Меню

D класс с однополярным питанием



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);

PBTL (Paralleled Bridge-Tied Load) — параллельное соединение выходов BTL, работающих синхронно.

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.

Это могут быть самые простые варианты стереоусилителей (см. 1-ую ссылку выше, $6.5), а могут быть и усложнённые варианты со встроенным Bluetooth и регуляторами тембра (2-ая ссылка, $17).

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!

На основе этой микросхемы выпускается различные варианты одноплатных усилителей, и совсем простых (первая ссылка выше, $8.6), и навороченных (с Bluetooth, воспроизведением с карты памяти и т.п., вторая ссылка, тоже $8.6).

Одноплатные УНЧ на основе микросхемы TDA7498E

Всего лишь одна буква в наименовании микросхемы, а как много она может изменить!

В отличие от своей «младшей сестры» (без суффикса), микросхема TDA7498E уже поддерживает работу с нагрузкой 4 Ом, а выходная мощность повышена до 2*160 Вт!

Омрачить эту радость может только то, что из-за полной совместимости по выводам, отдельными недобросовестными китайскими поставщиками возможна подмена, когда вместо TDA7498E на плате может оказаться обыкновенная TDA7498.

При приобретении надо тщательно изучать отзывы предыдущих покупателей, не замечал ли кто такой подмены.

Такая высокая мощность требует серьёзного теплоотвода, даже несмотря на высокий КПД. На некоторых платах уже устанавливают активное охлаждение.

На ссылках выше — два варианта плат на микросхеме TDA7498E: одна — попроще ($13.4), другая — более навороченная с конфигурацией 2.1 (Bluetooth, USB, тембры; итого $33.4).

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.

Читайте также:  Рекомендуемое питание при избыточном весе

По ссылкам выше — простая конфигурация (стерео), $44; и конфигурация 2.1 (стерео SE + басовый BTL), $40.

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).

По ссылке можно купить плату со стереоканалами SE по цене ок. $34.5 (с учетом доставки).

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).

Источник

Усилитель класса Д TDA7498

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня обзор платы усилителя мощности класса Д. Китайцы обещают высокую мощность в компактных размерах.

TDA7498 это мостовой усилитель класса D реализованный в маленьком корпусе PowerSSO, способный выдать 2х100 Вт при 10% искажений на 6 Ом при питании 36 В.

Покупал потестировать, без привязки к определенному проекту, благо цена не высока и сравнима с платами на TPA3116.
Упаковка обычная, из комплектации только плата усилителя, даже кабель для входного сигнала не положили.

На али есть несколько вариаций плат на 7498:
Одноканальный вариант платы для сабвуфера.
2.1 канала
Готовый в корпусе с БП
Ну и просто стерео вариант платы, обозреваемый.
Внешний вид платы:

Бросается в глаза радиатор на пол платы, остальное место занимает выходной фильтр и конденсатор питания. На борту так же находится регулятор громкости, сдвоенный переменный резистор.

Характеристики:
Класс: Д TDA7498
Ток покоя: 50 мA
Эффективность: 90%
Максимальная выходная мощность: 2х100 Вт (на 6 Ом при 10% искажений)
Частотный диапазон: 20 Гц до 20 кГц
КНИ: 0.01%
Напряжение питания: 20-36 В
Максимальный потребляемый ток: 7A
Размер печатной платы: 87х72 мм

Снизу:

Ничего примечательного. Плата двухслойная, имеются четыре крепежных отверстия под М3.

Со стороны регулятора громкости:

Красный светодиод индикатор питания, вход реализован на разъеме jst.
Он выступает немного от габарита платы.

Сзади:

Питание однополярное 19-32 В, подключается распространенным разъемом 5,5х2,1. Конденсатор по питанию 35 В 2200 мкФ, больше 30 В давать не желательно.
Выход на акустику на слабеньких клеммниках.

Под радиатором:

Микросхема реально микро.

Рассмотрим графики из документации.

Зависимость мощности от напряжения питания (на 6 Ом при 10% искажений):

Запас по мощности есть.
Зависимость искажений от мощности (6 Ом):

По графику видно, что после 30 Вт искажения начинают серьезно расти.
Зависимость искажений от частоты (1 Вт):

Это неприятная особенность цифровых усилителей — рост искажений с ростом частоты в слышимой области, в зоне чувствительности уха. Зато для сабвуферов самое то.
АЧХ:

Ну тут все ожидаемо ровно, завалы по 1 Дб.

Блоки питания для тестов:

Переключаемый 12-24В 4 А от мини станка и толковый 15 В 4,5 А.
От 15В усилитель работает хорошо, от 12 В нет.

На выходе у усилителя нет бездуховного цифрового шума:

Прослушивание:

Музыка разноплановая, в формате flac. Акустика 4 Ом, переварит и 200 Вт.

Больше понравилось с БП на 15 В 4,5 А, видимо, он более качественный. На 24 В, как и видно по графикам, звучание более грязное, все сваливается в кашу. С четырех омной акустикой проблем не было, хоть в документации минимум 6 Ом.
При мощности в пределах до 10 Вт — звучание усилителя проработанное, довольно детальное, басы упругие, но как показалось, более панчевые.
Звучание явного отторжения не вызывает, порой отвлекался от тестирования и начинал просто слушать музыку.
В целом, хочется отметить, действительно высокую мощность, но за это придется заплатить слышимыми искажениями. Для озвучки большого помещения или шашлыков на улице — на максимальной мощности будет самое то.
Кто ищет класс Д для ежедневного прослушивания стоит обратить внимание на TA2022 и TPA3116.

Читайте также:  Зависимость рака от питания

Спасибо за внимание! Удачных конструкций и побольше слушайте хорошей музыки.

Источник

D класс с однополярным питанием

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Вступление: принцип работы усилителей класса D и их основное достоинство — большой КПД

Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).

Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.

Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.

Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET- транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.


(упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended) , изображение из Википедии, автор — Yves-Laurent)

В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.

Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:

— транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;

— транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.

В обоих состояниях рассеиваемая транзистором мощность оказывается малой, в отличие от усилителей класса AB , где типичной является работа в режиме «большой ток и большое напряжение» на транзисторах выходного каскада.

Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).

На следующей осциллограмме приведены напряжение на выходе усилителя Д-класса (чип TDA3255) до фильтра (ШИМ) и после фильтра. Режим работы усилителя — SE (Single Ended , т.е. не мостовой):


(изображение из обзора усилителя D- класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255 )

Частота ШИМ в большинстве распространённых микросхем усилителей D- класса задаётся внутренним генератором и составляет 400 кГц — 1.2 МГц.

В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.

Основной источник потерь — «остаточное» напряжение на выходных транзисторах в открытом состоянии: оно — небольшое, но оно всё-таки существует и в сочетании с высоким током может рассеивать до 10% мощности, забираемой от источника питания (типовая величина потерь — около 5%).

Высокому КПД сопутствуют и другие достоинства усилителей класса D , вытекающие из факта высокого КПД.

Во-первых, такому усилителю требуется гораздо меньший теплоотвод, чем для усилителей класса AB. При выходной мощности до 10 Ватт, как правило, теплоотвод вообще не требуется (иногда — до 15 Ватт).

Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.

В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.

Отсутствие искажений типа «ступенька»

Кроме высокого КПД, у усилителей класса D полностью отсутствует такой недостаток усилителей класса AB , как искажения типа «ступенька».

В усилителях класса «B » такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал «зависает» на нуле:

В усилителях класса «AB» такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического «сближения» уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.

В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса «AB» этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может «звенеть» одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.

Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):


(изображение из обзора усилителя на TDA2050 )

Частота «звона» выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.

В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.

Недостатки усилителей D- класса

Итак, с «плюсами» усилителей класса D разобрались.

Пора заняться и минусами!

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).

Читайте также:  Выдача продуктов питания малоимущим

Причина этого — элементарна. Если Вы ещё раз посмотрите на схему выходного фильтра усилителя (в начале статьи), то увидите, что он представляет собой, по существу, колебательный контур.

При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.

Для сравнения рассмотрим АЧХ усилителя класса D на микросхеме TDA7498 (обзор) с резистивной нагрузкой 8 Ом; и затем — совсем без нагрузки.

АЧХ 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 (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).

Итак, АЧХ усилителя класса D с нагрузкой 8 Ом в диапазоне 10 Гц — 20 кГц:

Теперь — АЧХ того же усилителя без нагрузки в том же диапазоне (10 Гц — 20 кГц):

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

2. Коэффициент демпфирования усилителей D- класса ниже, чем у усилителей класса AB.

Коэффициент демпфирования ( Damping factor , Демпинг-фактор ) — это отношение сопротивления нагрузки (акустической системы) к выходному сопротивлению усилителя (к которому плюсуется также и сопротивление кабеля от усилителя к колонкам).

Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.

В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.

В усилителях класса D на выходах присутствуют фильтры, не участвующие в цепи обратной связи, и там коэффициент демпфирования не может быть столь большим, как в усилителях класса AB .

Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.

Омическое сопротивление фильтра — очень небольшое, менее 0.1 Ом. Но при неудачной конструкции усилителя оно может увеличиваться за счет нагрева (

0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт «саморазогрева» при протекании тока в нагрузку.

Индуктивное сопротивление (импеданс) фильтров увеличивается прямо пропорционально частоте по формуле XL = 2∏fL, где f- частота, L — индуктивность, XL — импеданс.

Например, для микросхемы TDA7498 согласно datasheet (PDF) рекомендуется устанавливать в каждое плечо мостового выхода индуктивность 22 мкГн (микрогенри); итого общая индуктивность — 44 мкГн.

Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.

Существуют и усилители D- класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.

Такое построение усилителей D- класса допускается, если мощность — не велика (обычно до 5 Ватт), а длина проводов до динамиков (колонок) — небольшая; и создаваемые радиопомехи в таком случае будут слабыми.

Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.

Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.

В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.

Итоги и выводы

Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).

С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.

Некоторый «плюс» усилителей класса Д в отношении качества звука в виде полной ликвидации искажений типа «ступенька» вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.

Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.

Окончательный итог: улучшение КПД (с перечисленными его последствиями) можно считать главным и единственным изменением в работе усилителей класса D по сравнению с «добрыми старыми» усилителями класса AB .

Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

Ваш Доктор.


Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам

В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов — в Ваших же интересах!

Источник