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.
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 D — мал, да удал
Функция звукового усилителя заключается в воспроизведении входного сигнала элементами выходной цепи, с необходимой громкостью и мощностью, точно, с минимальным рассеянием энергии и малыми искажениями. Усилитель должен обладать хорошими характеристиками в диапазоне звуковых частот, который находится в области 20–20 000 Гц (для узкополосных динамиков, таких как сабвуфер или высокочастотная головка, диапазон может быть уже). Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя — от милливатт в головных телефонах до нескольких ватт в телевизоре и персональном компьютере (ПК), десятки ватт в домашней или автомобильной стереосистеме; наконец, сотни ватт в наиболее мощных домашних или коммерческих аудиосистемах для театров и концертных залов.
Простейший вариант реализации усилителя звука — использование транзисторов в линейном режиме, что позволяет получить на выходе увеличенное входное напряжение. Усиление в данном случае обычно велико (по меньшей мере, 40 дБ). Часто используется отрицательная обратная связь, так как она улучшает качество усиления, снижая вызванные нелинейностью усилительных каскадов искажения и подавляя помехи от источника питания.
В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB. В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.
Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах.
Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток и напряжение. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.
В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).
Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные. Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует. Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.
В классе AB, являющемся компромиссом между A и B классами, постоянный ток смещения существует, однако гораздо меньший, чем в классе A. Небольшого постоянного тока смещения оказывается достаточно для устранения переходных искажений и обеспечения тем самым хорошего качества звучания. Мощность рассеяния в данном случае оказывается больше, чем в классе B, и меньше, чем в A классе, но все же количественно ближе к классу B. В этом случае, как и в классе B, необходимо управление выходными транзисторами для обеспечения больших положительных и отрицательных выходных токов.
Тем не менее, даже хорошо спроектированный усилитель класса AB характеризуется значительной мощностью рассеяния, так как средние значения выходных напряжений обычно далеки от напряжений на шинах питания. Большое падение напряжения между стоком и истоком приводит, таким образом, к рассеянию энергии.
Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение. Мгновенная мощность рассеяния в этом случае минимальна.
Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор.
Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.
Таким образом, основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Но, конечно же, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой и активно используются для построения домашних и автомобильных звуковоспроизводящих систем.
Компания Мастер Кит предлагает испытать преимущества таких усилителей. Рассмотрим некоторые усилители D-класса из ассортимента, предлагаемого в разделе Мультимедиа на сайте Мастер Кит.
- MP3116mini— усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра (TPA3116)
Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса TPA3116. Драйверы микросхемы имеют мостовое включение. Таким образом, достигается 50Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот, что делает усилитель боле удобным в применении.
Технические характеристики
Напряжение питания однополярное, В 5-24
Подключаемое сопротивление акустики, Ом 4-16
Входное сопротивление, кОм 30
Максимальный ток потребления, А 4
КПД более, % 90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц 20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт 2х50
Рабочая температура, C -40…+85
Габариты модуля (д/ш/в), мм 60х32х15
Особенности:
— широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;
— защита от превышения температуры корпуса микросхемы;
— защита от короткого замыкания в нагрузке;
— высокая частота преобразования 400 кГц-1,2 МГц, что позволяет получить качественный сигнал без применения громоздких фильтров для очистки ШИМ;
— высокий КПД более 90%;
— возможность подключения к линейному входу без предварительных усилителей и цепей согласования;
— применение замкнутой обратной связи обеспечивает отличный уровень подавления помех источников питания;
— на плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот.
- MP3116— усилитель НЧ D-класса 2х100Вт (TPA3116)
Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116, включенные в мостовом режиме. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.
Технические характеристики
Напряжение питания однополярное, В 5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом 4-16
Максимальный ток потребления, А 8
КПД более, % 90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц 20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт 2х100
Рабочая температура, C -40… 85
Габариты модуля, мм 120х80х40
- MP3116btl— усилитель НЧ D-класса 1х150Вт для сабвуфера (TPA3116)
Модуль представляет собой мощный одноканальный усилитель для сабвуфера с фильтром для среза высоких частот. Универсальное питание позволяет его использовать в качестве готового усилителя для сабвуфера в машине или дома. Устройство можно использовать в качестве усилителя сабвуфера домашнего кинотеатра. Данный усилитель НЧ обладает минимальными: коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки. Для отключения фильтра и использования устройства в качестве обычного мощного монофонического усилителя необходимо удалить конденсатор C29.
Технические характеристики
Напряжение питания однополярное, В 5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом 4-16
Максимальный ток потребления, А 6
КПД более, % 90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц 20…20000
Максимальная выходная мощность, Вт 1х150
Рабочая температура, C -40… 85
Габариты модуля, мм 73х77х20
- MP3117box— усилитель НЧ D-класс 2.1, 2х50Вт, 1×100Вт (TPA3116)
Устройство представляет собой качественный усилитель низкой частоты D-класса в DIY корпусе из прозрачного пластика. Благодаря применению отлично зарекомендовавшей себя микросхемы TPA3116 усилитель обладает минимальным коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений. Он способен работать с любыми акустическими системами сопротивлением от 4 Ом до 16 Ом. В модуле имеется выделенный канал для сабвуфера мощностью 100Вт. Усилитель мощности можно использовать как на открытом воздухе для проведения различных мероприятий, так и дома при изготовлении музыкального аудиокомплекса своими руками. Отлично подойдет для компьютерной акустики или домашнего кинотеатра. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116. Одна из них используется в стереоканале, вторая, включенная в мостовом режиме, в канале сабвуфера. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.
Технические характеристики
Напряжение питания однополярное, В 5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом 4-16
Максимальный ток потребления, А 9
КПД более, % 90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц 14…40000
Частота среза канала сабвуфера, Гц 90
Коэффициент усиления, дБ 26
Максимальная выходная мощность фронт., Вт 2×50
Максимальная выходная мощность саб., Вт 1×100
Рабочая температура, C 0…+50
Габариты модуля в корпусе, мм 65х135х110
Источник
RDC2-0020a, Усилитель НЧ класса D. TPA3116D2. 2х50Вт. — включение BTL или 100Вт. включение PBTL
Описание
Усилитель НЧ собран на микросхеме TPA3116D2.
Технические характеристики.
Мощность на нагрузке 4 Ом. при U пит. 21В. – 2 x 50 Вт. (BTL), 100 Вт. (PBTL)
Уровень сигнала на входе. — 0,8 … 2В.
Отношение сигнал/шум. — 102 dB
Коэффициент гармоник на половине мощности 25Вт. — 0,1%
Напряжение питания – 4,5 В … 26 В.
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)
В качестве предварительных усилителей рекомендуем (приобретается отдельно):
— RDC1-0034a, дифференциальный, высокопроизводительный предварительный усилитель на OPA1632
— RDC1-0048, усилитель с низким уровнем шума на NE5532
— RDC2-0058, предварительный усилитель — темброблок на ADAU1761
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.
Это открытый проект! Лицензия, под которой он распространяется – Creative Commons — Attribution — Share Alike license.
Источник