Мостові унчі. Балансний підсилювач потужності (250 Вт). Вибір проектних процедур аналізу
Принципова схема потужного мостового підсилювача потужності ЗЧ на мікросхемі TDA2005, вихід 20 Ватів на навантаженні 4 Ома. Мікросхема типу TDA2005 дуже застаріла мікросхема інтегрального УНЧ. Проте саме завдяки застарілості, її часто можна придбати за дуже невисокою ціною. До того ж у багатьох вона може бути у старих запасах.
Порівняно з сучасними ІМС УМЗЧ TDA2005 звичайно програє у складності схеми, тому що потребує значної кількості навісних деталей. Але за параметрами йде цілком собі "ніздря в ніздрю" і з більш сучасними.
Якось автору довелося ремонтувати старенький музичний центр незрозумілого ще індійського виробництва. Завдання було поставлено не так відновити працездатність, як зробити з даного апарату щось на зразок активної акустичної системи для роботи з персональним комп'ютером.
Власний УНЧ був несправний, і не було жодного бажання займатися його відновленням, оскільки «за життя» в ньому мало мало видатного. Вирішено було замінити УНЧ на два модулі на мікросхемах TDA2005, оскільки вони вже давно лежали без діла. При цьому збільшити потужність, підвищити якість звуку.
Звичайно, це спричинило і зміни в джерелі харчування, - але це інша тема.
Принципова схема
Рис.1. Принципова схема мостового підсилювача потужності ЗЧ на мікросхемі TDA2005, 20 Ватт при навантаженні 4 Ома.
Схема одного з каналів УНЧ показана на малюнку 1. Другий канал такий самий. УНЧ мікросхеми включені мостом для отримання більшої потужності та кращої якості відтворення НЧ.
За такою схемою, при напрузі живлення 14V підсилювач має наступні характеристики:
- Потужність при опорі акустичної системи 4 Ом – 20W.
- При потужності 4 W на навантаженні 4 Ом КНД не більше - 0,2%.
- Діапазон робочих частот 20-20 000 Гц.
- Чутливість входу 200 мВ.
- Робоча напруга живлення не більше від 8 до 18 V.
- Струм споживання при максимальній потужності 3,5 А (одного каналу).
Вхідний сигнал проступає через резистор регулятора гучності R1. На схемі він показаний, але на друкованій платі його немає, оскільки він є на передній панелі музичного центру.
Резистор R2 в принципі можна не встановлювати, його завдання в тому, щоб урівняти стереоканали по посиленню, якщо це необхідно. Крім того, його можна замінити змінним для регулювання стереобалансу.
Ланцюг R3-C2 дуже корисний, якщо цей підсилювач працюватиме з цифровим джерелом сигналу, наприклад, з виходом звукової карти персонального комп'ютера. Цей ланцюг є найпростішим пасивним фільтром ВЧ, який пригнічує ВЧ перешкоди від роботи цифро-аналогового перетворювача цифрового джерела сигналу.
Висновок 3 мікросхеми А1 – це блокування. У цьому випадку він використовується для плавного пуску мікросхеми, щоб не було кидка струму при включенні через акустичну систему. Ланцюг R5-C9 дещо затримує підключення виходу УНЧ після того, як подається живлення.
Як сказано, напруга живлення може бути від 8 до 18V. При цьому, бажано, щоб усі конденсатори були на напругу не нижче півтора від напруги живлення. У цій схемі усі електролітичні конденсатори на 25V.
Друкована плата та монтаж
Монтаж виконаний на компактній друкованій платі (рис.2). Малюнок друкованих доріжок показаний, як дивитися на доріжки. Якщо передбачається робити плату фотоспосібом або «лазерною праскою», цей малюнок потрібно буде зробити дзеркальним (це можна зробити зі скана в будь-якому графічному редакторі).
Мал. 2. Друкована плата для схеми підсилювача мостового потужності з мікросхемою TDA2005.
Але, на мій погляд, таку просту розведення можна намалювати і вручну перманентним маркером. Мікросхемі для роботи потрібний радіатор. Навіть тимчасово вмикати без радіатора не рекомендую. Цю плату УНЧ можна використовувати і за іншим призначенням, не лише як ремонтний модуль, а й як автомобільний УНЧ.
Державний комітет Російської Федерації з вищої освіти
Уральський державний технічний університет - УПІ
Кафедра РЕІС
ДИПЛОМНА РОБОТА НА ТЕМУ:
МОСТОВИЙ ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ ЗВУКОВОЇ ЧАСТОТИ
Єкатеринбург 2006
Вступ
1. Мета роботи
2. Технічне завдання
3. Принцип роботи схеми мостового УМЗЛ
4. Підготовка завантажувального файлу
4.1 Упорядкування опису моделі схеми
4.2 Вибір проектних процедур аналізу
4.2.1 Карта опцій.
4.2.2 Мапа установки шини друку.
4.2.3 Карта установки температури.
4.2.4 Карта обчислення чутливості постійного струму.
4.2.5 Розрахунок коефіцієнта передачі як малого сигналу.
4.2.6 Розрахунок спектральної густини внутрішнього шуму.
4.2.7 Перехідний аналіз.
4.2.8 Аналіз Фур'є-гармонік.
4.2.9 Аналіз змінного струму.
4.2.10 Друк результатів.
4.2.11 Метод Монте-Карло.
4.2.12 Карта підготовки даних для PROBE.
4.3 Складання завантажувального файлу
5. Налагодження моделі схеми
6. Аналіз результатів машинних розрахунків
6.1 Вплив температур на роботу схеми
6.2 Спектральна щільність внутрішнього шуму
6.3 Перехідна характеристика підсилювача
6.4 Аналіз Фур'є-гармонік
6.5 Амплітудно-частотна характеристика
6.6 Аналіз Монте-Карло
6.7 Визначення чутливості схеми
Висновок
Бібліографічний список
Додаток 1
Додаток 2
Вступ
Підсилювач потужності звукової частоти (УМЗЧ) призначений передачі сигналу від джерела збудження в навантаження з одночасним посиленням сигналу по потужності. УМЗЧ можна розглядати і як генератор, в якому енергія джерела живлення перетворюється на енергію змінного сигналу під впливом вхідної напруги певної амплітуди. Тому УМЗЧ також називають генераторами із зовнішнім збудженням.
УМЗЧ у загальному випадку характеризуються параметрами:
Pвих - вихідна потужність;
К – коефіцієнт посилення;
ККД – коефіцієнт корисної дії;
DF – діапазон робочих частот;
АЧХ – амплітудно-частотна характеристика;
N – рівень нелінійних спотворень;
Ш - рівень власних шумів.
У цій роботі досліджується бруківка УМЗЧ, характерними особливостями якого є:
максимальне використання напруги джерела живлення;
велика вихідна потужність, щодо інших простих УМЗЧ;
висока стійкість схеми;
широка смуга частот, що відтворюються в режимі номінальної потужності;
порівняно низький коефіцієнт гармонік.
1. Мета роботи
Курсова робота надає студенту такі основні можливості:
навчитись аналізувати технічне завдання (ТЗ) на проектування радіоелектронних схем (РЕМ);
отримати навички пошуку науково-технічної літератури та роботи з нею, правильного складання та оформлення технічної документації;
засвоїти основні поняття та терміни, що належать до автоматизованого проектування РЕМ;
ознайомитись з основними проектними процедурами аналізу схемотехнічного етапу проектування РЕА;
познайомитись із сучасним пакетом прикладних програм Pspice схемотехнічного проектування;
навчитися ставити та виконувати завдання схемотехнічного проектування;
закріпити та поглибити знання методів розрахунку РЕМ та елементної бази РЕА.
2. Технічне завдання
Спроектувати бруківку УМЗЧ, використовуючи дані з журналу Радіо №1/1992
Технічні вимоги до УМЗЛ:
Номінальна вхідна напруга 0.35 В
Номінальна (максимальна) вихідна потужність при
опорі навантаження 4 Ом 16 (20) Вт
Номінальний діапазон частот 40...20000 Гц
Швидкість наростання вихідної напруги 25 В/мкс
Коефіцієнт гармонік при номінальній потужності
Принципова електрична схема мостового УМЗЛ
Рис.1.Принципова електрична схема мостового УМЗЧ.
3. Принцип роботи схеми мостового УМЗЛ
УМЗЧ складається із двох підсилювачів. Розглянемо один із них виконаний на базі підсилювача потужності. Транзистор VT1 працює в каскаді посилення напруги, а решта VT2-VT5 (усі з малими напругами насичення Uнас) утворюють складовий емітерний повторювач посилення потужності, що працює в режимі АВ (струм спокою 20...30 мА).
Діоди VD1 та VD2 покращують термостабільність струму спокою. Транзистор VT3 забезпечує необхідне розгойдування транзистора VT5. З метою максимального використання напруги джерела живлення в підсилювач введені два ланцюги позитивного зворотного зв'язку (ПОС) за напругою. При позитивній напівхвилі сигналу, що посилюється, працює ланцюг R5R6C3,а при негативній R8R9C4.
Відмінна особливість такого зворотного зв'язку - введення її в ланцюг колекторів транзисторів VT2, VT3, що призводить до збільшення амплітуди сигналу на виході підсилювача максимально можливої.
З метою зменшення нелінійних спотворень, обумовлених несиметричністю плечоконечного каскаду і дією ПОС, підсилювач охоплений загальним негативним зворотним зв'язком (ООС) по напрузі через ланцюг R1 – R4C1. постійному струму (за рахунок дії гальванічного зворотного зв'язку через резистор R4), а з іншого – отримати необхідний коефіцієнт посилення всього підсилювача (R1, R4). Глибина ООС змінної напруги – близько 28 дБ. Конденсатори С2 та С4 забезпечують необхідну стійкість всього підсилювача.
Оскільки базовий підсилювач, що описується, інвертує, то з метою спрощення схеми сигнал на другий підсилювач надходить з виходу першого через дільник напруги R10R11.
4. Підготовка завантажувального файлу
4.1 Упорядкування опису моделі схеми
На даному етапі було вивчено вхідну мову Pspace, команди виконання проектних процедур, допоміжні та сервісні засоби, вбудовані моделі компонентів РЕМ.
У вихідній схемі проставляються вузли, що є основою опису схеми. Елементи схеми описуються з допомогою, вузлів яких вони підключені і номінальними значеннями. Причому резистори та конденсатори описуються безпосередньо, а для діодів та транзисторів необхідні їх моделі, які знаходяться в електронних бібліотеках.
4.2 Вибір проектних процедур аналізу
4.2.1 Карта опцій
OPTIONS ACCT NOECHO NOPAGE RELTOL =0.0001
ACCT -забезпечує у вихідному файлі статичні відомості про схему, що моделюється, та інформацію про використані обчислювальні ресурси – процесорний час для виконання різних процедур аналізу;
NOECHO –забороняє друкування вхідного файлу у вихідному;
NOPAGE -забороняє нумерацію сторінок, друкування титульного рядка та заголовка для кожного виду аналізу у вихідному файлі;
RELTOL -встановлює відносну похибку напруги та струму.
4 .2.2 Карта встановлення шини друку
WIDTH OUT=80
Число 80 встановлює кількість колонок у вихідному файлі.
4.2.3 Карта установки температури
TEMP 27 -60 80
Ця карта необхідна для того, щоб усі види аналізу виконувались за трьох різних температур.
4.2.4 Карта для обчислення чутливості на постійному струмі
SENS V(13,18),
При використанні цієї картки обчислюються малосигнальні чутливості вихідних змінних змін внутрішніх параметрів на постійному струмі.
4.2.5 Розрахунок коефіцієнта передачі у режимі малого сигналу
TF V (13,18) VIN ,
де VIN генератор вхідного сигналу
За допомогою цієї директиви розраховуються малосигнальні коефіцієнт передачі постійного струму, вхідний і вихідний опір підсилювача.
4.2.6 Розрахунок спектральної щільності внутрішнього шуму
NOISE V(13,18) VIN
Оскільки резистори та об'ємні опори транзисторів є джерелами теплового шуму. Крім того, напівпровідникові прилади мають дробовий шум і фліккер-шум. За допомогою карти. NOISE на кожній частоті частотного аналізу розраховується спектральна щільність внутрішньої шумової напруги, яка перераховується до входу ланцюга та до його виходу.
4.2.7 Перехідний аналіз
TRAN/OP 1U 3M
За допомогою цієї директиви здійснюється розрахунок відгуку ланцюга на задану вхідну дію. Ключ ОР необхідний для виведення докладної інформації про робочу точку.
4.2.8 Аналіз Фур'є-гармонік
FOUR V (6) V (13,18)
Ця карта виконує спектральний аналіз Фур'є.
FOUR V(6) – коефіцієнт гармонік на вході схеми;
Підсилювач потужності низької частоти класу Hi-Fi, виконаний за мостовою схемою із застосуванням двох інтегральних мікросхем TDA7294. Дозволяє отримати на виході до 170 Ватт потужностей, відмінно підійде для сабвуфера.
Технічні характеристики
- Вихідна потужність на навантаженні 8 Ом та живленні ±25V - 150 W;
- Вихідна потужність на навантаженні 16 Ом та живленні ±35V - 170 W.
Принципова схема
У підсилювачі передбачено захист вихідного каскаду від короткого замикання, термозахист (перемикання на знижену потужність у разі перегріву, що виникає при великих навантаженнях), захист від кидків напруги, режим відключення (Standby), режим увімкнення/вимкнення вхідного сигналу (Mute), а також захист від «клацання» при включенні/вимкненні. Все це вже реалізовано в інтегральних мікросхем TDA7294.
Мал. 1. Мостова схема включення двох мікросхем TDA7294 – потужний мостовий підсилювач НЧ.
Деталі та друкована плата
Мал. 2. Друкована плата для мостового варіанта включення мікросхем TDA7294.
Мал. 3. Розташування компонентів мостового варіанта включення мікросхем TDA7294.
Для живлення такого підсилювача необхідне джерело живлення з трансформатором потужністю не менше 250-300 Ватт. У схемі випрямляча бажано встановити електролітичні конденсатори по 10000мкФ та більше на кожне плече.
Мостова схема включення з даташиту
Мал. 4. Мостова схема включення двох мікросхем TDA7294 (з даташиту).
У мостовому режимі роботи опір навантаження має бути не менше 8 Ом, інакше мікросхеми згорять від перевантаження по струму!
Друкована плата
Універсальна друкована плата для двоканального та мостового варіантів підсилювача потужності.
Мостова схема включення УМЗЧ - це два однакові канали, в одному з яких вхід сигналу підключений на землю, а вхід зворотного зв'язку (ніжка 2) підключений через резистор 22К до виходу другого каналу.
Також 10-ті ніжки мікросхем (Mute) та 9-ті ніжки (Stand-By) потрібно підключити до схеми управління режимами, зібраної на резисторах та конденсаторах (рисунок 6).
Мал. 5. Друкована плата підсилювача потужності на мікросхемах TDA7294.
У платах є невеликі відхилення (на краще) від схеми з даташита:
- На входах мікросхем (ніжка 3) встановлені конденсатори на 4мкФ, а чи не 0,56мкФ;
- Між резистором 680 Ом (що йде до ніжки 2) та землею підключений конденсатор 470мкФ;
- Конденсатори між ніжками 6 та 14 - 470мкФ, а не 22мкФ;
- За харчування замість конденсаторів 0,22мкФ запропоновано встановити 680нФ (0,68мкФ);
У мостовому включенні висновки 10 і 9 з'єднуються разом і підключаються до схеми управління режимами.
Мал. 6. Проста схема керування режимами Standby-Mute для мікросхем TDA7294.
Щоб увімкнути мікросхеми (вивести з тихого та енергозберігаючого режимів), контакти "VM" та "VSTBY" достатньо підключити до позитивного виведення живлення +Vs.
Ця друкована плата універсальна, її можна використовувати як для двоканального, так і для мостового режимів роботи підсилювача на мікросхемах TDA7294. Тут дуже добре виконано розведення землі (GND), що покращить надійність та завадостійкість УМЗЧ.
Література:
- Даташит на мікросхему TDA7294 - Завантажити (7-Zip архів, 1,2 МБ).
- FAQ по TDA7294 - cxem.net/sound/amps/amp129.php
Зібрати автомобільний сабвуфер своїми руками справа досить почесна, але часто бувають труднощі зі складання підсилювача потужності, який має живити сабвуферну головку. Для досить потужних головок штатної мережі 12 Вольт мало, і потрібно підвищити напругу перетворювачем напруги.
Без використання перетворювача високої потужності домогтися не реально, але що робити, якщо немає належного досвіду будівництва перетворювача, а зібрати підсилювач для саба дуже хочеться?
За законами фізики, від мережі 12 Вольт на навантаження 4Ом не можна отримати потужність понад 18 ват — мова про чисту, синусоїдальну вихідну потужність, але винятки як завжди є. Є різновид підсилювачів працюючих у класі H, які дозволяють отримати від мережі 12 Вольт вихідну потужність 50-70 ват, але як право такі мікросхемні підсилювачі (наприклад - TDA1562) коштують дуже дорого, отже, потрібно шукати інше рішення.
Одним із дешевих варіантів УМЗЧ для сабвуфера ми сьогодні й розглянемо. Всім добре знайома мікросхема TDA2003 — є, принаймні, найдешевшою мікросхемою УМЗЧ. Вона живиться від 12 Вольт і може забезпечити максимальну потужність до 10-12 Вт на навантаження 2 Ом.
Головним достоїнством самої мікросхеми і те, що може працювати і з низкоомными динамічними головками з опором котушки до 2-х Ом. Мікросхема за своєю природою монофонічна (одноканальна), отже повинна бути мостова схема, яка дозволить підняти вихідну потужність підсилювача.
Мостовий варіант відмінно працює зі стандартними головками 4Ом протягом довгого часу, вихідна потужність в районі 20Ват, пікові кидки під час глибоких НЧ до 30 Вт, але зрозуміло це не чиста потужність. Але живити сабвуфер середньої потужності із застосуванням такого варіанту помзч цілком реально.
Друга особливість такого варіанта — мікросхема коштує копійки (підлога долара за штуку), елементна база містить лише кілька компонентів, із загальною вартістю не більше долара, але якщо є старі плати, можна з них відпаяти всі потрібні компоненти.
Мікросхема працює в класі АВ, отже без перегріву не обійтися, тому обов'язково мікросхеми потрібно встановити на загальний тепловідведення, при цьому використовувати додаткові ізолюючі прокладки не потрібно, оскільки маса у мікросхем єдина.
Ну ось так - не зійшлося у нас зараз номер частини та кількість каналів - що вже тут поробиш.
Тепер ми поговоримо про 4-х канальних підсилювачів. У своїй масі, вони застосовуються для автомобільного використання, але, в принципі, ніщо не заважає використовувати їх і вдома - характеристики у них цілком пристойні, особливо в останнього покоління.
Почнемо з TDA7560, виробництва SGS-Thomson. Як завжди - це бруківка підсилювач класу АВ зі всілякими захистами, функціями Muteі StanBy, а так само, як ви побачите на схемі - практично повною відсутністю навісних елементів.
Ну і ще ця мікросхема чудово працює на навантаження в 2 Ома.
Схема включення:
Тобто фактично ви берете мікросхему, присобачаєте до неї входи-виходи, і вже все працює. Казка.
Випускається це створення у корпусі Flexiwatt25- Знову ж таки з напівдірками з боків.
Наступний наш пацієнт – мікросхема TDA8571Jвід Philips Semiconductors. З цим підсилювачем товариші вирішили повипендрюватися і зробили його бруківкою, як і всі, але при цьому – класу В. А в іншому, як завжди – повний набір захистів виходу та температурний захист. Причому, як і в попереднього препаріуемого - навісних елементів практично не потрібно.
Основні характеристики такі:
Схема включення:
А усилок то – голий.
Ну якщо тільки заходьте, що на вхід Muteповісити. Все це щастя в корпусі SOT411-1, знову ж таки з напівдірками з боків.
Все – по останній і вистачить.
На цей раз останнім буде підсилювач TDA8591Той самий Philips Semiconductors. За своїми характеристиками вона схожа на попереднього оратора, проте вміє працювати з 2-х Омним навантаженням і дещо потужнішим. Плюс у неї є досить хитра схема виявлення постійної напруги на виході.
Основні характеристики такі:
Схема включення:
Загалом, особливо страшного нічого, треба тільки врахувати, що для роботи підсилювача кнопку S1необхідно замкнути. Інакше він партизанський мовчатиме.
Що стосується схеми виявлення постійної напруги на виході, то якщо вона вам не потрібна - можна викинути майже половину пасивних компонентів зі схеми. Перелічимо цих героїв поіменно: R1-R6, C14. А 26 виведення мікросхеми підключаємо до загального дроту.
Ну от поки і все. Зрозуміло, тему Бриджампов ми цьому не закінчуємо - власне, ми її тільки почали.