Апгрейд усилителя в колонках: выбор микросхем и расчёт питания

13 февраля 2005, воскресенье 15:16
для раздела Блоги
Хочу поделиться некоторыми своими изысканиями на тему, дабы вы могли сэкономить своё время и легко прикинуть, что и как. Что покупать и как делать

Первым делом необходимо определиться, какого качества усилитель вам необходим. Если вы желаете аппарат с претензией на high-end, то дальше можете не читать, потому что без серьёзных знаний сделать сами вы его всё равно не сможете, а владеющие необходимым знанием не нуждаются в моих наставлениях

Итак, речь пойдёт о сугубо прагматичном, в меру музыкальном усилителе на интегральных микросхемах, который может собрать любой энтузиаст, умеющий держать в руках паяльник. Допустим, вас не устраивает усилитель ваших любимых мультимедийных колонок класса SOLO-X и вы хотите его "проапгрейдить". Для начала давайте оценим качество штатного усилителя мощности. Чаще всего он основан на двухканальной микросхеме TDA7265, могущей «похвастать» следующими характеристиками:
•диапазон питающих напряжений от 10 (+-5) до +-25 В
•кратковременная (музыкальная) мощность до 32 Вт на канал
•номинальная выходная мощность 2х20 Вт при коэффициенте гармоник 1%
•коэффициент гармоник при выходной мощности 1 Вт на частоте 1 кГц 0.02% при нагрузке 4 Ом
•скорость нарастания выходного сигнала 10 В/мкс
•внутреннее ограничение тока 4.5 А
•взаимопроникновение каналов -60 дБ на частоте 10 кГц
•входное сопротивление 20 кОм

На первый взгляд не самые плохие показатели, однако главное разочарование ждёт нас на графиках искажений (смотрите в даташитах на сайте производителя - www.st.com). Коэффициент гармоник на частоте 15 кГц при сопротивлении нагрузки 4 Ома не опускается ниже 0.2 % и непринуждённо пересекает планку в 1% при мощностях более 17 Вт на канал, тогда как искажения на средних и низких частотах при этом не превышают 0.1%. На нагрузке 8 Ом картинка на порядок более презентабельная: искажения на частоте 15 кГц при мощностях менее 17 Вт на канал не превышают 0.2%, а на частоте 1 кГц и того меньше, не более 0.05%. Таким образом, микросхема очень «не жалует» большие токи, отзываясь на уменьшение сопротивления нагрузки резким повышением искажений, и её применение для динамиков с импендансом менее 8 Ом не выглядит рациональным. Кроме того, её «быстродействие» не слишком велико и выразительность высоких частот оставляет желать лучшего. Решение трибунала обжалованию не подлежит: менять.

Особенно актуально вопрос замены усилителя должен стоять у владельцев продукции Microlab SOLO MK2, поскольку новые динамики имеют импенданс 4 Ом вместо 6 в прежних моделях.
Для устранения этого безобразия я бы посоветовал им перепаять кроссовер(поменять полярность на одном из динамиков).


Внимательное изучение ассортимента усилителей мощности STMicroelectronics выявило наличие отсутствия достойных внимания кандидатур. Лишь пара микросхем (почти ничем не отличающихся) имеет низкий уровень искажений, однако производитель не стал приводить никаких графиков, почему-то ограничившись скупыми цифрами. Вот что известно по поводу характеристик TDA7295 (7296).

•диапазон питающих напряжений от +-10 до +-40 (35) В
•кратковременная (музыкальная) мощность до 80 (60) Вт
•выходная мощность 50 (30) Вт при коэффициенте гармоник 0.5%
•коэффициент гармоник при выходной мощности 5 Вт и частоте 1 кГц 0.01% на нагрузке 4 Ом
•коэффициент гармоник в диапазоне частот 20 – 20000 Гц и мощности до 30 (20) Вт не более 0.1%
•скорость нарастания выходного сигнала 10 В/мкс
•входное сопротивление 100 кОм

Поскольку графиков в описании нет, хочу особо заострить внимание на допустимых напряжениях питания данных микросхем. Для нагрузки 4 Ом напряжение вторичной обмотки трансформатора при нестабилизированном питании не должно превышать +-18 (22) В, для 6 Ом +-21 (26) В, для 8 Ом +-24 (30) В. Первые значения относятся к TDA7296, цифры в скобках – к TDA7295. Превышение этих напряжений чревато для первой выходом из строя, а для TDA7295 заявлено внутреннее ограничение тока. Судя по всему, TDA7296 это просто отбраковка от TDA7295.

Соответственно, применение более мощной микросхемы оказывается ещё и более безопасным, однако не следует забывать о том, что у них обоих металлическое основание корпуса соединено с минусом питания, в связи с чем требуется электрическая изоляция микросхемы от радиатора.

Получить более качественный звук позволяет отдельное питание выходных каскадов, реализованное в этих микросхемах, однако какие бы низкие значения искажений не показывали эти усилители, один недостаток у них остаётся – слабое быстродействие. Звуку не будет хватать живости, что наглядно демонстрируют Defender Volcano-1, в которых применены TDA7296.

Значительно более «вкусной» выглядит продукция National Semiconductor, хотя и у неё не так уж много достойных кандидатур на место в наших любимых колонках. Начну с классики – LM3886.

Выпускается в двух вариантах: с минусом питания на корпусе (LM3886T) и с изолированным корпусом (LM3886TF). В первом случае при использовании двуполярного питания очень желательно озаботиться электрической изоляцией микросхемы от радиатора.

•диапазон питающих напряжений от 18 (+-9) до +-42 В
•номинальная выходная мощность более 80 Вт при коэффициенте гармоник менее 0.1%
•пиковая выходная мощность до 135 Вт
•внутреннее ограничение тока 7…11.5 А
•коэффициент гармоник на мощности 60 Вт не более 0.03%
•интермодуляционные искажения не более 0.01%
•скорость нарастания выходного сигнала 8…19 В/мкс
•полоса усиления 2…8 МГц
•соотношение сигнал/шум до 110 дБ

Как видите, эта микросхема обладает очень хорошими параметрами. На графиках мы видим минимальные уровни искажений даже при сопротивлении нагрузки 4 Ом и выходной мощности в 60 Вт. Отличительной особенность всех усилителей от National является рост искажений с уменьшением мощности, что, скорее всего, связано с методикой измерения величны искажений (приводится полное значение THD+N). Правда связь между уровнем шума и выходной мощностью лично для меня не очевидна. Как бы то ни было, судя по данным производителя, микросхемы серии LM показывают наименьший уровень искажений при номинальной мощности. Разумеется, чем больше сопротивление нагрузки, тем ниже уровень искажений.

Выходная мощность этой микросхемы просто потрясает, она ограничена лишь тепловыделением (кстати, с ростом сопротивления нагрузки тепловыделение заметно уменьшается.), но не ростом искажений. Безопасный для выходных транзисторов долговременный ток позволяет получить выходные мощности более 80 Вт, а внутреннее ограничение тока (не менее 7 А) стоит на страже здоровья микросхемы при низком сопротивлении нагрузки. Применение мостового включения этих микросхем видится мне нецелесообразным.

Другой очень интересной микросхемой National, достойной на мой взгляд самого пристального внимания, является двухканальная LM4732. Это очень современная разработка (даже корпус не такой, как у предыдущих микросхем), и её пока не замечено в розничной продаже. Диапазон рабочих температур составляет от -40 до +150 градусов, рассеиваемая мощность может достигать 125 Вт, а о безопасных токах производитель даже не напоминает!

•диапазон питающих напряжений от 18 (+-9) до +-40 В
•номинальная выходная мощность 2х50 Вт
•коэффициент гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 4 Ом менее 0.02%
•коэффициент гармоник на частоте 1 кГц и нагрузке 8 Ом менее 0.01%
•скорость нарастания выходного сигнала 19 В/мкс
•взаимопроникновение каналов -70 дБ на частоте 1 кГц

Уровень искажений во всём диапазоне частот не превышает 0.04% при нагрузке 8 Ом и 0.07% при нагрузке 4 Ом, причём рост искажений на высоких частотах по сравнению с другими микросхемами незначителен. Однако не в этом главная прелесть LM4732; производитель даёт благословение на любые эксперименты, начиная от инвертирующего включения без дополнительных буферных ОУ и заканчивая параллельным соединением любого количества усилителей!

При сопротивлении нагрузки 8 Ом предлагается использовать мостовое включение, а при 4 и меньше – параллельное. Самое интересное, что в обоих случаях существенно снижаются нелинейные искажения: в звуковом диапазоне частот они не превышают 0.03% при отдаваемой в нагрузку мощности более 70 Вт, а при коэффициенте гармоник 10% микросхема отдаёт более 150 Вт! Она отличается высоким КПД: при выходной мощности 2х40 Вт рассеиваемая мощность составляет всего 50 Вт, что и позволяет получать полезную мощность более 150 Вт при мостовом и параллельном включении.

Учитывая не идеальное разделение каналов в двухканальной микросхеме, применение мостового и параллельного включения видится мне наилучшим вариантом. Ломаете голову, какой применить усилитель для сабвуфера с сопротивлением динамиков 2 Ом? Одну LM4732 в параллельном включении!

Кроме того, производитель приводит пример правильно разведённой печатной платы, что значительно облегчает создание качественного усилителя на этой микросхеме. Единственным её недостатком является существенно меньшее безразличие к пульсациям напряжения питания, поэтому лучше всего применить стабилизированное питание, или просто мощный трансформатор с конденсаторами большой ёмкости. Напоминаю, что корпус микросхемы не изолирован и следует соблюдать особую осторожность, чтобы не закоротить его на землю.

У этой микросхемы есть двойник в лице LM4780, обеспечивающий ещё большие мощности. Кроме того, для него декларируются некоторые параметры, опущенные в спецификациях на LM4732, а также приводятся необходимые характеристики при нагрузке 6 Ом.

•диапазон питающих напряжений от 18 (+-9) до +-42 В
•номинальная выходная мощность 2х60 Вт
•внутреннее ограничение тока 11.5 … 7 А
•коэффициент гармоник при нагрузке 4 Ом менее 0.07%
•коэффициент гармоник при нагрузке 6 Ом менее 0.05%
•коэффициент гармоник при нагрузке 8 Ом менее 0.03%
•интермодуляционные искажения не более 0.01%
•скорость нарастания выходного сигнала 8 … 19 В/мкс
•полоса усиления 2 … 8 МГц
•взаимопроникновение каналов -70 дБ на частоте 1 кГц
•соотношение сигнал/шум до 114 дБ

Микросхема способна выдавать до 100 Вт на канал с искажениями 10%, но укротить эту ужасающую мощность будет непросто - корпус микросхемы не изолирован, поэтому на радиаторах будет минус питания и есть приличная вероятность его замыкания на землю. Устраните эту возможность, и вам покорятся мощности более 150 Вт при мостовом и параллельном включении LM4780.

Ну а самой доступной и удобной для необременённого деньгами модернизатора является двухканальная LM1876. Как и LM3886, выпускается с изолированным корпусом (LM1876TF) и с минусом питания на теплоотводящей пластине (литера T). При выборе не следует забывать, что варианты с неизолированным корпусом обеспечивают намного лучший теплоотвод.

•диапазон питающих напряжений от +-10 до +-32 В
•номинальная выходная мощность 2х20 Вт при коэффициенте гармоник менее 0.1%
•внутреннее ограничение тока 2.9 … 3.5 А
•коэффициент гармоник в диапазоне частот 20 – 20000 Гц не более 0.07%
•скорость нарастания выходного сигнала 12…18 В/мкс
•полоса усиления 5 … 7.5 МГц
•взаимопроникновение каналов -80 дБ на частоте 1 кГц
•соотношение сигнал/шум до 108 дБ

Кратковременная мощность при нагрузке 8 Ом может достигать 50 Вт на канал, однако из-за внутреннего ограничения тока микросхема способна выдать не более 40 Вт на нагрузке 6 Ом и не более 33 Вт на нагрузке 4 Ом. Впрочем, для усилителя мультимедийной акустики больше и не нужно. При нагрузке 4 Ом производитель не рекомендует увеличивать напряжение питания выше +-20 В, поскольку это не приводит к увеличению выходной мощности, а лишь увеличивает нагрев.

Очень удобно, что производитель указывает важные параметры и для весьма модных в недорогой акустике 6 Ом. С искажениями менее 0.1% во всём диапазоне частот микросхема способна выдавать до 23 Вт на канал при нагрузке 4 Ом и более 30 в случае большего сопротивления. На максимальной выходной мощности микросхема рассеивает чуть более 40 Вт тепла, то есть является весьма экономичной. Правда график безопасных токов слегка обескураживает: при напряжении +-20 В допустимый долговременный ток составляет всего 2 А, а это значит, что вышеприведённые цифры мощности следует воспринимать как пиковые. Ну что ж, сотрясать здания нужно не всем, а запас по неискажённой мощности тоже не помешает. Кстати, отсюда же следует, что лучше избегать низкоимпендансной нагрузки, 4 Ом – нижний предел.

Приятно, что искажения при нагрузке 4 Ом не намного больше, чем на 8-миомной: на частоте 1 кГц 0.01% против 0.007%, а на частоте 20 кГц и того пуще, всего 0.07% на любой нагрузке! На мой взгляд, эта микросхема является наилучшим кандидатом на место встроенного усилителя в Defender SPK-710/720 и Microlab серии SOLO: быстрая (скорость нарастания), качественная (очень низкие искажения на высоких частотах), в меру мощная (динамики не спалит), экономичная (не будет сильно греться), да ещё и двухканальная с неплохими показателями взаимопроникновения. Не зря JetBalance использует именно её. Решено, мне она тоже подходит, но какой нужен трансформатор и прочие элементы источника питания? Посчитаем вместе на примере Defender Mercury 50a.

Владельцам SOLO-2 mk2 (импенданс менее 4 Ом на частоте 2.5 кГц) возможно придётся подобрать себе другую микросхему, чтобы получить приличную громкость без искажений.

Главный параметр, который необходимо знать для расчётов – импенданс акустической системы. Для Defender Mercury и Microlab SOLO первого варианта это 6 Ом, что вполне подходит для LM1876. По графику зависимости выходной мощности от сопротивления нагрузки прикидываем, какое напряжение питания безопасно для микросхемы. При сопротивлении нагрузки 6 Ом безопасны напряжения до +-25 В, позволяющие микросхеме выдать неискажёнными до 30 Вт на канал, однако это явный перебор в нашем случае. Попробуем прикинуть, на что можно рассчитывать со штатным трансформатором.

В SPK-720 используется трансформатор с двумя вторичными обмотками по 15 В, рассчитанных на ток до 1.5 А. Напряжение на конденсаторах после выпрямителя подрастает примерно на 20%; по графику зависимости выходной мощности от напряжения питания определяем, что неискажённая мощность при +- 18 В достигает 15 Вт. По формуле Ток = Корень( 2*Мощность/Сопротивление ) находим, что пиковый ток при такой мощности может достигать 2.2 А (и это на один канал!), тогда как трансформатор рассчитан лишь на 1.5 А. Этого явно не достаточно, трансформатор тоже придётся менять. Какой выбрать?

Мощность трансформатора можно грубо подсчитать как сумму выходной и рассеиваемой мощностей усилителя. В нашем случае необходим трансформатор мощностью не менее 2*15 + 30 = 60 Вт. Открываем список доступных вариантов, например прайс Чип-Дип и видим, что на 60 Вт у компании ТОР нет трансформаторов с напряжением на вторичных обмотках 15 В, но есть варианты 2х18 В. С таким трансформатором после выпрямления мы получим уже 21 В, что на нагрузке 6 Ом обеспечит мощность более 20 Вт на канал. Однако и пиковый ток потребления при этом увеличивается до 2.6 А на канал, а это значит, что трансформатор 2х18 В 2.5 А может не справиться с обеспечением питания на максимальной мощности. Следующим по списку ТТП120 2х18 В 3 А уже должен без проблем справляться с поставленной задачей.

Быстрее всего подобрать подходящий трансформатор из широкого ассортимента можно так: разделите напряжение вторичной обмотки на сопротивление динамика. Поделите на два и помножьте на количество каналов, которые будет питать трансформатор. Если ток трансформатора меньше полученной цифры, то он вам заведомо не подходит.
При выборе напряжения трансформатора не забудьте удостовериться, что максимальное напряжение питания микросхемы хотя бы в полтора раза выше, потому что для трансформаторов указывается среднеквадратичное значение напряжения, которое после выпрямления значительно повысится.


Увеличение напряжения потребует замены и сглаживающих конденсаторов – у штатных предельное напряжение 25 В, а для обеспечения необходимого запаса по амплитуде колебаний напряжения нужен минимум двойной запас относительно напряжения вторичных обмоток трансформатора. Ёмкость конденсаторов следует выбирать из расчёта не менее 100 мкФ на ватт расчётной мощности усилителя, чтобы обеспечить достаточно низкий уровень пульсаций питающего напряжения. Хотя многократно превышать меру не рекомендуется, более 300 мкФ на ватт могут оказаться даже вредными, если трансформатор не имеет заметного запаса по мощности. Более мощный усилитель также требует уделить немного внимания выпрямительным диодам. Они должны без проблем выдерживать высчитанный выше пиковый ток, в нашем примере составляющий 5.2 А. Если диоды придётся менять, подберите наиболее быстродействующие из доступных, это улучшит качество питания.

При использовании трансформатора с большим напряжением, чем штатный, необходимо помнить о других компонентах акустической системы, в частности о темброблоке. Убедитесь, что повышеное напряжения питания для него безопасно или добавьте линейные стабилизаторы напряжения для питания слаботочных цепей (что даже улучшит качество звука).

Удачи!

PS
Огромнейший ассортимент весьма интересных микросхем-усилителей есть у SANYO, однако разобраться в более чем сотне наименований мне пока не удалось. Раскопки продолжаются, результаты будут опубликованы позже.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают