Мостовые усилители для приложений с однополярным источником питания

Почему однополярный источник питания?

Существует несколько различных терминов, используемых для обозначения системы, в которой разработчик имеет доступ к шинам положительного и отрицательного напряжения: двуполярное, симметричное, с двойным источником питания, с раздельными источниками питания. Как бы вы ни хотели их назвать, они мне нравятся; аналоговые схемы являются более простыми и (на мой взгляд) более математически связными, когда уровень сигнала может опускаться фактически ниже уровня земли.

Однако неизбежный факт заключается в том, что система с двойным источником питания обычно является персоной нон-грата в мире современной электроники. Причина этого достаточно проста: для создания источника отрицательного напряжения требуются дополнительные схемы, что означает больше времени проектирования, более высокую стоимость и большие размеры печатной платы; таким образом, если системные требования могут быть каким-то образом выполнены без обращения к отрицательной шине питания, тем лучше. Альтернативой дополнительной схеме является вторая батарея; помимо того, что этот подход применим только к оборудованию с питанием от батарей, он всё же увеличивает стоимость и громоздкость, которые могут быть устранены с помощью продуманной схемы с однополярным источником питания.

Примечание. Не существует закона, утверждающего, что система с двойным источником питания должна иметь положительное и отрицательное напряжения питания, которые равны по величине (то есть симметричны). Однако симметричные источники питания являются нормой для схем усилителей, и обсуждение систем с двойными источниками питания или с раздельными источниками питания может включать предположение, что напряжения питания являются симметричными.

Ссылки [ править ]

1. Эйхе, Джон Ф. (1990). Руководство по звуковым системам для поклонения . Запись и аудио технологии. Хэл Леонард Корпорейшн. п. 87. ISBN 0-7935-0029-X.
2. «Стерео, параллельный и мост-моно» . Руководство по усилителю
   . DirectProAudio . Проверено 28 сентября 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
3. Робертс, Джо (2007). «Основы звукового усилителя мощности» . Технические заметки Джо
   . Проверено 28 сентября 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
4. Перейти
   ↑ Self, Douglas (2009). Справочник по проектированию усилителей мощности звука (5-е изд.). Focal Press. п. 367. ISBN. 0-240-52162-5.
5. ^ a b Бартлетт, Брюс (1 мая 2010 г.). «Мастер-класс мощности усилителя: не все рейтинги одинаковы» . ProSoundWeb . Проверено 28 сентября 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )

Мостовой усилитель

Одной вещью, которая может быть трудной в среде с однополярным источником питания, является формирование выходных сигналов переменного тока высокой мощности. Давайте посмотрим на схему, которая может помочь с этой задачей:

Рисунок 1 – Мостовой усилитель

Как видите, входной сигнал подается на две схемы на операционных усилителях, одна неинвертирующая, другая инвертирующая; резисторы выбираются таким образом, чтобы оба усилителя имели одинаковую величину коэффициента усиления. Нагрузка подключена между выходами двух усилителей; обратите внимание, что нагрузка «плавающая», то есть она не имеет прямого соединения с узлом земли. Как вы, наверное, уже поняли, мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза:

Рисунок 2 – Мостовой усилитель приводит к увеличению напряжения на нагрузке в два раза

Показанный здесь стандартный мостовой усилитель не является схемой с однополярным источником питания. Оба операционных усилителя имеют входной вывод, который привязан к земле; таким образом, входной синусоидальный сигнал с привязкой к земле потребовал бы от обоих операционных усилителей формирование отрицательных выходных напряжений, и это, конечно, совершенно невозможно, когда вывод отрицательного питания операционного усилителя подключен к земле.

Обзор [ править ]

Мостовой или параллельный режимы работы, обычно включающие усилители мощности звука, представляют собой методы объединения выходных сигналов двух идентичных усилителей для создания, по сути, моноусилителя. Комбинирование более двух усилителей может быть выполнено с использованием описанных основных принципов, включая возможность сочетания мостового и параллельного режимов.

Два идентичных усилителя чаще всего встречаются в общем случае с общим источником питания и обычно рассматриваются как стереоусилитель. Любой обычный стереоусилитель может работать в мостовом или параллельном режиме при условии, что общие клеммы громкоговорителя (обычно черные) подключены и являются общими для шины заземления внутри усилителя.

Некоторые двухканальные усилители или стереоусилители имеют встроенное средство для работы в мостовом режиме путем управления переключателем и наблюдения за входными и выходными соединениями, подробно описанными на задней панели или в руководстве. Этот вариант чаще всего встречается в мощном звуковом оборудовании или усилителях, предназначенных для автомобильных аудиосистем. Работа в параллельном режиме не требует специальных средств и осуществляется только путем соответствующего внешнего подключения.

Стереоусилители обычно имеют общий регулятор усиления и часто низкие / высокие частоты, а при переключении в режим моста автоматически отслеживают каждый канал одинаково. Если двухканальные усилители имеют отдельные элементы управления и переключаются в мостовой режим, будут работать только элементы управления на одном канале.

Если пользователь реализует свои собственные соединения для мостового или параллельного режима, а усилители имеют индивидуальные элементы управления, следует позаботиться о том, чтобы оба набора элементов управления были установлены одинаково.

Версия с однополярным источником питания

Следующая схема адаптирует схему мостового усилителя к использованию однополярного источника питания:

Рисунок 3 – Мостовой усилитель с однополярным питанием

Важная особенность схемы на операционном усилителе с однополярным источником питания – это напряжение смещения, которое задает опорный уровень, равный половине напряжения питания (так же, как потенциал земли служит в качестве опорного уровня среднего напряжения питания в системах с двойным источником питания). Напряжение смещения не обязательно должно быть равно половине напряжения питания, но оно обычно выбирается таким при работе с синусоидальными сигналами, поскольку смещение, равное половине напряжения питания гарантирует, что выходной сигнал имеет одинаковые возможности раскачиваться и в «положительную», и в «отрицательную» стороны («положительная» значит выше напряжения смещения, а «отрицательная» значит ниже напряжения смещения).

Существуют различные способы смещения в схемах на операционном усилителе с однополярным источником питания. На мой взгляд, самый простой подход показан на схеме, приведенной выше: вы конфигурируете схему как инвертирующий усилитель и прикладываете Vсмещ к положительному входу. Вот почему мостовой усилитель с однополярным источником питания использует два инвертирующих усилителя, тогда как стандартный мостовой усилитель использует неинвертирующий усилитель и инвертирующий усилитель.

Смещение неинвертирующего усилителя неудобно – независимо от того, применяете ли вы смещение к положительному или отрицательному входу, взаимосвязь между напряжением смещения и выходным напряжением является более сложной по сравнению с инвертирующей схемой. Кроме того, если для формирования напряжения смещения вы используете резистивный делитель, резисторы в неинвертирующем усилителе взаимодействуют с резисторами в делителе и тем самым делают вашу жизнь еще более сложной, чем она уже есть. Инвертирующая схема позволяет подключать напряжение смещения непосредственно к высокоимпедансному входному выводу операционного усилителя, и, таким образом, вы можете использовать резистивный делитель без опасений:

Рисунок 4 – Организация смещения в мостовой схеме с однополярным питанием

Наконец, вы, вероятно, заметили, что на вход одного из операционных усилителей подается не сам входной сигнал, а выходной сигнал другого операционного усилителя. Весь смысл мостового усилителя состоит в том, чтобы генерировать как инвертированный, так и неинвертированный выходной сигнал, и, таким образом, каскадное включение усилителей является простым решением проблемы наличия двух инвертирующих усилителей.

AudioKiller’s site

В этой статье я представлю три схемы, использующие микросхему TDA7294 / TDA7293 в «нетрадиционных» включениях. Все эти схемы имеют одну цель — увеличить выходную мощность.

Мне они все не нравятся и вот почему: они используются тогда, когда просто микросхема сама по себе уже не тянет. Тогда добавляем всякие прибамбасы и вытягиваем из микросхемы еще чуть-чуть. Так вот, мне не нравится ситуация, когда «микросхема уже не тянет». Это как автомобиль — забуксовал, и не тянет. Тогда два здоровых мужика начинают его толкать, и в такой новой системе (автомобиль + мужики) автомобиль все же едет. Разве это хорошо? То есть, если хочется получить больше, чем может дать микросхема, то вместо того, чтобы ее насиловать, выжимая последние крохи, лучше сделать какую-нибудь другую схему, которая легко справится с работой. И не стОит забывать, что все на свете небесплатно. За все эти увеличения мощности всегда расплачиваемся ухудшением качества звучания.

Не нужно воспринимать мои слова как категорическое «нет». Типа, так делать плохо и вообще неправильно. По определению: «Правильный — приводящий к поставленной цели». Так что смотря какая цель… Если ставить целью собрать именно мостовой усилитель, то почему бы нет — и просто и работает. Вообще любая техника — плод компромиссов и оптимизаций. И вполне могут возникать ситуации, когда одна из этих схем вас очень выручит.

Один из моих корреспондентов написал, что очень широко использует включение микросхемы TDA7294 с дополнительными выходными транзисторами. Он делает аппаратуру для озвучивания культурно-массовых мероприятий на открытом воздухе. Для каждого мероприятия изготавливается несколько колонок с профессиональными динамиками. И в каждую колонку ставится такой вот усилитель. Качество его ниже, но этого качества вполне хватает. Зато и мощность получается побольше, так, что ее тоже вполне хватает. И не нужно беспокоиться, что на солнышке все перегреется и погорит — выходные транзисторы берутся с нехилым запасом по мощности (две пары 150-ваттных транзисторов).

Лично я больше сторонник качества, и сторонник того, чтобы каждый элемент в схеме занимался своим делом — если уж вешать дополнительные транзисторы, то в ту схему, которая специально для этого разработана. Поэтому некоторые из описанных устройств я скорее всего (для себя лично) никогда делать не буду. Но постараюсь дать рекомендации по их улучшению. Те схемы, которые я все же соберу и исследую, я опишу в другой статье.

Да, и еще. Я не буду каждую из трех схем описывать «с нуля». Я рассчитываю, что читатель прочтет всю статью от начала и до конца, поэтому, например, в 3-м разделе буду вовсю использовать формулы, приведенные в 1-м.

И на закуску пара слов про выходную мощность. Все эти огромные цифры — сотни ватт — которые сопровождают подобные схемы, это, мягко говоря, преувеличение. Мощность, указанная в техническом описании производителя достижима в действительности (производитель тут врать не станет). Но она получается при питании усилителя от очень качественного стабилизированного источника. Один такой источник стОит дороже, чем целый усилитель, гораздо лучший, чем на микросхеме TDA7294 / TDA7293. Откуда берутся те 150…250 Вт, которые указывают авторы статей — ума не приложу. Скорее всего, выходная мощность авторами не измеряется, а вычисляется по очень упрощенной формуле, не учитывающей просадку напряжения питания (т.е. уменьшение напряжения питания при увеличении потребляемого от блока питания тока).

Я указываю реальную выходную мощность, т.е. такую, которую можно получить он нормального (не слишком дорогого но и не примитивного) источника питания.

Позволяет увеличить мощность на высокоомной нагрузке. Для любого усилителя мощность в нагрузке можно посчитать так:

Здесь U — напряжение на нагрузке, R — сопротивление нагрузки.

Это если использовать так называемое действующее значение напряжения (подробнее про действующее значение можно почитать в статье Маломощный блок питания). Если говорить о максимально возможной выходной мощности усилителя, которая ограничивается напряжением питания, то лучше пользоваться формулой для амплитудных (максимальных) значений:

Здесь R — сопротивление нагрузки, а Um — максимальное выходное напряжение усилителя (амплитуда, т.е. самая-самая верхушка синусоиды), которое на пару вольт меньше его напряжения питания. Пользоваться амплитудным значением здесь удобнее, потому что именно оно получается из напряжения питания. А если учесть падение напряжения на выходных транзисторах усилителя и просадку напряжения питания, получаем довольно близкую к реальности формулу:

Внимание! Дальше я использую эту формулу везде где она применима!

Например, на нагрузке 8 Ом (подробнее про допустимое питание и другие свойства микросхемы см. Hi-Fi усилитель на микросхеме TDA7294) получается максимальная мощность 43 Вт. Не густо.

Мостовое включение позволяяет практически удвоить напряжение на нагрузке. Вот как устроен и работает мост (слева обычный усилитель, справа — мостовой):

В обычном усилителе один конец нагрузки «привязан» к земле. И напряжение на нагрузке равно выходному напряжению усилителя (усилитель «раскачивает» нагрузку «только за один конец», т.е. не сильно). В мостовом включении добавляется еще один точно такой ж усилитель, но работающий в противофазе с первым: когда у первого на выходе «+», у второго на выходе точно такое же напряжение, только со знаком «-» и наоборот. Нагрузка с землей не соединена (если соединить — короткое замыкание обеспечено!), а подключена между выходами обоих усилителей. Поэтому по сравнению с одиночным усилителем, который «раскачивает» нагрузку «только с одной стороны», мостовой «качает» ее «с двух сторон в противоположных направлениях». На схеме справа на одном конце нагрузки относительно земли напряжение +26 вольт, а на другом -26 вольт также относительно земли. Значит между двумя концами нагрузки напряжение (оно равно разности напряжений на ее концах): Uнагр = +26 — ( -26 ) = 26 + 26 = 52 вольта.

Раз напряжение на нагрузке возрасло в 2 раза, то мощность в нагрузке возрастет в 4 раза по сравнению с формулой (3). На самом деле, рост мощности будет несколько ниже из-за увеличения падения напряжения на микросхеме и просадок напряжения питания. Но повышение выходной мощности в 3…3,5 раза — это реально.

Раз напряжение на нагрузке повышается вдвое, то и ток нагрузки возрастает во столько же раз. Поэтому, чтобы не перегрузить микросхему током, мостовое включение можно использовать только для нагрузки с сопротивлением от 8 Ом и выше. С 6-ти омной нагрузкой микросхемы будут перегружаться на большой мощности (а если на этой большой мощности не слушать, то зачем все это городить?) и качество звука может сильно упасть. На нагрузке 4 Ома что-нибудь может и сгореть. А вот если сопротивление нагрузки 16 Ом, то такое включение уже можно и рекомендовать — по другому на такой нагрузке большую мощность не получишь.

Схема мостового включения взята из даташита (помните, что для него нужно иметь две микросхемы?). Все, которые я встречал в литературе, так или иначе ее повторяют (а изобрести тут что-то новое сложно):

Несколько советов для повышения качества звучания, надежности и устойчивости:

1. Резисторы R1 и R2 должны иметь как можно более одинаковое сопротивление.
2. В цепи питания вместо конденсаторов 0,22 мкФ лучше использовать конденсаторы емкостью не менее 1 мкФ. Причем неэлектролитические (например пленочные К73-17).
3. Напряжение конденсаторов в цепи питания 50 вольт для электролитов и 63 вольта для пленочных.
4. Все конденсаторы емкостью 22 мкФ заменить на 47…100 мкФ х 50 В (их 4 штуки). Можно и большей емкости, но разницы очень мало.
5. Емкость нижнего по схеме конденсатора 0,56 мкФ (подключен к выводу 3 нижней микросхемы) по возможности увеличить (но электролитический не ставить). Качество конденсатора практически не имеет значения. «Плохие» керамические все же лучше не использовать, но и дорогие «аудиофильские» ставить абсолютно не нужно.
6. Параллельно электролитам, включенным между выводами 6 и 14 микросхем подключить пленочные конденсаторы емкостью не менее 0,68 мкФ.
7. Если усилитель предназначен для сабвуфера, то емкость входного конденсатора нужно увеличить до 1 мкФ.
8. Печатные проводники питания делать минимальной длинны и максимальной ширины.
9. С выхода каждой из микросхем на землю пустить цепочку, состоящую из последовательно соединенного резистора 8,2 Ом 0,5 Вт и конденсатора (неэлектролита!) 0,1 мкФ на напряжение не менее 63 вольт.

Это схема для TDA7294. На микросхеме TDA7293 все то же самое, но конденсатор вольтодобваки подключается своим отрицательным выводом не к 14-му выводу микросхемы, а к 12-му. И в конструкции лучше использовать обе микросхемы одного типа.

Поскольку на каждую микросхему приходится «половина» сопротивления нагрузки, то напряжение питания нужно выбирать также для «половины» нагрузки: +-27 В для нагрузки 8 Ом; +-31 В для нагрузки 12 Ом и т.д.

Микросхемы можно ставить на один общий радиатор (не нужно друг от друга изолировать).

Только для микросхемы TDA7293! Из микросхем TDA7294 подходит только та, которая имеет в маркировке букву «S» (TDA7294S). Она также может «параллелиться», но может попасться «левая» микросхема, имеющая букву «S» в маркировке, но не имеющая нужных цепей — будьте осторожны!!!

В отличие от мостового включения, которое позволяло увеличить напряжение на нагрузке, «параллельное» включение позволяет повысить ток в нагрузке. Точнее, через каждую микросхему протекает теперь половина тока нагрузки, а значит ее (микросхемы) работа облегчается. Поэтому такое включение применяется для низкоомной нагрузки. В принципе, при параллельном включении можно использовать нагрузку сопротивлением всего 2 Ома, но такая низкоомная нагрузка очень неудобна: сопротивления всяких проводов-контактов начинает сильно влиять, и на всех этих проводах-контактах будет теряться до 20% мощности. Весь выигрыш потеряем!

А при работе на 4 Ома, поскольку через каждую микросхему течет только половина тока нагрузки, получается, что эквивалентная нагрузка каждой микросхемы вдвое выше, чем реальная, и равна 8 Ом. А значит мы можем увеличить напряжение питания, повысить тем самым выходное напряжение и выходную мощность! При четырехомной нагрузке можно подать питание +-40 вольт и получить мощность 100…120 Вт (это для TDA7293, для TDA7294S напряжение питания нужно брать +-35 вольт и мощность будет около 80 Вт)! Особенно это приятно низкоомным сабвуферам, которые могут требовать приличный импульсный ток.

Итак, что мы выигрываем?

Подаем большее напряжение питания (как для удвоеной нагрузки) и получаем бОльшую выходную мощность.

А в чем проигрываем?

А вот тут, как раз, почти не в чем! Только используем 2 микросхемы вместо одной. Ну и более мощный блок питания, но это и так естественно для более мощного усилителя. Насколько я понимаю производителей, в таком включении паралелятся выходные каскады двух микросхем. Это вполне нормальная процедура в усилителях, и ничего плохого в этом нет. Более того, раз производители эту возможность сами ввели, то уж наверняка там все сделано хорошо.

При «запараллеливании» микросхем используется включение «мастер-помощник».

Английский термин «master-slave» дословно переводится «хозяин-раб». С точки зрения смысла, этот термин наиболее точен: вторая микросхема (которая «slave») не имеет никакой собственной воли, и делает только, что ей задаст «хозяин». Не больше и не меньше. Ни шагу в сторону. Но в советские времена цензура не допускала такого «антисоветского» названия, и назвали более политкорректно — «мастер-помощник» (тогда еще TDA7293 не выпускалась, но термин широко употреблялся в триггерах). Мне такое название не только привычно, но и больше нравится: мастер, он главный, и правильно делает сложное дело, а помощник ему в этом просто помогает. Так что дальше я буду использовать «советское» название.

Микросхема, работающая мастером (главная, ведущая), включена как обычно по схеме неинвертирующего усилителя. А вот у второй микросхемы, работающей помощником (вспомогательной, ведомой), вывод 4 подключен к «минусу» источника питания. При этом внутри нее отключаются почти все цепи, кроме выходного каскада на который подается сигнал изнутри микросхемы-мастера. Для этого обе микросхемы соединяются своими выводами 11 (схема из даташита, в ней нужное соединение показано более толстой линией):

Есть небольшой шанс, что все не так просто, как я думаю, а несколько хуже (в смысле искажений), но это нужно исследовать. Может быть, что «параллелится» и последний каскад усилителя напряжения (хоть это и маловероятно). При этом искажения растут сильнее, чем при запараллеливании только выходных транзисторов. Я обязательно соберу эту схему и поизучаю ее, вот только когда…

Пока что рекомендации по улучшению этой схемы:

1. Емкость входного конденсатора 0,56…0,68 мкФ, а для сабвуфера 1 мкФ (это если этот конденсатор не использовать как сабсоник-фильтр).
2. С2 = 100 мкФ х 50В (минимум на 35В).
3. С5 = 100 мкФ х 50В.
4. В цепи питания вместо конденсаторов 100nF лучше использовать конденсаторы емкостью не менее 1 мкФ 63В. Причем неэлектролитические (например пленочные К73-17).
5. В цепи питания не обязательно использовать отдельные коденсаторы на каждую микросхему. Если микросхемы установлены близко, и проводники питания у них короткие и широкие, то можно и по одному конденсатору (электролит + пленка) на плечо. Но емкость электролитов удваиваем.
6. Параллельно С5 подключить пленочный конденсатор емкостью не менее 0,68 мкФ.
7. С10 должен быть рассчитан на напряжение не менее 50В.
8. Важно! Проводники, идущие от выходов микросхем (выводы 14), а также верхняя обкладка С10, проводник, идущий к нагрузке, и проводник, идущий к резистору R3 (цепь ООС) должны соединяться в одной точке. Т.е. одна общая точка для 5-ти проводников.

По идее, подобным образом параллельно можно соединить и 3 и 4 микросхемы (один мастер и несколько помощников), но это уже не так хорошо: во-первых, напряжение питания поднимать практически некуда, и прибавление выходной мощности будет мизерным. Во-вторых, «мастеру» уже труднее будет управлять несколькими «помощниками» (у которых есть свои входные токи и емкости), и он может начать искажать сигнал.

И не забывайте: чтобы усилитель мог отдать в нагрузку большой ток, ему этот ток вначале должен предоставить источник. А если источник слаб… Не экономьте на конденсаторах фильтра питания.

Это моя нелюбимая схема. Если предыдущие включения были предусмотрены производителем, то эта – нет. Конечно, так можно «довесить» любую микросхему, и TDA7294 / TDA7293 в том числе, но по моему все эти довески – от лукавого.

Как и «параллельная» схема, эта предназначена для низкоомной нагрузки, но в ней бОльшая часть выходного тока снимается не с микросхемы, а поставляется в нагрузку дополнительными биполярными транзисторами. А микросхема ими только управляет.

Эта схема предназначена для работы с низкоомной нагрузкой и известна как «схема Чивильча» (Радио №11, 2005 год, взята прямо оттуда, а другие схемы — очень похожи и имеют тот же принцип). Эта конкретная схема имеет много косяков и слабых мест, которые надо исправлять. Список исправлений из 15 (!) пунктов прилагается.

Усилитель на TDA 7294 дополняется двумя мощными выходными транзисторами, работающими в режиме В. Они усиливают выходной ток микросхемы, поэтому на микросхеме рассеивается меньшая мощность, а значит, можно поднять напряжение питания, чтобы получить побольше мощность в нагрузке (также, как и в «параллельной» схеме).

В состоянии покоя выходные (я так теперь буду называть навесные биполярные транзисторы – теперь они выходные) транзисторы закрыты и тока от источника питания не потребляют. При небольшом уровне сигнала (до ~0,5 вольт на нагрузке) транзисторы не открываются, а выходной сигнал протекает с выхода микросхемы в нагрузку через резистор R7 (т.е. микросхема пыхтит одна, да еще и не просто так, а через резистор). При этом на нем появляется напряжение. С ростом уровня сигнала напряжение на R7 растет, и когда оно достигает ~0,7 вольт (это соответствует мощности 30…50 мВт на нагрузке 4 Ома), выходные транзисторы начинают открываться. При маленьких выходных напряжениях выходные транзисторы закрыты. При небольших напряжениях транзисторы открываются только на пиках громкости на непродолжительное время. По мере роста выходного сигнала (если прибавить громкость), выходники «все чаще» включаются в работу, беря на себя питание нагрузки. При этом от микросхемы в нее (нагрузку) поступает только 5…15% мощности (и еще ~10% от выходной мощности микросхема тратит на питание выходных транзисторов). Выходные транзисторы работают в классе В (а если честно, то в классе С, т.к. их угол отсечки составляет больше 180 градусов, но не буду пугать народ). Т.е. они работают по-очереди: когда один из них открыт, другой закрыт. Например верхний транзистор открывается положительным напряжением, а нижний — отрицательным. При маленьком выходном напряжениии они оба закрыты. Когда же дополнительный выходной транзистор открыт, то ток в нагрузку течет в основном через него. А микросхема при этом не столько питает нагрузку, сколько управляет работой этого дополнительного транзистора.

Таким образом, можно работать на низкоомной нагрузке и получить на ней максимум напряжения и тока без перегрева микросхемы. В отличие от «параллельного» включения, здесь микросхема выполняет роль предварительного каскада, а основной мощностью управляют дополнительные транзисторы. А так как транзисторы работают в режиме класса В, то и они сильно не греются. Вроде бы все в шоколаде. Но есть недостатки, и немалые, если говорить о высоком качестве звука.

Недостатки.

• Поскольку напряжение на микросхеме ограничено уровнем 40 Вольт, то сильно повысить питание (а значит и выходную мощность) не удастся. Для нагрузки сопротивлением 4 Ома это увеличение будет примерно с 50 Вт до 80…100 Вт. Если использовать TDA7293, которая допускает бОльшие напряжения питания, то можно дотянуть до 110 Вт.
• Дополнительные транзисторы вносят свою нелинейность, поэтому общие искажения по сравнению с одной только микросхемой возрастут.
• При открывании/закрывании выходных транзисторов, дополнительно (по сравнению с просто микросхемой) образуются так называемые коммутационные искажения – неуправляемые импульсы тока коллектора, а также искажения «ступенька». Причем довольно большие. А поскольку быстродействие микросхемы невелико, она плохо справляется с подавлением таких искажений (при помощи ООС).
• Для работы в те моменты, когда выходные транзисторы закрыты, и микросхема без них трудится в одиночку, от микросхемы требуется более высокое быстродействие (по частоте и скорости нарастания выходного напряжения), чем в обычном состоянии.

Этот последний пункт поясню особо. Вот осциллограммы напряжения на нагрузке (синяя линия) и на выходе микросхемы (красная линия).

Хорошо видно, что начальные участки (близкие к нулю) красной линии более вертикальны, чем синей. Здесь выходные транзисторы еще не работают, и микросхеме приходится «работать шустрее», чтобы питать нагрузку не напрямую, а через резистор R7 (я не хочу подробно описывать причины – лень вдаваться в теорию, это еще на пару страниц, если подробно). При напряжении ~0,8 вольт выходники открываются, и выходной сигнал микросхемы начинает повторять выходной сигнал всего усилителя, только 0,8 вольтами выше.

На самом деле, этот начальный участок не такой крутой – это я его слегка преувеличил для наглядности. Но ведь и микросхема довольно медленная а ей приходится компенсировать при помощи ООС все эти высокочастотные «бяки». Из-за сравнительно низкой частоты первого полюса микросхемы, на высоких частотах глубина ООС заметно снижается, и ей трудно справляться с возросшими искажениями. Поэтому общие искажения всего усилителя получаются значительно больше, чем у просто микросхемы.

Я когда-то собирал подобные системы на быстродействующих ОУ, дополненных высокочастотными выходными транзисторами (т.е. чтобы и на высоких все получше работало). Как системы начального уровня они звучали неплохо. Качество звучания (и уровень искажений) здесь сильно зависят от сопротивления резистора R7. Чем оно меньше – тем лучше. Но с другой стороны, чем меньше это сопротивление, тем позже (при росте сигнала) открываются навесные выходники, а значит, тем больше нагрузка на микросхему. Т.е. чем больше разгружаем микросхему – тем больше теряем качество. Повышая качество – нагружаем микросхему. Максимум качества придется на максимум нагрузки, если выходники вообще не будут включаться (т.е. если их не будет вообще!). Результаты получались гораздо лучше, когда выходники выводились из режима В (на них подавалось напряжение смещения и появлялся ток покоя). При этом выходной сигнал самой микросхемы становился «красивее», и звучание лучше, чем даже при маленьком сопротивлении R7 в режиме В.

Если пойти по такому пути: задать выходным транзисторам начальное смещение, которое улучшит звук, поменять схему управления этими транзисторами, чтобы повысить выходное напряжение, поменять микросхему на быстродействующий качественный ОУ, то мы придем совсем к другому усилителю. Он будет иметь гораздо лучшее качество и более высокую выходную мощность, но не будет содержать микросхему TDA7294.

Несмотря на то, что мне лично такое включение не нравится, ему находится применение, и тут я согласен с теми, кто так делает — в их случае это действительно самое оптимальное решение. Один вариант — сабвуфер, работающий на 4-омную нагрузку, причем его мощность 50…60 Вт. Для одной только микросхемы это уже на пределе. Умощненная микросхема как раз легко такую мощность дает. Второй вариант — НЧ/СЧ канал двухполосного усилителя (ВЧ канал сделан на TDA7294 без умощнения) — биампинг — для озвучки помещения. Опять же, мощность 50 Вт получается без проблем, и работа 18 часов в сутки ежедневно в любую погоду (даже летом в жару) проходит легко — микросхема не нагружена. И работа на сравнительно низких частотах усилителю дается легко. Третий вариант — озвучка культурно-развлекательных мероприятий на открытом воздухе. Там усилитель может стоять под открытым небом на солнцепеке, и нормально работать. А снижение качества звучания никто не заметит — ведь все культурно развлекаются (пивом, например).

Так что, если кто все же хочет сделать эту схему, несколько советов.

1. Снижение качества наименее заметно на низких частотах (ООС там работает на полную да и быстродействия микросхемы и транзисторов хватает), поэтому для сабвуферов схема годится.
2. Не превышайте напряжение питания. 40 вольт – максимум (для TDA7293 максимум 44 вольта.). Низкое (ниже 28) использовать нет смысла – пропадают все преимущества: выходная мощность ведь ограничена питанием и при таком напряжении выходит маленькой.
3. С2 увеличиваем до 1000 пФ (=1нФ), а для саба С2=3,3 нФ и R1=3,3 кОм.
4. С5 = 47…100 мкФ 50 В. Для саба 100 мкФ. И его «минус» подключаем к выходу микросхемы (к 14-й ноге) для TDA7294, или к 12-й ноге для TDA7293. Так будет работать заметно лучше, чем если подключить конденсатор к выходу всего усилителя, как на схеме.
5. С9 и С10 не менее 1 мкФ 63 В, например типа К73-17. Еще лучше по 2 таких конденсатора впараллель. Причем хорошо бы поближе к транзисторам.
6. Предохранители на 5А (и то могут сгорать при пиках громкости, особенно на сабвуфере, тогда ставим 7,5…10-ти амперные).
7. Катушку L 1 намотать прямо на резисторе R8. Для этого берется резистор типа МЛТ-2 Вт и на него наматывается 2 слоя провода диаметром 0,7…1 мм. Верхний слой должен быть короче, чтобы витки не сползали. И не нужно пытаться притулить туда как можно больше витков, лучше аккуратно все сделать. Катушку слегка пропитать клеем, чтобы не разлезалась. Выводы катушки наматываем на выводы резистора и получается «два в одном».
8. Хоть микросхема и разгружена, охлаждать ее надо. Пусть небольшой радиатор, но должен быть. Можно и ее и транзисторы поставить на общий радиатор через прокладки.
9. После сборки усилителя хорошо бы убедиться в отсутствии самовозбуждения и звона, посмотрев на сигнал при помощи осциллографа. Если эти «бяки» присутствуют, то можно попробовать параллельно резистору R3 подключить цепочку, состоящую из последовательно соединенных конденсатора 100 пикофарад и резистора 6,8 кОм.
10. Важно! Проводники, идущие от эмиттеров транзисторов, а также проводники, идущие к резисторам R3 (цепь ООС), R7, R8+L1, R9 — должны соединяться в одной точке. Т.е. одна общая точка для 6-ти проводников.
11. R5 и R6 несколько великоваты. Их оптимальное значение: 33…68 кОм.
12. Важно! Конденсатор С3 вообще удаляем (чтобы 9-я нога микросхемы была подключена к источнику без конденсатора — ведь она задает режим StdBy, поэтому, когда режим включен, выходные транзисторы микросхемы отключены, и, значит, базы навесных транзисторов тоже отключены!!! это плохо). Если не хотите, то базы транзисторов надо соединить с землей через резистор 10…15 кОм 0,125 Вт. Но что-либо одно из этого сделать обязательно — надежность системы возрастет.
13. Конденсатор С4 берем чуть большей емкости: 22…47 мкФ.
14. Важно! Конденсаторы С3 (если он есть) и С4 заряжаются до напряжения источника (40 вольт по схеме), поэтому они должны иметь рабочее напряжение не менее 50В.
15. Резистор R7 лучше взять более мощный — 0,5 Вт.
16. Последовательно с резистором R4 хорошо бы включить конденсатор 100…220 мкФ 25 вольт. А то на выходе может присутствовать заметная постоянка.
17. Да и выходные транзисторы лучше использовать не отечественные, а хорошие импортные, например MJL21193/MJL21194 или 2SA1943/2SC5200.

Если уж делать такую штуку для повышения мощности, то хорошо бы этот самый максимум мощности все же извлечь (можно вынуть до 160 Вт на нагрузке 4 Ома). Для этого нужно исключить влияние на микросхему просадок питающего напряжения. Т.е. стабилизировать ее питание (именно микросхемы — она тут потребляет небольшой ток, выходные транзисторы в пролете).Для этого:Общее напряжение питания поднимаем до 50…55 вольт (чтобы даже в самой жуткой просадке питания осталось вольта 42) и питаем выходники (раз у них ток самый большой) нестабилизированным напряжением — они выдержат. А для микросхемы используем стабилизатор на +- 38 вольт, например, такой.

Стабилизатор включается в разрывы цепей питания микросхемы в точках А и Б. Теперь просадки напряжения питания на микросхему не влияют, поэтому питание микросхемы всегда максимально и она всегда может выдать максимум выходного напряжения. А значит напряжение и мощность на нагрузке всегда будут максимально возможными.Для эксремалов — стабилитроны D1 и D4 можно взять на напряжение 15 вольт. Но микросхема уже будет работать на пределе, поэтому я не рекомендую. А вот если использовать микросхему TDA7293, то запросто. Предел здесь — все стабилитроны по 15 вольт + хорошее (без изолирующей прокладки на радиаторе) охлаждение микросхемы.Только теперь для выходников радиатор нужен побольше. И транзисторы стабилизатора нужно на радиаторы ставить. Я же говорил – уж лучше сразу делать усилитель, который все потянет… Например, такой.

19.03.2007

Total Page Visits: 5838 — Today Page Visits: 3

Больше напряжения → больше мощности

Есть два важных преимущества, связанных с мостовым усилителем. Первое, что мы обсудим, заключается в следующем: мостовой усилитель позволяет значительно увеличить мощность на нагрузке. На сколько больше? Что ж, мы знаем, что мгновенная мощность сигнала переменного напряжения может быть выражена следующим образом:

\[P_{нагр} = \left( \frac{V_{пик}}{\sqrt{2}} \right)^2 \times \frac{1}{R}\]

Таким образом, мощность пропорциональна квадрату пикового напряжения. Мостовая схема удваивает напряжение на нагрузке; следовательно, она обеспечивает увеличение мощности, передаваемой нагрузке, в четыре раза. Возможно, вы задаетесь вопросом – почему мы не можем просто использовать один операционный усилитель и увеличить коэффициент усиления, чтобы получить большее напряжение? Зачем беспокоиться о мостовой схеме? Это хорошие вопросы, и ответ на них следующий: мостовой усилитель обеспечивает Pнагр, превышающую в четыре раза максимальную мощность, которую вы можете достичь при заданном напряжении питания. Другими словами, мостовой усилитель особенно полезен, когда вы пытаетесь получить как можно больше мощности от вашей шины питания.

В этот век низковольтных систем вы можете обнаружить, что напряжение питания является ограничивающим фактором того, какую мощность вы можете подавать на нагрузку. Предположим, что сопротивление нагрузки является фиксированным, поэтому вы не можете увеличить мощность, уменьшив Rнагр, и давайте также предположим, что у вас имеется достаточный уровень тока, доступный от вашего источника питания. В этом случае ваш источник питания 3,3 В сдерживает вас – вы могли бы легко подать больше мощности, если бы у вас было немного большее напряжение питания. Ну, вот тут-то и появляется мостовой усилитель: та же шина напряжения, но в четыре раза большая мощность.

Схемотехника одноплатного 4-канального усилителя класса AB на микросхеме TDA7850

Посмотрим на плату усилителя вертикально сверху и разберёмся, что здесь для чего:

Эта плата УНЧ имеет своё название, обозначенное в левом нижнем углу: HW-452.

Элементов на плате много, даже несмотря на то, что «главная» микросхема TDA7850 почти не требует обвязки. Это связано с расположением на плате двух помехоподавляющих микросхем BA3121F со своей собственной обвязкой.

Помехоподавляющие микросхемы (каждая на два канала) работают элементарно просто: вычитают сигнал помехи, приходящий по проводу «земли» от источника сигнала, из напряжения на самих сигнальных проводах, которое представляет собой сумму «сигнал+помеха».

Что же касается обвязки усилительной микросхемы TDA7850, то она представляет собой только четыре прямоугольных синих конденсатора, «отрезающих» постоянную составляющую от входа. Также требуются несколько блокировочных конденсаторов по питанию и немного элементов управления сигналами «MUTE» (кратковременное отключение звука) и «ST-BY» (режим «сна» с малым потреблением), если будет необходимость в их использовании (на данной плате контакты для подключения кнопок управления этими сигналами не предусмотрены).

Схема применения микросхемы из даташит на микросхему TDA7850 такова (блок-схема и пример принципиальной схемы):

Микросхема снабжена различными видами защит: от перегрева, от короткого замыкания на землю или на питание, от перегрузки по току и др.

Примечание: нумерация элементов на схеме не совпадает с нумерацией на плате.

Теперь — пробежимся по другим элементам платы.

Двухконтактный клеммник слева внизу — подача питания, рядом с ним — дроссель фильтрации питания.

Дополнительную фильтрацию осуществляет мощный электролитический конденсатор 10000 мкФ 25 В почти в центре платы. Столь высокую ёмкость относим к безусловным «плюсам» платы.

Под дросселем — светодиод (LED), показывающий, что на плату подано питание.

Два чёрных разъёма предназначены для подключения сигналов через два круглых 3-контактных штырьковых разъёма типа джек 3.5 мм.

Параллельно к ним подключены два белых разъёма для подключения сигнала с помощью прямоугольных соединителей.

По бокам имеются два 4-контактных клеммника, на каждом — по два мостовых выхода.

Остальную «мелочёвку» на плате рассматривать не будем.

Не требуется конденсатор связи

Моя любимая особенность мостового усилителя заключается в том, что он позволяет устранить постоянное напряжение смещения без устранения постоянного напряжения смещения… или что-то типа того. Допустим, у вас есть динамик, который вам необходимо подключить к вашей схеме с однополярным источником питания. Все аудиосигналы имеют смещение по постоянному напряжению, которое удерживает отрицательные участки синусоиды выше уровня земли. Но сигнал, который мы посылаем на динамик, должен быть чистым переменным напряжением; постоянное напряжение смещения в аудиосигнале уменьшает динамический диапазон и способствует искажению. Эта проблема часто решается с помощью конденсатора, блокирующего постоянный ток (также называемого разделительного конденсатора), но у этого подхода есть недостатки: во-первых, конденсатор может быть достаточно большим (часто сотни микрофарад), чтобы избежать ослабления низкочастотных составляющих сигнала; во-вторых, вам нужно беспокоиться о переходных эффектах, связанных с зарядом или разрядом разделительного конденсатора, таких как артефакты типа «щелчков» и «хлопков», которые мешают воспроизведению звука.

К счастью, если у вас есть мостовой усилитель, то отпадает необходимость в разделительном конденсаторе. Дополнительная особенность инвертированных и неинвертированных сигналов такова, что постоянное напряжение смещения одного сигнала может компенсировать постоянное напряжение смещения другого:

Рисунок 5 – Компенсация напряжения смещения

Схема мостового включения на 4 LM3886

А это гораздо сложнее, но мощность почти в 2 раза выше, что-то около 200 ватт. Отлично подходит для высококачественного сабвуфера. В любом случае, прежде чем приступать к сборке усилителя, изучите эту документацию на микросхему, в которой подробно расписываются нюансы мостового включения LM3886.