Теория усилителей класса D, тест, обзор, осциллограммы

Двухканальный усилитель мощности звуковой частоты XH-M543 (2x50 W) класса D на микросхеме TPA3116D2 - тест и обзор
 

Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D под наименованием XH-M543 мощностью 2x50 Вт. Сразу надо сказать, что на AliExpress он часто рекламируется у многих продавцов как 2x100 Ватт и даже как 2x120 Ватт. Не верьте этому: установленная в нём "главная" микросхема усилителя имеет мощность именно 2x50 Вт, и не более того. Но и это - не мало!

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы стерео-усилителя D-класса TPA3116D2, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя и сделаны полезные выводы.

(усилитель XH-M543 на TPA3116D2 и схема его подключения; изображение с официального сайта AliExpress. Кликнуть для увеличения)

Все осциллограммы сфотографированы с экрана аналогового осциллографа с электронно-лучевой трубкой (он не имеет фиксированной частоты кадров и позволяет лучше отследить динамику процессов, чем цифровой осциллограф).

Усилитель TPA3116D2 - технические характеристики микросхемы:

Примечание:
  * RMS (Rated Maximum Sinusoidal) - Максимальная (предельная) синусоидальная мощность - мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа без физического повреждения. Обычно именно она указывается как номинальная "приличными" производителями (а не пиковая - PMPO).

Полностью все характеристики и типовая схема включения TPA3116D2 указаны в техническом описании (datasheet) TPA3116D2 (PDF, 1.4 Mb).

Из технических особенностей микросхемы надо отметить, что возможно её подключение в одноканальном режиме; тогда её выходная мощность становится равной 1 x 100 Вт. Но такая конфигурация требует и соответствующих изменений в обвязке и печатной плате. Тестируемая версия усилителя не имеет "гибкой" конфигурации и рассчитана на работу строго в двухканальном режиме.

Цена на момент составления обзора на Алиэкспресс - около $8-10 (продавец). Если у других продавцов найдётся дешевле, то тоже можно брать, но следите за стоимостью доставки!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Теперь - углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.
 

Внешний вид и конструкция двухканального (стерео) усилителя D-класса XH-M543 на микросхеме TPA3116D2

Усилитель пришел упакованным в герметичный антистатический пакет, дополнительно завёрнутый в несколько слоёв "пупырчатки" (на фото не показана):

Упаковка достаточно защищает плату усилителя от возможных "приключений" в пути.

Внутри оказалась плата усилителя и кабель (30 см) для подключения к источнику сигнала:

Никакой документации в комплекте не было, да она и не нужна: на плате всё расписано, что куда подключать. Также схема подключения была опубликована на странице усилителя в AliExpress (приведена выше в начале обзора).

Посмотрим на плату усилителя ещё в двух наклонно-диагональных ракурсах:

Теперь - вид с противоположной диагонали:

На фотографиях надо обратить внимание, что все внешние подключения осуществляются без помощи пайки - с помощью клеммников под винт и разъёма; а по углам платы предусмотрены отверстия для крепления платы.

Для порядка посмотрим на обратную сторону платы:

Обратная сторона платы почти полностью покрыта слоем металлизации, соединённым с "землёй" - это очень полезно для защиты от помех.

Также видны головки двух винтов, которыми прикручен радиатор к микросхеме TPA3116D2.

На плате также обозначена ссылка на сайт производителя. Сайт - на китайском языке, с переводом отдельных заголовков на английский. Сайт - "тяжеловесный" и работает медленно.

В следующей главе разберём, что к чему и зачем на этой плате усилителя.
 

Схемотехника двухканального (стерео) усилителя D-класса XH-M543 на микросхеме TPA3116D2

Для анализа схемотехники открутим с платы радиатор и посмотрим на плату с элементами, как она есть:

Начнём с радиатора.

Радиатор теплоотвода имеет зачернённую поверхность, в том числе и в месте контакта с микросхемой. Это ухудшает термоконтакт; по-хорошему надо бы зачернение с нижней стороны радиатора аккуратно счистить (не оставляя глубоких борозд), и добавить термопасты. Изначально там вместо термопасты была применена какая-то легко стирающаяся жидкость; вероятно, машинное масло. Если Вы не предполагаете длительное время использовать усилитель на максимальной мощности, то можно оставить, "как есть".

При снятии радиатора постарайтесь не терять пластиковые шайбы на винтах, расположенные между радиатором и печатной платой. Они служат для выравнивания положения радиатора, чтобы ложился на микросхему без перекоса.

Теперь - пробежимся по основным элементам платы.

1 - "Главная" микросхема усилителя - TPA3116D2.

2 - Блокировочные электролиты по питанию. Хорошо, что их много, и, похоже, они качественные (с полимерным электролитом); а не вечно протекающие и взрывающиеся "традиционные" жидкостные электролитические конденсаторы.

3 - Дроссели выходных LC-фильтров. Номинал - 33 мкГн, хотя описание (datasheet) микросхемы рекомендует 10 мкГн. Возможно, так будет лучше, поскольку частота ШИМ здесь установлена на минимум из числа возможных частот для TPA3116D2.

4 - Конденсаторы выходных LC-фильтров. Номинал (0.68 мкФ) - в точности соответствует рекомендациям в описании (datasheet) на микросхему.

5 - Операционный усилитель в схеме предварительного усиления. Тип операционника - TL074C (четыре ОУ в одном корпусе), datasheet TL074 (PDF, 110 Kb).

6 - Светодиод индикации включения. Светит неярким, но заметным синим цветом при подаче питания.

7 - Диод "защиты от дурака" (от переполюсовки питания). В этом качестве использован диод Шоттки SS54, отличающийся малым падением напряжения при протекании тока в прямом направлении (очень хорошо!), datasheet диода Шоттки SS54 (PDF, 410 Kb).

8 - Разъём для подключения входного сигнала через комплектный кабель.

9 - Подстроечные резисторы для регулировки уровня входного сигнала (раздельно для левого и правого канала).

10 - Клеммник для подключения питания (винтовой зажим для оголённого провода).

11 - Клеммники для подключения выходов усилителя.

В заключение осмотра надо сказать, что схемотехнически и конструктивно усилитель построен грамотно и максимально близко к рекомендациям в техническом описании (datasheet) для микросхемы TPA3116D2. Установка и пайка деталей на плате выполнена аккуратно.
 

Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TPA3116D2

При измерениях использовался блок питания от ноутбука Toshiba с напряжением 19 Вольт и током до 6.3 Ампера (120 Вт). К сожалению, напряжение - немного меньше, чем требуемые для максимальной мощности согласно техническому описанию 21 Вольт; но другого источника с аналогичной мощностью, к сожалению, под рукой не нашлось. :(

При испытаниях на максимальную синусоидальную мощность нагружался только один канал (во избежание перегрева и выхода из строя усилителя); подробнее об этом - в конце обзора. В остальных случаях нагружались оба канала.

Перво-наперво было замерено потребление усилителя без подачи сигнала с установленным в "ноль" регулятором громкости. Ток потребления холостого хода составил 35 мА без подключения нагрузки и изменился менее, чем на 1 мА, при подключении нагрузки 4 Ом на оба канала.

То, что при подключении нагрузки потребляемый ток изменился незначительно, свидетельствует о хорошем балансе нуля на выходе усилителя.

Далее - серия последовательных экспериментов с подачей синусоидального сигнала и постепенным увеличением мощности.

Выходной сигнал на осциллограф снимался с одного из плеч усилителя.

До выходного фильтра усилителя наблюдался прямоугольный сигнал, как и положено по теории усилителей класса D. Наблюдались также и кратковременные "выбросы", видимо, из-за "звона" в фильтре (что допустимо):

Частота ШИМ составила 400 кГц, т.е. минимум из числа возможных для микросхемы TPA3116D2 частот. Минимум частоты - это не значит, что это  - плохо, это - схемотехническая особенность.

При любых уровнях сигнала, не доходящих до "отсечки" (клиппинга) на выходе наблюдаем практически идеальный синус. Никакие помехи с частотой ШИМ на выход не пролезают, т.е. фильтры работают очень хорошо:

При дальнейшем увеличении уровня сигнала наступает "отсечка" (клиппинг), как и положено по теории вопроса. После прохождения моментов входа в "отсечку" и выхода из неё на осциллограмме виден "звон" фильтров (частота синусоидального сигнала 1 кГц):

Что хорошего видно на только что представленной осциллограмме: клиппинг наблюдается почти идеально симметричный как "сверху", так и "снизу".

Частота "звона" после клиппинга находится на пределе слышимости человеческого уха, так что вряд ли это будет как-то заметно на фоне искажений, обусловленных самим клиппингом.

При дальнейшем увеличении сигнала наблюдаем картину, приближающуюся к прямоугольнику, но с описанным выше "звоном" (частота синусоидального сигнала 6.3 кГц):

Теперь - коротко о других свойствах усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя имеет некоторые особенности.

В области нижних частот по уровню минус 3 дБ полоса пропускания начинается от 46 Гц (а не от 20 Гц, как принято у аппаратуры Hi-Fi класса). Таким образом, фиксируем "ранний" спад АЧХ в области нижних частот.

Спад частично можно выправить "внешними" средствами (регулятор тембра или эквалайзер).

В области верхних частот наблюдаются ещё более интересные эффекты.

Если на выход подключить обычную пассивную (омическую) нагрузку, то полоса пропускания по уровню -3 дБ заканчивается на 12.5 кГц; а на частоте 20 кГц падение составляет уже в 2 раза (-6 дБ).

Но, если не подключать никакой нагрузки (холостой ход), то возникает не падение, а рост сигнала на выходе; составляющий на частоте 20 кГц 1.75 раза!

И, наконец, последний вариант - подключение в качестве нагрузки высокочастотного динамика. В этом случае на частоте 20 кГц остаётся небольшой рост сигнала на 5%.

В итоге окончательно принимаем полосу частот усилителя от 46 Гц до 20 кГц, как наиболее близкую к реальным условиям.

Нагрев усилителя даже в одноканальном режиме на максимальной синусоидальной мощности - существенный. Нагрев радиатора составил примерно до 50-60 градусов, а нагрев диода "защиты от дурака" гарантированно превысил 60 градусов (приложенный палец "не терпел").

В то же время при прослушивании реального сигнала (музыки), у которого средняя составляющая значительно ниже пиков, перегрев не наблюдался даже в двухканальном режиме.

Шум у усилителя - присутствует. При нулевом сигнале и регуляторах громкости (подстроечники на входе) в минимальном положении из динамиков был слышен небольшой шум. В этом - ещё одно отличие этого усилителя от высококлассных систем, в которых при нулевой громкости в колонках наблюдается просто "гробовая тишина".

Тем не менее, шум не настолько велик, чтобы мешать прослушиванию музыки. При включении реального сигнала шум полностью скрывался сигналом и заметен не был.

Коэффициент усиления при установке входных подстроечников в максимальное положение составил 560. Вероятнее всего, производитель установил повышенный коэффициент усиления "на все случаи жизни", включая работу со слабыми сигналами. В реальных условиях, когда сигнал снимается с предварительного усилителя, регулятора тембра или с мобильного устройства (ноутбука, планшета, смартфона) такое усиление не потребуется. С помощью подстроечников усиление необходимо будет отрегулировать на оптимальную величину.

Также была проверена возможность работы усилителя от низковольтного источника питания ("зарядка" для мобильника с напряжением 5 Вольт). Усилитель подтвердил работоспособность (контроль параметров не проводился).

Падение напряжения на диоде "защиты от дурака" составило 0.24 В в состоянии покоя и 0.41 В с максимально-нагруженным одним каналом (синусоидальный сигнал).
 

Окончательный диагноз усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TPA3116D2

Протестированный усилитель почти полностью оправдал возложенные ожидания, лишь с небольшими замечаниями.

Перечислим конкретно его достоинства и недостатки.

Достоинства:

- грамотные схемотехнические решения, их соответствие требованиям технических документов, высокое качество компонентов;

- малое потребление в состоянии покоя;

- высокий КПД, возможность работы со штатным теплоотводом;

- возможность работы с низковольтными источниками питания;

- возможность питания от широко распространённых зарядных устройств для мобильных телефонов;

- удобство подключения и монтажа в какой-либо конструкции;

- малые габариты и вес всей платы в сборе

- низкая цена.
 

Недостатки:

- небольшой "завал" самых нижних частот; полоса частот всего усилителя 46 Гц - 20 кГц при требованиях к высококлассной технике 20 Гц - 20 кГц ;

- заметность шумов в паузах сигнала;

- необходимость доработки теплоотвода для длительной работы на максимальной мощности.
 

Область применения:

- радиолюбительские конструкции с большой мощностью выходного звукового сигнала (в том числе - с автономным питанием);

- ремонт звуковоспроизводящей аппаратуры;

- переделка пассивных колонок в активные (потребуется регулятор громкости и, желательно, темброблок).
 

Итоговая оценка - очень хорошо!
    Хотя это и не Hi-Fi класс (усилители D-класса в принципе не могут быть Hi-Fi), но добротный средний класс, подходящий для большинства бытовых применений.

Купить можно, например, здесь.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Рекомендации:

1. Обращать внимание на качество используемого источника питания. При возможности, желательно выбрать источник питания с минимальными пульсациями под нагрузкой, так как в большинстве усилителей класса D они автоматически переходят в интермодуляционные помехи - не самые "страшные", но всё равно ухудшающие качество звука.

2. Если планируется работа на максимальной мощности, то использовать блок питания с максимально-допустимым током не менее 8 А, т.к. он должен быть рассчитан на максимальное мгновенное потребление по двум каналам одновременно.

3. Также при работе на максимальной мощности рекомендуется доработать радиатор, как описано в обзоре.

4. Если планируется использовать усилитель с одним и тем же источником питания, то после отладки системы можно закоротить диод "защиты от дурака"; это даст прирост мощности примерно на 5% и уменьшит нагрев внутренних компонентов. После этого ошибаться в полярности нельзя!

5. Для уменьшения уровня помех желательно кабель входного сигнала пропустить через ферритовое колечко (при возможности сделать кабелем 2-3 витка).

Хорошая альтернатива этому усилителю для колонок с более высоким сопротивлением (6-8 Ом) - усилитель на основе микросхемы TDA7498 (обзор).
 

На что обращать внимание при приобретении других вариантов усилителей на микросхеме TPA3116D2.

На AliExress существуют множество вариантов одноплатных усилителей класса D на основе микросхемы TPA3116D2: двухканальных (стерео), трёхканальных (2.1 систем с сабвуфером), одноканальные, со встроенным регулятором громкости, с регулятором громкости и тембра, с каналом Bluetooth и mp3-плеером для воспроизведения звука с карт памяти и "флешек".

В любом из этих вариантов надо обращать внимание на два следующих пункта:

1. Количество и качество электролитов по питанию. Они должны быть "жирненькими", а не тоненькими "столбиками".

2. Каждый канал усилителя должен иметь LC-фильтр, как указано в техническом описании на TPA3116D2.

Где купить: например, у этого продавца на AliExpress ($7-7.5). Если у другого продавца этот же усилитель будет стоить дешевле, то тоже можно брать (товар одинаковый, но следите за стоимостью доставки!).

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Возможные варианты усилителей на TPA3116D2 (внимание - перечисленные далее усилители не протестированы; частично поможет изучение отзывов на страницах товаров):

1. Двухканальный усилитель XH-M569 с повышенной выходной мощностью 2x100 W (отдельная микросхема на каждый канал) - у этого продавца ($12).

2. Одноканальный усилитель XH-M542, 100 Ватт (моно, для стерео нужны 2 усилителя) - у этого продавца.

3. Трёхканальный усилитель 2x50 W + 100 W - у этого продавца ($12). Собран на двух TPA3116D2, одна - в двухканальном режиме, вторая - в одноканальном. Имеет подозрительно малый радиатор для такой конфигурации; может потребоваться усиленный радиатор или принудительная вентиляция.

4. Трёхканальный усилитель 2x50 W + 100 W полностью в сборе в корпусе - у этого продавца ($45, без блока питания, приобретается отдельно). Имеет регулировки громкости и тембра.

5. Двухканальный усилитель 2x50 W с подключением сигнала через AUX и Bluetooth - здесь ($17.1). Собран на одной TPA3116D2. Имеет регулировки громкости и тембра.

6. Трёхканальный усилитель 2x50 W + 100 W (система 2.1) с подключением сигнала через AUX и Bluetooth - здесь ($19.7). Собран на двух TPA3116D2, одна - в двухканальном режиме, вторая - в одноканальном. Имеет регулировки громкости и тембра.

7. Трёхканальный усилитель 2x50 W + 100 W (система 2.1) с подключением сигнала через AUX, Bluetooth, с воспроизведением с карты памяти или "флешки" - здесь ($18.2). Собран на двух TPA3116D2. Имеет регулировки громкости и тембра НЧ.

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Обзоры других усилителей класса D - здесь.

Обзоры усилителей класса AB - здесь.

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

   Искренне Ваш,
   Доктор
   29 сентября 2019 г.
   Последнее обновление страницы - 15.03.2021 г.

При копировании (перепечатке) материалов активная ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!