Усилитель D класса, схема на 50 Вт своими руками

Усилители мощности звука пользуются постоянным интересом среди инженеров-электронщиков. Раньше их было очень сложно изготовить, и для этого требовались знания и специальное оборудование, например, осциллограф.

В наши дни, благодаря использованию интегральных схем, сделать аудиоусилитель своими руками стало намного проще. Рассмотрим две схемы стереоусилителей средней мощности, работающих в классе D, которые можно использовать в автомобильных аудиосистемах, активных громкоговорителях или аудиосистеме ПК.

Содержание
1. Схема усилителя класса D мощностью до 2х50 Вт на ТРА3116
2. Усилитель звука класса D на ТРА3244 мощностью 2х50 Вт
3. Комментарии посетителей по теме статьи

Схема усилителя класса D мощностью до 2х50 Вт на ТРА3116

Модуль усилителя выполнен на основе микросхемы TPA3116, содержащей два канала мостового усилителя мощности, с общими схемами переключения, подавления и защиты. Собранная плата представляет собой готовый функциональный блок аудиосистемы.

Можно выбирать мощность и сопротивление нагрузки усилителя, не меняя его схему и печатную плату. Для этого достаточно применить другую микросхему из серии ТРА. Параметры усилителя звука (в зависимости от используемой интегральной схемы и напряжения питания) приведены в таблице ниже. Реальная выходная мощность устройства во многом зависит от качества источника питания и эффективности отвода тепла от микросхемы.

Характеристики усилителя на микросхемах серии ТРА31xxD2
п/п	Наименование	Мощность	Питание, В
1	ТРА3116D2	2х50 Вт/4 Ом	21
2	ТРА3118D2	2х30 Вт/8 Ом	24
3	ТРА3130D2	2х15 Вт/8 Ом	15

Принципиальная схема усилителя мощности представлена на следующем рисунке. Микросхема U1 (в нашем случае используется TPA3116 мощностью 50 ватт на канал) работает в базовом приложении, соответствующем рекомендациям Texas Instruments. Усилители мощности отдельных каналов выполнены по мостовой схеме, что позволяет добиться высокой выходной мощности без необходимости применения преобразователей, повышающих напряжение питания, или симметричного источника питания.

Выходной сигнал, пройдя через фильтр нижних частот, состоящий из дросселей L1 и L2 и конденсаторов С5…С10, подается на выходные клеммы О1 (для «верхнего» канала). Конденсаторы С13 и С14 и резисторы R1 и R2 компенсируют сопротивление нагрузки, которое увеличивается с частотой. Конденсаторы С1…С4 являются элементами системы поляризации затвора силовых транзисторов.

Батареи конденсаторов C17…C20, CE1…CE4 (низкое ESR) фильтруют питание усилителя U1. Схема, состоящая из резисторов R8 и R9, позволяет осуществлять внешнее отключение устройства путем размыкания контактов разъема SDN. Это облегчает реализацию одновременного включения в случае многоканальных систем и реализацию задержки включения аудиоусилителя.

Микросхема имеет коэффициент усиления 20 дБ. Ее входы симметричны, что упрощает подачу сигнала по более длинным кабелям (витая пара) и повышает устойчивость к помехам. Конденсаторы С22…С25 устраняют постоянную составляющую. Если у нас нет симметричного сигнала, на плате имеются перемычки ZW1 и ZW2, которые соединяют неинвертирующий вход усилителя с корпусом. В этом случае входной сигнал должен подаваться между инвертирующими входами и корпусом разъема IN.

Усилитель собран на двусторонней печатной плате, схема сборки которой представлена на картинке выше. Порядок монтажа стандартный и не требует пояснений. Микросхема должна быть дополнена теплоотводом соответствующей площади. При использовании TPA3118 или TPA3130 тепло рассеивается через термопрокладку в нижней части микросхемы, которую для этого необходимо правильно припаять к земле. Перечень элементов принципиальной схемы упрощает сборку модуля.

Резисторы:

R1…R5 — 3,3 Ом/0,5 Вт (SMD 1206);
R6, R8 — 100 кОм/1% (SMD 0805);
R7 — 5,6 кОм/1% (SMD 0805);
R9 — 1 кОм/1% (SMD) 0805).

Конденсаторы (SMD 0805, X5R, 50 В):

C1…C4 — 0,22 мкФ;
C5…C8, C22…C25 — 0,68 мкФ/63 В;
C9.. .C12, C17 , C19 — 1 нФ/50 В;
C13…C16 — 10 нФ/50 В;
C18, C20, C21 — 0,1 мкФ;
C26 — 1 мкФ;
CE1…CE4 — 470 мкФ/35 В.

Полупроводники -U1 — TPA3116 (HTSSOP32 с радиатором).

ПРОЧЕЕ:

IN — прямой разъем KK6;
L1…L4 — 10 мГн (дроссель DE1207-10);
O1, O2, PWR — разъем ARK2/5 мм;
SDN — разъем KK2, прямой.

Микросхема TPA3116 имеет вставку в верхней части и требует радиатора с максимально большой поверхностью. На печатной плате имеются два отверстия для его крепления. Не забудьте использовать подходящую термопасту и обеспечить достаточный зазор между конденсаторами и теплоотводом. Схема подключения модуля усилителя представлена на рисунке выше. В зависимости от типа источника входного сигнала:

для несимметричного сигнала закоротите перемычки ZW1, ZW2 и подключите их к разъему IN, как показано на рисунке;
для симметричного сигнала перемычки должны быть разомкнуты, и сигнал должен подаваться в соответствии с вариантом, отмеченным пунктирной линией.

В зависимости от длины соединения может потребоваться использование экранированных кабелей. Для питания системы можно использовать типовой нестабилизированный блок питания с соответствующим КПД и фильтрующей способностью (выше 10 мФ) или, что лучше и дешевле, модульный импульсный блок питания.

Усилитель звука класса D на ТРА3244 мощностью 2х50 Вт

Рассмотрим схему стереофонического оконечного усилителя класса D мощностью 2х50 Вт при нагрузке 8 Ом, который построен на интегральной микросхеме типа TPA3244. Чип содержит четыре канала усиления, которые можно конфигурировать для разного применения. Они имеют общие схемы коммутации, отключения и защиты, которые в данном случае сконфигурированы как два усилителя мощности в системе BTL.

Указанный режим установлен путем подачи низкого уровня на выводы М1 и М2. Выходной сигнал проходит фильтрацию нижних частот с помощью дросселей L1…L4 и конденсаторов C1…C4, C7…C10. В связи с высоким выходным током и импульсным характером работы выбор фильтрующих элементов имеет решающее значение. Выходной фильтр и конденсаторы связи выбираются произвольно для работы с нагрузкой в диапазоне 6…8 Ом.

Фильтрация питающего напряжения обеспечивается конденсаторами С17…С20, размещенными рядом с U1. Дополнительно конденсаторы CE1 и CE2 общей емкостью 4400 мкФ образуют локальный энергетический буфер.

Для платы требуется внешний источник питания напряжением 18…30 В, с током, соответствующим нагрузке. Опытный образец обеспечил выходную мощность 50 ватт на канал при нагрузке 8 В с искажениями THD +N менее 1%. КПД устройства достигает 90%. Для питания усилителя необходим стандартный импульсный источник на 24…28,8 В мощностью не менее 150 Вт. Подойдет и обычный мостовой выпрямитель с трансформатором мощностью не менее 200 ВА.

Стабилизатор на стабилитроне DЗ питается от 12 В и обеспечивает на выходе напряжение 3,3 В. Оно необходимо для микросхемы U3, т.е. генератора сигнала сброса MCP100T. Светодиод PWL обеспечивает индикацию наличия напряжения питания на схеме. Конденсаторы С24…С30 работают в фильтрах внутренних цепей микросхемы U1. Конденсаторы С13…С16 служат элементами цепей смещения силовых полумостовых транзисторов.

Входной сигнал подается на разъемы INA и INB. Его максимальная амплитуда должна составлять не более 4 В. Конденсаторы СЕ9…СЕ12 отделяют постоянную составляющую на входе микросхемы, а RC-элементы, состоящие из резисторов R12…R15 и конденсаторов С31…С34, фильтруют ВЧ-помехи.

Входной аудиосигнал должен быть симметричным. Если имеющийся сигнал несимметричный, можно использовать симметризатор со схемой SSM2142 или фазоинвертор сигнала с единичным коэффициентом усиления, построенный, например, на основе микросхемы NE5532.

На разъеме ERR присутствуют сигналы состояния U1:

CLI – перегрузка и превышение температуры;
FLT – SHDN – аварийное отключение устройства.

Выходы имеют открытый сток и могут питаться напряжением 3,3 В.

Из-за потерь мощности микросхема U1 имеет термопрокладку, припаянную к общему проводнику печатной платы. Для интенсивной работы имеет смысл оснастить TPA3244 дополнительным радиатором, например, SK437-50, который крепится «сверху» винтами М3 и двусторонней самоклеящейся термолентой.

Усилитель собран на двусторонней печатной плате, расположение элементов показано на картинке. Рекомендуется начать работу с лабораторным источником питания с ограничением тока, уменьшив напряжение питания, например, до 15 В и проверить работу каждого канала. Сводный перечень элементов упрощает работу над усилителем:

Резисторы (SMD 0805, 1%):