доработка печатной платы.
Во время пусконаладочных работ печатную плату блока питания пришось .
При доработке пришлось разрезать одну дорожку поз.1 и добавить один контакт поз.2 для подключения обмотки трансформатора, питающей стабилизатор напряжения.
Импульсный блок питания, обеспечивающий двухполярное напряжение +/-50В мощностью до 300 Вт, предназначен для применения , либо лабораторных БП повышенной мощности (). Эта относительно простая схема импульсного БП собрана в основном из радиоэлементов взятых из старых блоков питания AT/ATX.
Принципиальная схема преобразователя 220/2х50В
Схема самодельного импульсного БП для УМЗЧ
Трансформатор инвертора был намотан на ферритовом сердечнике ETD39. Моточные данные практически не отличаются, только выходные обмотки немного домотаны под увеличение вольтажа. Транзисторы ключевые — мощные IRFP450. Драйвер — популярная микросхема TL494. Питание осуществляется через специальный стабилизатор. В нём резистор пусковой с выпрямленным напряжением сети заряжает конденсатор питания, на котором, когда напряжение достигнет порога, включится стабилизатор, запустив драйвер. Он будет питаться только в моменты накопления энергии на конденсаторе, а после запуска преобразователя, питание драйвера возьмет на себя дополнительная обмотка трансформатора. Принцип работы такого варианта запуска известен давно и используется в популярной м/с UC384x.
Печатная плата
Силовой каскад
Еще одна особенность схемопостроения БП — управление полевыми транзисторами. Тут нижний по схеме IRFP450 управляется прямо с выхода драйвера, а верхний с помощью небольшого трансформатора.
Кроме того, система была оснащена защитой по току, отслеживая ток нижнего полевика, используя его сопротивление Rdson .
Результаты испытания БП
Готовый блок питания — плата с деталями
На практике, удалось получить около 100-150 выходной мощности на 4 омных АС. Напряжение +/-50В выставляется резистором P1 10к. Конечно оно может принимать любые значения, в зависимости от применяемой схемы УНЧ. В настоящее время система работает в составе .
реклама
Если нужен блок питания для нестандартных условий, можно воспользоваться построением с низкочастотным трансформатором. Такое решение просто в реализации и не требует особо глубоких специальных знаний, но есть у него и ряд недостатков – большие габариты, низкий КПД и качество стабилизации выходных напряжений. Можно изготовить импульсный БП, но это довольно сложная процедура с массой подводных камней – при малейшей ошибке будет «хлопок» и куча ненужных деталей.Попробуем снизить планку и ограничимся модернизацией обычного компьютерного блока питания ATX под необходимые требования. Гм, а что именно станет предметом рассмотрения? Вообще-то, 300-400 ваттный БП может обеспечить довольно значительную мощность, область применения у него большая. В одной статье трудно объять необъятное, поэтому ограничимся самым распространенным – усилителем низкой частоты, под него и попробуем осуществить переделку.
Постановка задачи
Блок питания довольно большой мощности, хотелось бы его использовать по максимуму. Из 12 вольт мощный усилитель не сделать, здесь требуется совсем другой подход – двуполярное питание с выходным напряжением явно побольше 12 В. Если БП будет запитывать самодельный усилитель, собранный из дискретных элементов, то его напряжение питания может быть любым (в разумных пределах), а вот интегральные микросхемы довольно придирчивы. Для определенности возьмем усилитель на – напряжение питания до 100 В (+/-50 В) с выходной мощностью 100 Вт. Микросхема обеспечивает ток в динамике до 10 ампер, что определяет максимальный ток нагрузки блока питания.
Вроде всё ясно, остается уточнить уровень выходного напряжения. Допускается работа от источника питания 100 вольт (+/-50 В), но попытка выбора такого значения выходного напряжения оказалась бы большой ошибкой. Микросхемы крайне отрицательно относятся к предельным режимам работы, особенно при одновременном максимальном значении нескольких параметров - напряжения питания и мощности. К тому же, вряд ли в обычной квартире есть смысл обеспечивать столь высокий уровень мощности, даже для низкочастотных динамиков с их низкой эффективностью.
Экстерьер
