В данной статье речь пойдёт об усилителе класса D на базе микросхемы TPA3255 от Texas Instruments.Усилитель выполнен по схеме параллельно-мостового подключения (PBTL) для получения максимальной мощности. Рассмотрим его со всех сторон.
На передней панели — кнопка включения питания, Reset, балансный вход для подключения звуковой карты, небалансный вход для смартфона либо другого источника чувствительностью 0.1 Вольт с предусилителем Кус=10 и регулировкой громкости, переключатель входов. Кнопка принудительного включения охлаждения, индикаторы включения кулера, тепловой перегрузки и аварийного режима работы.
В основу данного проекта легла статья Усилитель звукового сигнала мощностью 600 Вт / Хабр. Рассмотрим некоторые важные моменты. В первую очередь нужно отметить, что автор изменил схему коммутации выходов микросхемы. Так выглядит схема в даташите
Так выглядит схема автора
На каждом выходе установлена индуктивность. Я оставил так, как у автора, полагая, что такое решение более правильное — лучшая фильтрация несущей частоты и меньший нагрев индуктивностей.
Далее автор утверждает, что напряжение питания в его проекте 53.5 Вольт. Эта цифра стоила мне 4-ех микросхем — после нескольких включений загорался красный светодиод аварийного режима работы. Микросхема просто сгорала.
И если мы посмотрим в даташит, то увидим, что напряжение 53.5 Вольт для нагрузки 4 Ом — это максимальное напряжение, а типичное 51. При напряжении 51 Вольт усилитель поработал чуть подольше, далее — те же симптомы гибели чипа. То есть опытным путём установлено, что для нагрузки 4 Ом напряжение питания усилителя выше 50 вольт подавать нельзя. Сейчас у меня выставлено 50 вольт — третья неделя полёт нормальный.
Схема управления вентилятором охлаждения чипа была изменена мною таким образом, чтобы скорость вращения была пропорциональна температуре нагрева. Вот схема автора
Вот моя схема
Теперь о входных сигналах. В исходной схеме балансный вход соединён с выходом предусилителя небалансного входа.
И получается такая картина — сигнал балансного входа смешивается с выходом предусилителя небалансного входа, что приводит к ослаблению сигнала в два раза (на слух) и появляются сильные искажения. Поэтому я вставил в схему переключатель входов, и убрал защитные двунаправленные диоды для уменьшения влияния на сигналах
И последнее изменение — силовая и сигнальная земли разделены сопротивлением 1.5 Ом.
Печатную плату с учётом всех изменений я сделал в Sprint Layout. Для платы применён стеклотекстолит FR-4 c толщиной медного слоя 2 oz.
Измерения характеристик усилителя с помощью программы RMAA.
Звуковая карта Focusrite Scarlett 2i2 3Gen. Эквивалент нагрузки — набор из 10 сопротивлений 39 Ом, общее сопротивление 3.94 Ом. Делитель напряжения (слева направо) 1.5 кОм и два по 100 Ом.Сигнал с выхода усилителя подаётся на вход звуковой карты через трансформатор на пермаллоевом сердечнике, так как прямое соединение приводит к срабатыванию защиты чипа.
Смею предположить, что результаты могли быть значительно лучше — здесь нужно учитывать влияние разделительного трансформатора.
Измеренная максимальная мощность составила 107 Вт. Измерения проводились после часового прогрева синусоидой 1 кГц при выходном напряжении 10 Вольт.
Более полный обзор с прослушиванием можно посмотреть здесь.
Комментарии (25)
AVX
02.01.2025 10:32Как я понял, тут 50В однополярное питание? А бывают ли микросхемы до 80В? (Или хотя бы 70). У меня остался корпус с питанием от самодельного усилка 2 канала по 2xTDA7294 (мост), который спалили в весьма жëсткой эксплуатации, но питание в порядке. Там 2х35В примерно (зависит и от входного, ибо трансформаторы обычные, не импульсный). В голове держу мысль когда-то поставить внутрь что-то из D класса. Старых добрых 7294 уже не найти нормальных - одни подделки кругом. В идеале хочу что-то близкое к 2х180-200Вт на нагрузке 6 Ом, но с возможностью подключать 4Омные тоже (пусть и с какими-то переключателями).
dmandrakov Автор
02.01.2025 10:32Да, питание однополярное. В вашем случае могу посоветовать TDA8954.
nixtonixto
02.01.2025 10:32Если трансформатор не импульсный, то 2х35 легко превращаются в 1х35 удвоенного тока. А на 35 В могу порекомендовать TPA3255.
7293 нормальные есть, только не ищите на Али за доллар.
AVX
02.01.2025 10:32Насколько будет критично, если разброс питания есть? Например, +35 и -36,5В переделаю в 1х35 - эти ведь лишние 1,5-2 вольт на больших токах будут на одном из трансформаторов рассеиваться и наверное ощутимо? (у меня два почти одинаковых трансформатора, разброс из-за того, что они перемотанные вручную (вторички), и не совсем одинаково получилось). Я уже точно не помню цифры, сколько именно разброс, но помню что он есть.
nixtonixto
02.01.2025 10:32D-классу вообще не критично, это по своей сути понижающий преобразователь напряжения, использующий в качестве референсного напряжения входной сигнал. Лишь бы в паузе напряжение не превысило абсолютный максимум. С 2 трансформаторами наверное лучше один подключить на боковые каналы а второй - на сабвуфер. Иначе один из трансформаторов будет работать под бОльшей нагрузкой, хотя при разнице 1,5 В должно быть несущественно.
placidity_master
02.01.2025 10:32Старых добрых 7294 уже не найти
https://www.promelec.ru/product/94365/
7293 лучше чем 7294
zatim
02.01.2025 10:32Для 100 Вт 4 Ом достаточно питания 30 В. 50 В - сильно избыточно и, как вы сами пишете, часто ведет к выходу микросхемы из строя.
dmandrakov Автор
02.01.2025 10:32Цель проекта - не 100 Вт, а максимально возможная. Для УМЗЧ чем выше напряжение питания - тем меньший уровень искажений, помимо максимальной мощности.
arthuru1
02.01.2025 10:32Как определили максимальную мощность? Для разделения вместо транса лучше юсб опторазвязку развязать карту и комп
dmandrakov Автор
02.01.2025 10:32Если посмотрите видеообзор - там всё детально показано. Сигнал - синусоида 1 кГц, повышал уровень до срабатывания защиты на предварительно прогретом усилителе.
trikot
02.01.2025 10:32Не вижу защиту нагрузки.
checkpoint
02.01.2025 10:32Прежде всего я бы посмотрел какую мощность прибор отбирает у блока питания и прикинул бы эффективность. Если эффективность прибора ниже 90% (класс D), то стоит поискать куда и почему рассеивается остаток мощности. Проверьте индукторы и снаберные цепочки, есть ли на них нагрев. Возможно что выбранные Вами компоненты не подходят для частоты 600кГц и при такой частоте существенная часть мощности уходит на подогрев платы и, как следствие, на подогрев микросхемы усилителя, что приводит к снижению выходной мощности (микросхема умная, сама себя ограничивает).
dmandrakov Автор
02.01.2025 10:32Там в видео показан ваттметр с цифрами, во второй части я обязательно на это внимание обращу. КПД получается 63 %
checkpoint
02.01.2025 10:3263% это совсем плохо. Ищите элементы которые нагреваются и разбирайтесь почему. Ну судя по всему, частота ШИМ слишком высокая. Либо уменьшайте частоту, либо пересчитывайте индуктивности и снаберные цепочки. По даташиту на микруху КПД - 90%, достичь его скорее всего будет не реально, но 88% - вполне достижимо.
dmandrakov Автор
02.01.2025 10:32Здесь помимо мощности цель - максимальное качество звучания. Мне очень нравится, как он звучит на частоте 600 кГц. Я снижал частоту PWM и особого прироста в мощности не наблюдал.
checkpoint
02.01.2025 10:32А прирост в эффективности ? Вы частотой 600кГц греете всю пассивку. Пассивку нужно перерасчитать под заданную частоту.
Enta
02.01.2025 10:32Добрый день, спасибо за статью.
Вопрос: как изменить схему чтоб ограничить максимальную мощность на 10-15Вт на канал при минимальных искажениях?
placidity_master
02.01.2025 10:32я правильно понимаю, что у схемы управления вентилятором, отсутствует "пороговое" срабатывание, т.е. возможен тот случай, когда ток через вентилятор уже начал течь, но его ещё не хватает чтоб преодолеть сопротивление и тронутся с места, и в итоге вентилятор "пытается" крутиться, стоит на месте и жарит обмотки ?
.
И если можно второй вопрос: я правильно понимаю что у Вас в роли нагрузки проволочные резисторы с дико большой паразитной индуктивностью, она никак не измерена, и не понятно как подмешивает и портит замер ?
.
Почему используется трансформатор на выходе, а не резистивный делитель (с особо низкой паразитной индуктивностью) , подключённый к другой юсб звуковой карте работающей от ноутбка на аккумуляторе для гальванической изоляции ?
,
Я правильно понимаю что отсутствуют пассивные термопредохранители защищающие от пожара в случае отказа активных защит по температуре?
juramehanik
А что это даст в данном случае и есть ли результаты измерений до и после введения этого сопротивления?
dmandrakov Автор
Снижение фона - вот для чего разделяют силовую и сигнальную земли. Результатов до и после нет, да и не вижу особого смысла, разве что поставить номинал побольше и сравнить.
legustarasov
Не совсем понял зачем разделять силовую и сигнальную земли резистором. По идее, шумов только больше должно стать от этого - будет возникать падение напряжения на этом резисторе и оно будет практически случайным т.к. ток по сигнальной земле имеет пульсацию. Для снижения шумов сигнальную и цифровую земли соединяют максимально близко к выходному разъему просто перемычкой из проводника. Резистор, особенно расположенный в топологически неправильном месте только усугубит пробоему