Усилитель класса D, схема на 100 Вт своими руками

Когда появились первые усилители класса D, ими мало кто интересовался. Причиной этому, вероятно, были заметные искажения звука, вызванные несовершенством ШИМ-драйверов. По мере развития этого типа создавались все более совершенные устройства. Сегодня можно сказать, что класс D прочно утвердился, составляет серьезную конкуренцию существующим усилителям звука, и радиолюбители собирают устройства такого вида своими руками.

Содержание
1. Мощный усилитель класса D 2×100 Вт или 1×310 Вт на TDF8591TH
2. Стереоусилитель на 100 Вт собираем своими руками на ТРА3251
3. УМЗЧ класса D мощностью 100 Вт на микросхеме ТРА3255
4. Комментарии посетителей по теме статьи

Мощный усилитель класса D 2×100 Вт или 1×310 Вт на TDF8591TH

Микросхема TDF8591 представляет собой высококачественный усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), работающий в классе D. Он предназначен, в частности, для автомобильной аудиосистемы, после использования соответствующего преобразователя напряжения. Выходная мощность, которую можно получить от этого модуля, составляет 2×100 Вт при сопротивлении динамика 4 Ом.

Стоит обратить особое внимание на размеры корпуса TDF8591. Микросхема выполнена по SMD технологии, а размеры ее корпуса составляют всего 16х11 мм! Именно класс D позволил осуществить столь большую миниатюризацию микросхемы, при этом ее КПД достигает целых 90%. Производитель спроектировал микросхему таким образом, что ее необходимо монтировать со стороны пайки, поэтому, на первый взгляд, ее не видно на плате. Диапазон напряжения питания устройства составляет от ±14 В до ±29 В.

Аудиоусилитель может работать с динамиками с сопротивлением всего 2 Ом. Принципиальная схема усилителя мощности представлена на картинке выше. Чип TDA3591 имеет в своем составе силовые транзисторы, ШИМ-модуляторы, входные цепи, а также цепи измерения температуры, тока и напряжения. На следующей картинке представлено назначение выводов.

Аналоговый входной сигнал преобразуется в модулированный импульсный сигнал. Он управляет выходными силовыми транзисторами, причем из-за импульсного характера сигнала транзисторы находятся только в открытом или закрытом состоянии. Рассеиваемая мощность зависит исключительно от сопротивления канала транзистора и времени нарастания и спада фронтов.

Благодаря тому, что транзисторы закрываются и открываются, на выходе устройства появляется импульсный сигнал с амплитудой, примерно равной напряжению питания. Такой сигнал содержит множество нежелательных гармоник, которые могут мешать работе других устройств. Чтобы предотвратить это, следует использовать LC-фильтры нижних частот. У этих фильтров есть один недостаток – они рассчитаны на определенное сопротивление динамика. В следующих таблицах указаны номиналы дросселей и конденсаторов С22 и С31 для разных импедансов в стереофонической конфигурации и мостовом режиме (моно).

При подборе этих элементов необходимо обратить особое внимание на ток, протекающий через дроссель, номинальные напряжения конденсаторов и помнить, что транзисторы переключаются с частотой 310 кГц. Интересующий нас акустический сигнал имеет максимальную частоту 20 кГц, поэтому избавиться от ненужных гармоник очень легко.

УМЗЧ может работать в трех режимах:

ожидание – это состояние ожидания, в котором схема потребляет очень мало тока;
mute – схема активна, но отключена;
работает – усилитель активен.

Для задания определенного режима переключатели S1 и S2 должны быть установлены в соответствии со следующей таблицей.

Выбор режима переключателями S1, S2
S1	S2	Режим
Замкнут	Замкнут	Ожидание
Замкнут	Разомкнут	Ожидание
Разомкнут	Замкнут	Активен
Разомкнут	Разомкнут	Работает

Усилитель оснащен схемами, отслеживающими температуру конструкции и выходной ток. Когда температура устройства превышает 145˚C, аудиоусилитель ограничивает выходную мощность, изменяя скважность импульсов. Если она достигает 155˚C, УМЗЧ переходит в состояние Mute, а при достижении 160˚C усилитель выключается.

Блок токовой защиты ограничивает выходной ток до 12 А. При превышении этого значения усилитель меняет ключевую схему транзисторов, тем самым уменьшая мощность, рассеиваемую в силовых транзисторах. Контроль напряжения означает, что при падении напряжения ниже ±12,5 В схема отключается, а при повышении выше ±33 В устройство выключается.

Расположение элементов на плате представлено на картинке ниже. Монтаж элементов лучше всего начать с пайки усилителя мощности, затем SMD компонентов. Навесные элементы устанавливаются в последнюю очередь, от меньшего к большему. При их пайке обязательно обрезайте выводы на расстоянии 1 мм над платой. Если оставить большие выступы, они могут коснуться радиатора, установленного на стороне пайки, и повредить микросхему.

После сборки усилитель не требует никаких настроек и готов к работе при подключения источника питания. Перед включением необходимо установить переключатели S1 и S2 соответствующим образом (для нормальной работы они должны быть разомкнуты). Обеспечиваем микросхему небольшим радиатором, чтобы он мог рассеивать 10% мощности, выделяющейся в виде тепла во время работы. Поместите радиатор на стороне пайки так, чтобы он был параллелен интегральной схеме и не касался точек пайки.

Вопрос о дросселях еще предстоит обсудить. Они должны быть намотаны проводом диаметром минимум 1 мм и иметь примерно 16 витков. Также полезно проверить их индуктивность с помощью соответствующего измерителя. Если на выходе усилителя появляется слишком сильный шум или гул сети, конденсаторы С23 и С25 следует заменить перемычкой или закоротить их выводы.

Усилитель может работать в моно или стерео режиме. Для установки режима моно нужно исключить элементы R11, R12, C26, C29, а также замкнуть попарно клеммы 8 и 4, 9 и 5. В этом случае сигнал подается на правый канал, при этом громкоговоритель подключаем к обеим катушкам, минуя массу схемы.

Перечень элементов усилителя мощности на TDF8591TH.

РЕЗИСТОРЫ:

R1, R3, R4 — 5,6 кОм;
R2, R5 — 10 Ом;
R8, R10…R12 — 5,6 кОм;
R7, R13 — 10 Ом;
R9, R14 — 22 Ом;
R6 — 30 кОм.

КОНДЕНСАТОРЫ:

C1, C7 — 100 нФ МКТ;
C2, C5 — 1000 мкФ/35 В;
C4 — 100 мкФ/10 В;
C17, C23, C25, C30 — 1 нФ МКТ;
C18, C20, C26, C29 — 470 нФ МКТ;
C19, C28 — 220 пФ;
C10, C11, C40, C41 — 220 пФ SMD;
C22*, C31* — 680 нФ МКТ;
C24, C32 — 100 нФ МКТ;
C21, C27 — 15 нФ для поверхностного монтажа;
C9, C12, C13, C14…C16 — 100 нФ для поверхностного монтажа;
C34…C39 — 100 нФ для поверхностного монтажа;
C33 — 47 пФ;
C8 — 27 мкФ/63 В, танталовый.

ПОЛУПРОВОДНИКИ:

D1 — стабилитрон 5,6 В;
TDF8591 – 1 шт.

ПРОЧЕЕ:

2 перемычки или переключатели;
АРК2 5 мм – 6 шт.;
L1, L2 — дроссель 22 мкГн.

Стереоусилитель на 100 Вт собираем своими руками на ТРА3251

На смену микросхемам серии LMxxxx пришли TPA311x, TPA3251 и другие. Рассмотрим модуль стереоусилителя большой мощности с микросхемой TPA3251.

Микросхема TPA3251D2 включает в себя четыре перестраиваемых канала усиления с общими цепями управления звуком и защитой. Принципиальная схема стереоусилителя представлена на картинке выше. Она настроена по мостовой схеме как 2-канальный усилитель мощности, что определяется замыканием контактов М1 и М2 на корпус. Такая конфигурация, помимо увеличения выходной мощности, позволяет обеспечить питание устройства несимметричным напряжением, что упрощает конструкцию блока питания.

Каналы имеют маркировку A/B (L, R). В канале A используются внутренние усилители A+B, в канале B используются внутренние усилители C+D. Выходной сигнал перед поступлением на разъем OUTA, OUTB подвергается фильтрации нижних частот (L1…L4, C1…C4, C7…C10). В связи с большой силой тока и импульсным характером работы критически важен подбор фильтрующих элементов, а именно дросселей L1…L4 и конденсаторов С1, С2, С6, С7.

В данном случае использованы катушки с сердечником Coilcraft VER2923-103KL, намотанные медной лентой, и металлизированные полипропиленовые конденсаторы MKP Epcos. Такое решение минимизирует потери и позволяет сохранять очень хорошее качество сигнала, выделяя систему среди бюджетных решений.

Непосредственно на выводах U1 размещены конденсаторы С17…С20, которые обеспечивают достаточную фильтрацию питания в условиях присутствия мощных импульсов. Конденсаторы CE1 и CE2 (общей емкостью 4,4 мФ) образуют дополнительный «энергетический буфер».

Для платы требуется внешний источник питания с соответствующей нагрузочной способностью и напряжением 15…36 В, подключаемый к разъему PWR. При напряжении питания 28 В модуль обеспечивает мощность 2×60 Вт/8 Ом с искажениями THD+N<1%, а эффективность усилителя достигает 90%. Схема позволяет работать с нагрузкой 4 Ом, достигая выходной мощности примерно 2×100 Вт при питании от 28 В.

Повышая напряжение до 36 В, можно еще больше увеличить выходную мощность. Максимальное напряжение питания 38 В. Схема выдерживает кратковременное напряжение 50 В, но из-за высокой цены «проверять» ее возможности не стоит. В качестве источника питания можно использовать импульсный блок питания мощностью не менее 200 Вт или обычный мостовой выпрямитель с тороидальным трансформатором. В последнем случае следует использовать быстродействующие диоды в совокупности с фильтрующим конденсатором емкостью не менее 22 мФ. Трансформатор должен обеспечивать на выходе 24 В при мощности 250 ВА.

Стабилизатор LM317HV (U2) обеспечивает внутреннее питание 12 В. Резистор R17 ограничивает потери в микросхеме U2. Следует использовать «высоковольтную» версию LM317. Каждая из цепей U1, требующих питания 12 В, фильтруется отдельным RC-фильтром, а именно R5 и C22, R6 и C21, R7 и C27.

Конденсатор СЕ3 обеспечивает соответствующую мгновенную эффективность по току источника питания 12 В. Напряжение 12 В используется для питания стабилизатора 3,3 В со стабилитроном (DЗ), который обеспечивает питание U3 (MCP100T). Упомянутая микросхема работает в качестве генератора сигнала сброса. Светодиод PWL сигнализирует о наличии питания усилителя.

Конденсаторы С23…С26 фильтруют внутренние цепи питания U1. Конденсаторы С13…С17 являются элементами цепей смещения силовых полумостовых транзисторов. Конденсатор C24 определяет время разгона U1. Резистор R9 определяет рабочую частоту внутреннего генератора FREQADJ.

Резистор R8 OCADJ определяет работу и ток ограничения выходов U1. В рассматриваемом применении максимальный ток равен 16,3 А. Защита срабатывает периодически, не допуская превышения заданного тока, например, при низком сопротивлении на выходе. Если установить резистор R9 сопротивлением 47 кОм, предельный ток сохраняется, но при его превышении схема автоматически выключится, возвращаясь в работу после сигнала сброса, т.е. после цикла включения/выключения питания.

В представленной мостовой схеме входы линейных сигналов требуют симметричного сигнала для управления. Если у нас нет подходящего источника, в целях симметризации мы можем использовать систему линейного передатчика AVT5438 на основе драйверов DRV134. Не допускается управлять несимметричным сигналом и подключать какой-либо из входов INA, INB к общему проводу схемы.

Входной сигнал подается на разъемы INA/INB и должен иметь амплитуду не более 4 В (размах). Перед усилением в U1 конденсаторы СЕ3 и СЕ4 разделяют постоянную составляющую, а RC-элементы, состоящие из резисторов R8, R9 и конденсаторов С23, С24, фильтруют ВЧ-помехи.

Сигналы состояния U1 выводятся на разъем ERR:

CLI – перегрузка и превышение температуры;
FLT – SHDN для системного отключения;
выходы типа OD и принимают напряжение 3,3 В.

Усилитель собран на двусторонней печатной плате — расположение элементов показано на картинке выше. Сборка типовая и не требует описания.

Схема подключения усилителя с комплектом AVT5438 в случае источника с несимметричным сигналом, представлена на картинке выше.

Перечень элементов:

R1…R7 — 3,3 Ом (SMD 0805 0,25 Вт);
R8 — 22 кОм/1% (SMD 0805);
R9 — 10 кОм/1% (SMD 0805);
R10 — 220 Ом/1% (SMD 0805);
R11, R12 — 1,8 кОм/1% (SMD 0805);
R13…R16/1% — 100 Ом (SMD 0805);
R17 — 20 Ом/5 Вт;
C1, C2, C7, C8 — 0,68 мкФ/250 В;
C3, C4, C9, C10 — 1 нФ (SMD 1206);
C5, C6, C11, C12, C25 — 10 нФ (SMD 0805);
C13…C16 — 33 нФ (SMD 0805);
C17…C20 — 1 мкФ (SMD 1206);
C21, C22, C26, C27 — 100 нФ (SMD 0805);
C23, C24, C29, C30 — 1 мкФ (SMD 0805);
C28 — 0,1 мкФ (SMD 0805);
C31…C34 — 100 пФ (SMD 0805);
CE1, CE2 — 2,2 мкФ/50 В;
CE3 — 470 мкФ/25 В;
CE4…CE7 — 10 мкФ;
CE8 — 100 мкФ/50 В;
DZ — стабилитрон 3,3 В (SMD);
PWL — светодиод SMD;
U1 — TPA3251D2 (HTSSOP44);
U2 — LM317HV (TO-220);
U3 — MCP100T (SOT-23);
ERR — разъем SIP3 R-2,54;
HT — радиатор SK68;
INA, INB — разъем DG381;
L1….L4 — дроссель VER2923-103KL;
OUTA, OUTB, PWR — разъем 7,5 мм.

УМЗЧ класса D мощностью 100 Вт на микросхеме ТРА3255

Рассмотрим схему моноусилителя номинальной мощностью 100 ватт при нагрузке в диапазоне 4…8 Ом на базе чипа TPA3255. Она имеет в своем составе четыре конфигурируемых канала усиления с общими цепями коммутации, подавления и защиты. Рассматриваемая схема в значительной степени повторяет предыдущий вариант на ТРА3251.

Микросхема TPA3255 (U1) включена в соответствии с указаниями по применению. В данном случае она работает как моноусилитель, включенный по параллельной мостовой схеме (M1=0, M2=1). Помимо увеличения выходной мощности, такая конфигурация позволяет питать усилитель несимметричным напряжением, упрощая конструкцию блока питания и одновременно исключая эффект «накачки» источника.

На каналы A/B подается симметричный входной сигнал. Выходной сигнал проходит фильтр нижних частот (катушки L1, L2 и емкости C1…C8) перед подачей на клеммы SA/SB. Из-за сильноточного и импульсного характера работы выбор фильтрующих элементов имеет решающее значение. В представленном образце использованы катушки с порошковым сердечником Coilcraft VER2923103KL, намотанные медной лентой. Также используются металлизированные полипропиленовые конденсаторы MKP Epcos, что минимизирует потери и позволяет сохранять очень хорошее качество сигнала, отличающее усилитель от так называемых бюджетных решений.

В схеме коммутируются большие мощности, что требует внимания при проектировании тракта питания и соответствующей его фильтрации. В данном случае она обеспечивается с помощью конденсаторов С9…С12, установленных непосредственно на выводах U1. Дополнительные конденсаторы СЕ1 и СЕ2 общей емкостью 2000 мФ составляют локальный энергетический буфер.

Усилителю требуется внешний источник питания, подключенный к разъему PWR, с максимальной силой тока, соответствующей нагрузке. Для версии 100 Вт/4 Ом напряжение питания должно находиться в диапазоне 36…45 В/3,5 А, а для версии 100 Вт/8 Ом – 45…55 В/2,5 А. В версии 4 Ом лучше увеличить общую емкость конденсаторов фильтра СЕ1 и СЕ2 до 2200 мФ/50 В. Возможна также работа с нагрузкой в диапазоне 2…3 Ом, но тогда необходимо обратить внимание на допустимый рабочий ток дросселей L1 и L2 и хороший отвод тепла.

КПД устройства достигает 90%, но рекомендуется иметь некоторый «запас» мощности блока питания. Для питания усилителя можно использовать импульсный токоограничиваемый источник питания мощностью не менее 150 Вт.

Чип U1 имеет теплоотводящую вставку в верхней части корпуса. Критически важным для работы устройства является обеспечение хорошего отвода тепла. В представленном образце это обеспечивается медной прокладкой толщиной 3 мм, которая помогает передавать тепло алюминиевому радиатору. Разумеется, места контакта следует промазать теплопроводящей пастой или, еще лучше, использовать гибкие прокладки из теплопроводящей ленты, что дополнительно компенсирует механические напряжения.

При принудительном охлаждении Вы можете достичь мгновенной мощности, значительно превышающей номинальные 100 ватт (при условии, что блок питания имеет достаточный запас мощности). Это делает усилитель хорошим вариантом, например, для сабвуфера или низкочастотного динамика в многополосной акустической системе. Если отвод тепла не обеспечен, система автоматически отключится, когда температура превысит 150°C.

Для того, чтобы создать внутреннее напряжение питания 12 В, в стандартном решении используется стабилизатор U2 типа LM317HV. Резистор R13 ограничивает потери в U2. Каждая из цепей U1, требующих питания 12 В, фильтруется с помощью отдельной RC- цепочки.

Конденсатор СЕ5 обеспечивает мгновенный ток источника питания 12 В. Напряжение 12 В также питает стабилизатор 3,3 В, который построен на основе стабилитрона DЗ. Последний обеспечивает питание микросхемы U3 MCP100T, которая служит генератором сигналов сброса. Светодиод PWL служит индикатором наличия питания усилителя. Остальные конденсаторы фильтруют внутренние цепи питания микросхемы U1. Конденсаторы С13…С16 являются элементами цепей смещения силовых полумостовых транзисторов.

Конденсатор C21 определяет время разгона U1. Резистор R6 определяет рабочую частоту внутреннего генератора FREQADJ и выбран таким образом, чтобы создавать минимальные помехи местным АМ-станциям. Резистор R5 OCADJ определяет работу и ток ограничения выходов U1. В представленном образце максимальный ток равен 17 А, защита срабатывает циклически, не допуская превышения заданного тока, например, при перегрузке или при падении сопротивления динамика.

Изменяя значение R9 на 47 кОм, предельный ток сохраняется, но при его превышении система автоматически выключается, возвращаясь в работу после сигнала сброса, т.е. после цикла включения/выключения питания. Входные и выходные цепи усилителя построены по тем же принципам, что и для рассмотренного выше варианта на микросхеме ТРА3251.

Мощный усилитель собран на двусторонней печатной плате — расположение элементов показано на картинке выше. Сборка типовая и не требует описания. Первый пуск следует произвести при работе усилителя от лабораторного блока питания с ограничением тока. Схема корректно работает от 18 В, и с этого значения надо начинать испытания. На вход необходимо подать симметричный сигнал 1 кГц с регулируемым уровнем, обеспечив при этом нагрузку выхода резистором 4…8 Ом/150 Вт.

Перечень элементов: