Tda8954 усилитель своими руками
СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
Тест, обзор, осциллограммы
Двухканальный усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TDA8954 класса D (2×210 W) с биполярным питанием (тест и обзор)
Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуков ой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D на основе микросхемы TDA8954 мощностью 2×210 Вт.
Сразу надо сказать, что мощность 2×210 Вт — это мощность, указанная в технических параметрах ( datasheet ) на TDA8954, но при тестировании в силу ряда причин она не была достигнута и не могла быть достигнута (эти причины будут указаны).
В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы стерео-усилителя D- класса TDA8954 , кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.
(усилитель низкой частоты на TDA8954; изображение с официального сайта AliExpress )
Усилитель (микросхема) TDA8954 — основные технические характеристики:
| Максимальная выходная мощность н а канал ( RMS ) * | 2 x 210 Вт (Uпит.=±41 В, Rн.= 4 Ом) |
| Номинальное напряжение питания | ±12.5 В . ±42.5 В (симметричное!) |
| Подавление пульсаций напряжения питания | 90 dB (100 Гц), 70 dB ( 1000 Гц) |
| Коэффициент нелинейных искажений | ( PO = 1 W) |
| Шум, приведённый ко входу | 160 мкВ (тип) |
| Усиление | 30 дБ |
| Частота ШИМ | 290 — 365 КГц |
| Минимальное сопротивление нагрузки | 3 Ом |
Примечание:
* RMS (Rated Maximum Sinusoidal) — Максимальная (предельная) синусоидальная мощность — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа без физического повреждения. Обычно именно она указывается как номинальная «приличными» производителями (а не пиковая — PMPO).
Микросхема выпускается в двух оформлениях: TDA8954TH — с двухсторонним планарным расположением выводов и TDA8954J — с односторонним расположением выводов для вертикальной установки микросхемы на плату.
Микросхема имеет встроенную защиту от перегрева и перегрузки по току.
Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA8954 указаны в техническом описании ( datasheet) TDA8954 (PDF, 430 Kb ).
Надо отметить, что указанные в таблице значения относятся именно к микросхеме TDA8954 , а не ко всему тестируемому одноплатному усилителю в целом.
1. Для питания платы нельзя подавать максимальное напряжение, указанное в таблице для входящей в её состав микросхемы TDA8954 . На плате установлены электролитические конденсаторы с номинальным напряжением 35 В, в связи с чем превышение данной величины напряжения питания — опасно. Но ещё лучше — устанавливать напряжение питания ещё немного ниже, оставляя небольшой запас с целью не доводить конденсаторы до предельных технических параметров (что вообще ни для каких радиоэлементов не рекомендуется). В тестах использовалось напряжение ± 24 В.
2. Дополнительная возможность тестируемого одноплатного усилителя: отключение выхода (колонок) в опасных ситуациях (например, при появлении постоянного потенциала на выходе) . Эта возможность обеспечена за счёт установки на плату специализированной микросхемы C1237HA и реле, отключающего выходы в таких ситуациях.
Цена на Алиэкспресс на момент составления обзора — $34.5 с учетом доставки в РФ (ссылка).
Теперь — углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.
Внешний вид и конструкция двухканального (стерео) усилителя класса D на микросхеме TDA8954
Усилитель пришел хорошо упакованным в термоусадочную плёнку и дополнительно обёрнутый в несколько слоёв «пупырки».
Так выглядел усилитель в термоусадочной плёнке:
(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)
В пакете, кроме платы усилителя, были ручка, гайка и шайба для регулятора громкости; а также кабель для подключения входного сигнала.
Никакой документации в комплекте не было, да она и не нужна: на плате всё расписано, что куда подключать.
Посмотрим на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:
На последней из фотографий при просмотре в полном размере можно различить номинал восьми больших электролитов: 1800 мкФ * 35 Вольт.
Поскольку предельное напряжение электролитов превышать нельзя, а лучше даже подавать на 10-20% меньше, то напряжение питания платы окажется значительно меньше предельно-допустимого для TDA8954 ( ±42.5 В ) .
А из этого далее следует, что в той конфигурации, в которой собрана плата, предельную мощность (согласно документации на микросхему) «выжать» не удастся: не будет достигнут предел ни по напряжению на выходе, ни по току.
Вид на плату спереди:
Здесь, кроме регулятора громкости, расположен разъём для кабеля входного сигнала и светодиод, индицирующий факт подачи питания.
Вид на плату сзади:
Здесь расположены клеммники для подачи питания и подключения колонок, диодный мост для выпрямления напряжения питания (если подано прямо с трансформатора), ещё один светодиод индикации включения (работа описана далее), реле защиты колонок, конденсаторы и индуктивности фильтров.
Прямая красная линия внизу проведена для того, чтобы можно было оценить изгиб платы.
Он возникает из-за того, что радиатор микросхемы очень сильно прижат к плате своими креплениями, расположенными по углам радиатора. Впрочем, на функционировании платы её изгиб никак не сказался.
Обратная сторона платы:
Обратная сторона платы почти полностью покрыта слоем металлизации, соединённым с «землёй» — это очень полезно для защиты от помех. Поверх металлизации нанесён слой лака — это тоже очень хорошо.
Также видны четыре стойки-распорки, которыми радиатор микросхемы прижат к плате.
В следующей главе разберём, что к чему и зачем на этой плате усилителя.
Схемотехника двухканального (стерео) усилителя D-класса на микросхеме TDA8954
Для анализа схемотехники посмотрим на плату сверху и пометим основные элементы цифровыми обозначениями:
Теперь — пробежимся по основным элементам платы.
1 — Радиатор, под которым расположена микросхема усилителя — TDA8954 .
2 — Блокировочные электролиты по питанию (8 шт.). Одновременно они выполняют роль сглаживающих конденсаторов выпрямителя, если усилитель будет питаться напрямую от сетевого трансформатора.
3 — Дроссели выходных LC- фильтров. Номинал — 22 мкГн, что точно соответствует рекомендациям в описании (datasheet) на чип TDA8954 для нагрузки 4-8 Ом (но испытывать усилитель будем на нагрузке 3 Ом).
4 — Конденсаторы выходных LC и RC- фильтров.
5 — Микросхема защиты нагрузки (колонок). Тип микросхемы — C1237HA.
6 — Реле защиты нагрузки.
7 — Разъём для кабеля входного сигнала.
8 — Регулятор громкости.
9 — Светодиоды индикации включения. Светодиод на передней стороне индицирует только факт подачи питания; а светодиод на задней стороне платы включается, когда подано напряжение на реле и, тем самым, нагрузка подключена к усилителю. Задержка подключения нагрузки относительно подачи питания составляет около 5 с.
10 — Выпрямительный мост KBU1010 ( 10 А, 1000 В). Диоды — обычные, не Шоттки (а зря!).
11 — Клеммник подачи питания, рассчитан на подключение вторичной обмотки трансформатора со средней точкой.
12 — Клеммник для подключения нагрузки (колонок).
Качество схемотехники и монтажа можно признать хорошим, близким к идеальному.
Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA8954
При измерениях использовались: двухполярный блок питания ±24 В мощностью 300 Вт (обзор), генератор FY6800 (обзор), цифровой осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).
При испытаниях на максимальную синусоидальную мощность нагружался только один канал.
Напряжение питания ±24 В подавалось на штатный клеммник для подачи питания; после прохождени диодного моста напряжение составляло ±23.2 В (с небольшими изменениями при разных видах и уровнях сигнала).
Далее — серия последовательных экспериментов с подачей сигналов различного вида на линейный вход платы.
Сопротивление нагрузки при испытаниях составляло 3 Ом (два резистора по 6 Ом, включенных параллельно, мощность каждого — 100 Вт, установлены на радиаторе).
Первая осциллограмма — напряжение на выходе усилителя до фильтра (желтая линия) и после фильтра (синяя линия) при нулевом уровне сигнала:
Здесь надо обратить внимание, что установлена разная чувствительность осциллографа для сигналов до фильтра и после. До фильтра — 10 В /дел. (желтая), после фильтра — 2 В /делю (синяя). Так что на самом деле пульсации не такие большие, как кажутся.
Окончательно пульсации фильтруются звуковыми катушками динамиков.
Теперь — то же самое, но с синусоидальным сигналом 20 кГц:
Здесь видна работа «классической» широтно-импульсной модуляции (ШИМ); а также заметно смещение сигнала по фазе относительно ШИМ из-за работы выходных фильтров.
Теперь переходим к замерам мощности на нагрузке и качеству передачи формы сигнала.
Начинаем с самого простого: синус на частоте 1 кГц.
Максимальная амплитуда на грани отсечки (клиппинга) составила 20.8 В:
Соответственно, выходная синусоидальная мощность составила 72.1 Ватта.
Несмотря на высокий КПД усилителей класса D , нагрев радиатора был существенным. Его температура, измеренная инфракрасным термометром Benetech GM531 , составила +52 градуса.
Температура диодного моста составила +70 градусов. Мораль: если усилитель питается не напрямую от трансформатора, а уже выпрямленным напряжением, то его лучше подключить, минуя диодный мост (внимание — строго следим за полярностью!).
Если же усилитель питается непосредственно от вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки, то полезно будет заменить диодный мост из «обычных» диодов на мост из диодов Шоттки (падение напряжения на диодах примерно в 4 раза ниже). Но выпаять имеющийся мост будет очень непросто.
Ещё один вариант подачи питания («гибридный») — установить внешний выпрямительный мост из диодов Шоттки, а уже после него питание к усилителю подключить, минуя собственный мост усилителя (внимание — строго следим за полярностью!).
Кстати, температура радиатора микросхемы с нулевым сигналом или тихой музыкой составляла 33-35 градусов при температуре окружающей среды 21 градус.
Следующая картинка — синус на частоте 10 кГц:
Сигнал очень похож на синус с небольшой «бахромой» недофильтрованных пульсаций.
При дальнейшем увеличении уровня сигнала на этой частоте наступает ограничение (клиппинг), но из-за влияния фильтров оно выглядит не как плоская вершина, а как наклонная плоскость с плавными скруглениями по краям:
Если поднять частоту ещё выше (до 20 кГц), то уже не удаётся развить на нагрузке такую же максимальную амплитуду, как на частоте 1 кГц.
Падение амплитуды из-за реактивного сопротивления фильтра становится уже заметным.
Максимальная амплитуда на частоте 20 кГц получается только на уровне 16.6 В:
При попытке ещё больше повысить уровень сигнала наступает ограничение (клиппинг), форма которого получается плавной из-за влияния фильтра:
В связи с этим, хотя и можно отметить падение мощности на высоких частотах, но практического значения это иметь не будет: в реальной музыке доля мощности на частоте свыше 10 кГц крайне мала. Ухом эти звуки различимы, но усилитель серьёзно не нагружают.
«Помучаем» теперь усилитель другими видами сигналов.
Прямоугольник (F= 5 кГц), уровень на грани клиппинга:
Фронт прямоугольного сигнала в увеличенном виде (4 мкс/деление):
Уже по традиции придётся упомянуть фильтр, «заваливающий» крутые фронты.
Далее — треугольник и пила (прямая и обратная), 2 кГц, амплитуда на грани клиппинга:
К артина по всем видам сигналов — вполне благопристойная (за исключением тех мест, где вершины сигнала подошли к клиппингу, но эти искажения — законны).
Теперь — коротко о других свойствах усилителя.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя — довольно ровная.
Для её снятия пришлось применить экзотический метод: снять её на осциллографе, подав на усилитель сигнал с нарастающей частотой от 10 Гц до 20 кГц. Есть, конечно, и менее экзотические методы, например с помощью программы RMAA ; но такой способ мне показался проще, благо необходимая аппаратура наличествует и позволяет выполнить такой метод.
Снятие характеристики проводилось при трёх значениях сопротивления нагрузки: 3 Ом, 8 Ом и без нагрузки.
Цель такого измерения — оценить влияние выходных фильтров на АЧХ при разных нагрузках.
Вот что показал осциллограф, нагрузка 3 Ом:
АЧХ при нагрузке 8 Ом:
АЧХ без нагрузки:
Рамкой на каждой картинке обведён один цикл прохождения частот 10 Гц — 20 кГц (далее начинался повтор).
В стандартном звуковом диапазоне 20 Гц — 20 кГц всё хорошо и вполне укладывается в рамках 3 дБ.
Теперь — вопрос: кто виноват в росте и падении сигнала на высоких частотах при разных нагрузках?
Как в падении сигнала на высоких частотах (на нагрузке 3 Ом), так и в подъёме сигнала (на нагрузке 8 Ом и без нагрузки), видимо, уже понятно, кто виноват: ну, конечно же, фильтр!
При нагрузке 3 Ом сигнал гасится из-за его падения на реактивном сопротивлении индуктивности фильтра.
При нагрузке 8 Ом и без нагрузки — наоборот, LC- фильтр уже начинает работать как колебательный контур, и сигнал не гасится, а «разгоняется».
При нагрузке 3 Ом эффект «разгона» сигнала не наблюдается из-за того, что малое сопротивление нагрузки сильно подавляет добротность колебательного контура.
Шум у усилителя — присутствует, но очень слаб. При нулевом сигнале и регуляторе громкости в минимальном положении из динамиков был слышен небольшой шум, но только в том случае, если ухо вплотную приблизить к колонкам. Да и то, едва слышен.
Коэффициент усиления при установке регулятора громкости в максимальное положение составил около 25, что соответствует характеристикам микросхемы TDA8954 .
Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA8954
Протестированный усилитель показал себя с хорошей стороны; но при этом надо учитывать его особенности, из-за которых будет проблематичным «выжать» из него максимальную мощность, указанную в характеристиках ( datasheet) .
Главная из этих особенностей — это наличие на плате электролитических конденсаторов на напряжение всего лишь в 35 Вольт. Теоретически, конечно, это напряжение может иметь некоторый запас, но практически лучше не пытаться им пользоваться: из-за нагрева и старения этот запас может снизиться, и тогда «бабах!» получится знатным. 🙂
А лучше, даже и до этого напряжения не доводить, а ограничиться напряжением в 30-32 В.
Соответственно, расчетная мощность на выходе при питании 32 В (напряжение после диодного моста) составит 137 Вт на нагрузке 3 Ом. Практически это проверить не было возможности в связи с отсутствием подходящего двухполярного источника питания.
Это, конечно, не те 210 Вт, которые заявил продавец платы на Алиэкспресс, но тоже очень неплохо!
Если нагрузка — выше 3 Ом (например, 4 Ом — типовой случай), то мощность пропорционально уменьшится.
Теоретически возможна модернизация платы с заменой электролитов на более высоковольтные и установкой диодного моста с диодами Шоттки вместо обычных диодов, но практически это выполнить довольно сложно (зависит от квалификации монтажника).
Далее перечислим конкретно его достоинства и недостатки.
— возможность питания от двухполярного источника питания или напрямую от трансформатора с отводом от средней точки вторичной обмотки (какой из способов будет более удобен пользователю);
— высокое качество звучания, хорошая амплитудно-частотная характеристика;
— низкий уровень шума;
— малое потребление в состоянии покоя;
— высокий КПД, возможность работы без дополнительного теплоотвода при воспроизведении музыки;
— удобство подключения и монтажа в какой-либо конструкции;
— малые габариты и вес всей платы в сборе.
— усилитель не позволяет работать с максимальным напряжением питания, допустимым для TDA8954 ; в результате отдаваемая мощность получается ниже заявленной;
— отсутствие эквалайзера или регулятора тембра.
— радиолюбительские конструкции с большой мощностью выходного звукового сигнала;
— ремонт звуковоспроизводящей аппаратуры;
— переделка пассивных колонок в активные.
Итоговая оценка — отлично (с перечисленными в разделе «недостатки» оговорками).
Диагноз: усилитель высокого класса, подходящий для большинства бытовых применений.
Где купить: например, у этого продавца на AliExpress . Если у другого продавца этот же усилитель будет стоить дешевле, то тоже можно брать (товар одинаковый, но следите за стоимостью доставки!).
Обзоры других усилителей класса D — здесь.
Обзоры усилителей класса AB — здесь.
Весь раздел «Сделай сам! ( DIY) » — здесь.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru 
Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Искренне Ваш,
Доктор
16 ноября 2020 г.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Источник