Усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TPA3255 класса D ( суммарная мощность каналов 600 Вт ) с конфигурацией 2.1 (тест и обзор)
Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D с конфигурацией 2.1 суммарной мощностью 600 Вт (3 00 Вт + 2*150 Вт).
(усилитель низкой частоты на T PA3255 и схема его подключения; изображение с официального сайта AliExpress )
Усилитель (микросхема) TPA3255— основные технические характеристики (относятся к микросхеме, а не ко всей тестируемой плате):
Возможные конфигурации подключения
Stereo, Mono, 2.1 and 4xSE
Максимальная выходная мощность при 10%THD+N
– 315-W Stereo into 4 Ω in BTL Configuration
– 185-W Stereo into 8 Ω in BTL Configuration
– 600-W Mono into 2 Ω in PBTL Configuration
Максимальная выходная мощность при 1%THD+N
– 260-W Stereo into 4 Ω in BTL Configuration
– 150-W Stereo into 8 Ω in BTL Configuration
Внешний вид и конструкция одноплатного усилителя 2.1 на микросхеме TPA3255 класса D
Упакована плата была, помимо традиционной «пупырки», в прозрачную термоусадочную пленку; которая, вероятно, и стала причиной нештатного изгиба блока входных разъёмов и переменника регулировки громкости:
(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)
Хотя и не исключено, что не слишком бережное обращение в процессе доставки тоже внесло свою лепту. 🙂
Тем не менее, оказалось возможным всё выпрямить руками без повреждений.
Никакой документации в комплекте не было, да она и не нужна: на плате всё расписано, что куда подключать; и, в качестве своего рода документации, на Алиэкспресс есть картинка с назначением органов управления и разъёмов (приведена в начале обзора).
Посмотрим на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:
Вблизи заднего края платы имеются два отверстия для крепления платы к чему-либо, например, к днищу корпуса.
С передней стороны таких отверстий нет. Вероятно, производитель рассчитывает, что эта часть платы будет прикрепляться к передней панели корпуса (или фальшпанели) с помощью гаек, накрученных на переменные резисторы.
Здесь сложно отметить что-либо особенное. Разве что «высокую» пайку светодиода (индикатора включения), благодаря чему его ножки можно аккуратно подогнуть и, тем самым, направить свет вперёд.
Этот блок держится на плате за счёт пайки контактов и слабеньких собственных пластиковых защелок. Он обязательно нуждается в дополнительном креплении, например, к передней панели корпуса; иначе он при соединении с внешним кабелем снова погнётся, как это случилось в пути.
Теперь посмотрим вертикально сверху:
Здесь обратим внимание на правильную разводку проводников «земли»: справа внизу, где идут проводники от входных разъёмов, «земля» не соединяется кратчайшим путём с разъёмом питания, а идёт отдельно к регулятору громкости.
Эта часть схемы разделена физически от силовой части платы промежутком между металлизацией чуть больше 1 мм.
Дроссели выходных фильтров держатся на плате только на пайке проводников, намотанных на них. Пальцами можно эти дроссели легко покачать из стороны в сторону. Вывод: работа в условиях вибрации противопоказана (либо надо подумать о дополнительном креплении дросселей).
Обратная сторона платы:
Также видны головки двух винтов, которыми прикручен радиатор к микросхеме TPA3255D2.
В следующей главе разберём, что к чему и зачем на этой плате усилителя.
Для анализа схемотехники открутим с платы радиатор и посмотрим на плату с элементами в «голом» виде:
Радиатор был прикручен к микросхеме TPA3255 с применением термопасты (её следы видны на фото), что является в данном случае просто необходимым с учётом высокой мощности микросхемы.
Хотя усилители класса D имеют очень высокий КПД (90% и выше), при такой суммарной мощности каналов (600 Вт) рассеиваемая тепловая мощность всё равно будет очень серьёзной.
Назначение разъёмов и регуляторов указано на первой картинке в обзоре.
В целом качество схемотехники, разводки платы и монтажа можно признать хорошим.
Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA3255
При измерениях использовались лабораторный блок питания LW-K3010D (обзор), генератор FY6800 ( обзор), цифровой осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).
Номинально блок питания может отдавать напряжение 30 В при токе до 10 А, но по факту напряжение может может составлять до 32 В.
Тестирование производилось при напряжении 32 В. Конечно, хотелось бы протестировать и при максимально-допустимом напряжении (48 В), но пока что достаточно мощного блока питания с таким напряжением в наличии нет (возможно, появится, и тогда обзор будет дополнен).
Сначала было замерено потребление усилителя без подачи сигнала с установленным в «ноль» регулятором громкости. Ток потребления холостого хода составил 62 мА.
Где это особо не оговаривается, сопротивление нагрузки составляло 4 Ом.
Начинаем с самого простого: синус на частоте 1 кГц, канал SE ( т.е. один из стереоканалов).
Максимальная амплитуда без отсечки (клиппинга) составила 14.4 В:
Мощность на выходе составила почти точно 25 Вт на канал. Разогрев радиатора на микросхеме был уже ощутимым.
Это связано с тем, что в мостовых схемах сигналы ШИМ с разных плеч в значительной мере взаимоуравновешиваются; в то время, как в «простых» схемах ШИМ подавляется только фильтром.
Как совместно выглядит ШИМ и полезный сигнал после фильтра, можно посмотреть на следующей осциллограмме, частота 20 кГц:
Ещё несколько осциллограмм, позволяющих оценить качество сигнала на выходе.
Прямоугольный сигнал, положение регулятора тембра высоких частот подобрано под максимально-плоскую форму вершины, частота 5 кГц:
Фронты нельзя назвать крутыми, но для обычных аудио-сигналов вполне достаточны.
Всплески получились значительными, что подтверждает эффективность регулировки высоких частот в сторону увеличения.
Теперь пора вспомнить о том, что у усилителя есть ещё и низкочастотный канал.
А уже из этого следует, что он будет значительно более мощным, поскольку плечи моста работают в противофазе и могут раскачать выход на вдвое большее напряжение, чем «обычный» канал.
Осциллограмма на выходе канала BTL при уровне сигнала, близком к отсечке (клиппингу):
При этом ток, потребляемый платой от источника питания составил 3.24 А, а потребляемая мощность составила (3.24*32)=103.7 Вт.
Итого, получаем довольно-таки безрадостную величину КПД в 79%. 🙁
Спрашивается, куда делись остальные потребляемые Ватты?
Они рассеялись на самой микросхеме усилителя и в выходных фильтрах.
Нагрев радиатора микросхемы был очень сильным; во избежание неприятностей пришлось даже включить его внешнее принудительное охлаждение с помощью вентилятора.
Теоретически микросхема имеет собственную защиту от перегрева, но практически на всякий случай было решено не проверять, насколько успешно она работает.
При дальнейшем повышении уровня сигнала возникает клиппинг, который из-за работы фильтров приобретает «косую» форму:
В то же время при прослушивании реального сигнала (музыки), у которого средняя величина сигнала значительно ниже пиков, столь сильный нагрев не наблюдался. Тем не менее, это не отменяет заботы о хорошей вентиляции радиатора микросхемы при установке платы в корпусе.
Затем была проверена работа на нагрузке 8 Ом.
Вблизи уровня клиппинга осциллограмма имела вполне благопристойный вид и показывала хороший размах сигнала на выходе:
Дополнение: проверка работы усилителя в режиме BTL при напряжении питания 48 Вольт
После прибытия из братского Китая блока питания на 48 Вольт усилитель был проверен при этом напряжении с нагрузками 8 Ом и 6 Ом (с нагрузкой 4 Ом не работа не проверялась, дабы не вывести усилитель из строя из-за перегрузки по току или из-за перегрева).
Работа на нагрузке 8 Ом, напряжение питания 48 В, синус 100 Гц:
Из-за потерь в кабеле и на амперметре напряжение на самой плате составило 47.4 В, а потребляемая мощность составила (2.72*47.4)=128.9 Вт.
КПД составил 88%. Нельзя назвать эту величину плохой, но на микросхеме рассевались почти точно 15 Вт, в результате чего её радиатор разогревался быстро и сильно. Работа в течение длительного времени без принудительной вентиляции невозможна.
Из-за потерь в кабеле и на амперметре напряжение на самой плате составило 47. 1 В, а потребляемая мощность составила ( 3. 7 7 *47. 1 )=177.6 Вт.
При напряжении питания 48 В нагрев даже на «холостом ходу» был ощутимым. Рассеиваемая платой мощность составляла около 3 Вт, радиатор микросхемы TPA3255 разогревался до 46.5 градусов (по данным контактных измерений).
С АЧХ усилителя пришлось прилично «повозиться».
Дело в том, что в усилителях системы 2.1 по-существу работают совершенно разные каналы: широкополосные стереоканалы и низкочастотный канал для воспроизведения басов. И всё это ещё завязано на регулировку тембра, тоже раздельную для стереоканалов и низкочастотного канала.
И это ещё не всё: как увидим далее, для широкополосного канала есть ещё и зависимость АЧХ от величины нагрузки!
АЧХ всех каналов снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя.
Здесь видно, что АЧХ нарастает примерно до частоты 5 кГц, затем идёт почти плоский участок примерно до 10 кГц, затем начинается небольшой спад.
Спад обусловлен последовательным соединением индуктивности фильтра и нагрузки, что приводит к падению сигнала на нагрузке с ростом частоты.
Измерять АЧХ при увеличении сопротивления нагрузки до 8 Ом было лениво, но, теоретически, в области высоких частот ( > 10 кГц) кривая должна подняться и либо стать плоской, либо даже получить небольшой подъёмчик.
Здесь всё получается проще: резонанс находится далеко от рабочих частот, и влиянием нагрузки на АЧХ можно пренебречь (но на всякий случай была подключена нагрузка 4 Ом).
Максимум АЧХ наблюдается вблизи частоты 30 Гц, т.е. происходит мощный подъём наиболее низких частот.
Максимум АЧХ стал значительно менее выраженным, но полностью не исчез.
Коэффициент усиления в этом устройстве, естественно, будет сильно зависеть от положения регуляторов тембра. Кроме того, в каждом из каналов будет свой коэффициент усиления.
Замеры проводились при максимальном положении регулировки громкости.
И, наконец, пора приступить к описанию личных впечатлений от прослушивания.
Если оценивать общую картину совместной работы всех каналов, то позитивная картина по частотной характеристике складывалась, только если если в качестве стереоколонок использовались колонки с более-менее приличным воспроизведением нижних частот (хотя бы от 100 Гц), т.е. это не должны быть банальные малообъёмные «пищалки».
В ином случае (с дешевыми «пищалками») ощущался явный провал на границе низких и средних частот (примерно от 100 до 400 Гц). Звук производил впечатление комбинации «бух-бух» (от басовой колонки) и «дзинь-дзинь» (от «пищалок»), середина была очень нечёткая. Пожалуй, граница разделения каналов здесь слишком смещена вниз, и слишком мало пересекаются полосы каналов.
Общий итог: усилитель пригоден для использования строго в системах 2.1 с не самыми плохими колонками стереоканала; иначе хорошей звуковой картины не будет.
Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TPA3255
Микросхема оказалась очень интересной, со своими особенностями, которые надо учитывать.
Благодаря применённой в этом одноплатном усилителе конфигурации 2.1 оказалось возможным проверить работу этой микросхемы как в мостовом ( BTL ) режиме, так и в «обычном» (SE).
В связи с этим «обычные» каналы (SE) подходят для тех применений, где не требуется хорошая передача низших частот. Как раз к такой области применения относятся стереоканалы в звуковых системах 2.1; в которых для басов создаётся отдельный канал.
Каналы усиления в мостовом режиме могут использоваться в любых целях: и как широкополосные, и как, например, низкочастотные в системах 2.1.
В то же время для нагрузок 6-8 Ом подобного рода проблем не ожидается. Проверка на нагрузке 8 Ом показала высокое значение КПД и приемлемый нагрев микросхемы (при питании 32 В). При напряжении питания 48 В работа с любой нагрузкой (4-6-8 Ом) требует принудительного охлаждения радиатора на микросхеме TPA3255.
Максимальная мощность требует подключения нагрузки 4 Ом в мостовом режиме, а такой режим (с нагрузкой 4 Ом) здесь оказался не слишком эффективным энергетически.
Но примерно 300 Вт при наличии принудительной вентиляции «выжать» с нагрузкой 6 Ом возможно (что тоже очень не мало).
Выводы по работе всего одноплатного усилителя в целом.
Из некоторых сомнений касательно схемотехники следовало бы отметить, пожалуй, слишком низкую частоту разделения стереоканалов и низкочастотного (басового) канала.
Эта проблема решается подключением на стереоканалы более-менее приличных колонок, способных воспроизводить звук хотя бы от 100 Гц.
Использовать же этот одноплатный усилитель только как обычный стереоусилитель без подключения басового канала нет никакого смысла. В этом случае будут сильно «зарезаны» нижние частоты, и эту ситуацию нельзя поправить с помощью регулятора тембра низких частот: он действует только на басовый канал и не действует на стереоканалы.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Искренне Ваш, Доктор 10 сентября 2020 г. с дополнениями от 01 октября 2020 г.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Схема позволяет включать микросхему в двух режимах:
1. Мостовой BTL. В этом включении можно получить 2 канала по 50 Вт. 2. Параллельно – мостовой (PBTL). Так как в этом режиме два канала BTL включены ещё и параллельно, то на выходе получаем один канал с удвоенной мощностью – 100 Вт.
На схемах ниже показаны все необходимые изменения для обоих режимов.
1. Подготовка платы для работы в мостовом режиме. Стерео 50 Вт. Собранный усилитель работает в мостовом режиме. Но если вы подаете на него сигнал по не симметричной линии, установите перемычки P7 и P12. Больше никаких перемычек устанавливать не надо.
2. Подготовка платы для работы в параллельно-мостовом режиме. Один канал 100 Вт. Установите перемычки P14, P15 и соедините перемычкой выходы усилителя P3 с P4 и P8 с P11. Теперь ваш усилитель будет работать в параллельно-мостовом режиме и выдавать 100 Вт. Громкоговоритель подключайте к P6 и P8. Сигнал подавайте на вход правого канала.
Подбором резисторов R5 и R8 можно подобрать уровень усиления и входное сопротивление, а также перевести усилитель в режимы ведущего (master) или ведомого (slave)
Усилитель имеет очень высокий КПД > 90%, поэтому он не очень требователен к теплоотводу. В качестве радиатора можно использовать, например этот. Форма, крепежные отверстия и размеры, которого сделаны специально для этого модуля. К тому же он имеет золотое покрытие, что внешне очень привлекательно.
N6AMPD.
Стерео усилитель 2 x 40 Вт с темброблоком BASS, MID, TREBLE на аудиопроцессоре ADAU1761. В проекте используется этот модуль. Подробная инструкция.
Одноплатные усилители мощности звуковой частоты D-класса (подборка с Алиэкспресс): маленькие, но сильные!
Усилители D-класса имеют по крайней мере одно неоспоримое и очень важное преимущество: высокий КПД, достигающий 90% и более.
Такой КПД позволяет создать в малых габаритах очень мощные усилители.
Однако же, среди мировой радиолюбительской общественности не утихают споры: а не потерялось ли одновременно с повышением КПД качество звука?
Некоторая потеря качества не исключена, поскольку в большинстве мощных усилителей должны стоять фильтры; а они повышают выходное сопротивление в области высоких частот и могут искажать АЧХ (подробности — по ссылке, сторонний ресурс).
И всё-таки, усилители D-класса при грамотном схемотехническом построении и достаточно высоком качестве источника питания способны дать очень высокое качество звука, достойное класса Hi-Fi.
Немного терминологии, применяемой далее:
SE (Single Ended) — обычный ШИМ-выход в усилителе D-класса;
BTL (Bridge-Tied Load) — схема с мостовым выходом (два SE-выхода в противофазе по звуковой частоте);
Мощность усилителей в этой подборке указана согласно документации (datasheet) на применённые микросхемы; но надо сказать, что далеко не всегда номинальную мощность из них удаётся «выжать». А уж фантазии продавцов на Алиэкпресс в отношении мощности вообще не знают границ. 🙂
Цены указаны в долларах (т.к. цены в рублях быстро становятся недействительными) и в дальнейшем могут меняться в любую сторону. Но на распродаже 11.11 они, скорее всего, на несколько процентов упадут.
Одноплатные УНЧ на основе микросхемы TPA3116D2
Микросхема TPA3116D2 работает в мостовом режиме и оказалась настолько удачной и универсальной, что если бы других микросхем усилителей класса D не существовало бы, мир не сильно обеднел бы. 🙂
Микросхема может работать в широком диапазоне питающих напряжений (4.5 — 26 В), развивает на нагрузке 4 Ом мощность до 2*50 Вт (U пит.=21 В); а также может быть сконфигурирована в одноканальном режиме (мощность 100 Вт).
На Алиэкспресс предлагается множество вариантов одноплатных усилителей на основе этой микросхемы.
Существуют и варианты с 2-3 микросхемами TPA3116 на борту, предназначенными для построения усилителей конфигурации 2.1 и выше.
Вместе с тем надо напомнить о «щедрости» китайских производителей, которые запросто могут присвоить усилителю 2*50 Вт мощность 2*120 Вт.
Одноплатные УНЧ на основе микросхемы TDA7498
Микросхема TDA7498, в отличие от предыдущей (TPA3116D2), предназначена для работы с более высокоомными нагрузками и при более высоком напряжении питания, которое может составлять 14 — 39 В.
Предельная мощность на нагрузке составляет до 2*100 Вт (U пит.=36 В, Rн=6 Ohm).
«Грабли» при применении этой микросхемы заключаются в том, что её производитель не гарантирует работоспособность при нагрузке 4 Ом (может срабатывать защита по току); рекомендуется нагрузка 6 или 8 Ом.
Тем не менее, китайские продавцы сплошь и рядом пишут, что усилитель якобы работает с нагрузкой от 4 Ом. Будьте бдительны!
Одноплатные УНЧ на основе микросхемы TPA3110 (TPA3110D2) 2×15 Вт
Когда от усилителя не требуется мощность, сокрушающая стены, то можно применить и более простые решения, например, на основе микросхемы TPA3110 (aka TPA3110D2).
Микросхема может развить мощность 2×15 Вт или 1×30 Вт в монофоническом PBTL режиме (в последнем случае для стереоусилителя потребуются две платы).
В монофоническом режиме за счет параллельного соединения каналов одновременно ещё больше становится КПД.
Одноплатные УНЧ на основе микросхемы TPA3255
Микросхему TPA3255 (она же TPA3255D2) можно назвать легендарной.
Заслужила она это своими характеристиками: официальная выходная мощность (суммарная по всем каналам) заявлена на уровне 600 Вт!
Другое дело, что мне, например, не попадалось обзоров, где эта цифра подтверждалась бы. Но даже при отдаче половины мощности эта микросхема — крайне мощная.
Кроме того, возможна её гибкая конфигурация — она может работать как 4-канальная (4 канала SE), 3-канальная (2 канала SE и один канал BTL), двухканальная (2 канала BTL) и одноканальная (1 канал PBTL). Конфигурация задаётся при разводке платы и не меняется.
Недостаток каналов SE — в том, что они требуют наличия на выходе разделительного электролита, что ухудшает работу на низких частотах и увеличивает габариты усилителя.
При работе с высокой мощностью весьма рекомендуется принудительная вентиляция.
Одноплатный УНЧ на основе микросхемы TDA8954
Все ранее рассмотренные микросхемы были в той или иной степени «идеологической» копией друг друга и не предлагали ничего оригинального.
А вот микросхема TDA8954 — «не такая, как все».
Её главное отличие — в том, что она работает от двухполярного питания!
А в этом есть два «плюса».
Первый: питать микросхему не обязательно от стабилизированного источника питания, можно и от трансформатора с отводом от средней точки во вторичной обмотке.
Второй: по постоянно циркулирующим в радиолюбительских кругах слухам, схемы с двухполярным питанием в принципе дают лучшее качество звука, чем с однополярным.
Микросхема может быть сконфигурирована как двухканальная с каналами SE (2*210 Вт), либо как одноканальная BTL с мощностью 420 Вт (задаётся при разводке платы).
Перечисленные в подборке микросхемы — самые популярные, но в природе есть и много других, ничуть не хуже.
Можно упомянуть, например, TAS5630 (2*300 Вт, Texas Instruments), TPA3118D2 (2*30 Вт, не требует теплоотвода, Texas Instruments), PAM8610 (2*10 Вт, не требует теплоотвода, Diodes Inc.).
Применение усилителей класса D позволяет не только уменьшить массу и габариты аппаратуры, но и сократить потребление энергии (что очень важно для аппаратуры на автономном питании).
В тех случаях, когда в составе платы усилителя нет темброблока, есть смысл задуматься о его приобретении или сборке.
Это позволит добавить звуку окраски на низких и высоких частотах, или, попросту говоря, исправить типовые недостатки средних и дешевых звуковых колонок.
Потребуются также и корпуса для сборки полностью всей конструкции; их тоже можно подобрать и приобрести на Алиэкспресс.
Если перечисленные в подборке одноплатные усилители у других продавцов найдутся дешевле, то тоже можно брать — товар одинаковый (но надо следить за стоимостью доставки — она не всегда бесплатная).
Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
