Тест, обзор, осциллограммы

Мостовой усилитель мощности звуковой частоты на микросхемах LM3886 класса AB (136 W) - отличные характеристики и сила цунами
 

Обзор посвящен одноплатному монофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса AB на основе двух микросхем LM3886 номинальной мощностью 1x136 Вт.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты LM3886, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Данный обзор можно считать "архивным": по состоянию на 2024 г. платы усилителей на основе чипа LM3886 активно вымываются из продажи, ассортимент снижается и найти их всё сложнее.

В связи с этим обстоятельством вместо усилителей на LM3886 рекомендуется применять наиболее близкие к ним по характеристикам усилители на TDA7294 (обзор).

(Одноканальный мостовой усилитель низкой частоты на LM3886; изображение с официального сайта AliExpress)

Небольшие пояснения к структуре платы.

Ключевой элемент платы, усилитель мощности LM3886 - это одноканальный усилитель мощности низкой частоты с двухполярным питанием (есть возможность включения с однополярным питанием, но это - сложнее).

Мостовая схема реализована за счет размещения на плате второй микросхемы, которая работает в качестве инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи минус 1.

Далее перечислены характеристики LM3886 в "одиночном" включении (т.е. не в составе мостового усилителя).

Усилитель (микросхема) LM3886 - технические характеристики:

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).

Нижнюю границу полосы пропускания производитель микросхемы не указал, поскольку микросхема представляет собой низкочастотный операционный усилитель и может использоваться в качестве усилителя постоянного напряжения с полосой частот от 0 Гц.

Микросхема выпускается в двух модификациях в зависимости от типа корпуса: LM3886TF - с корпусом, полностью покрытым пластиком (как в тестируемой версии) и LM3886T - с открытым металлическим теплоотводом.

Схемотехнически микросхема выполнена на биполярных транзисторах, включая и выходной каскад (т.е. без применения MOSFET-ов и других типов полевых транзисторов).

Полностью все характеристики и типовые схемы включения LM3886 с однополярным и двухполярным питанием указаны в техническом описании (datasheet) LM3886 (PDF, 850 KB). Правда, типовые схемы включения, приведённые в документе, не отличаются полнотой.

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

Внешний вид и конструкция одноплатного одноканального усилителя класса AB на микросхеме LM3886 с однополярным питанием

Никакой документации в комплекте усилителя не было, но обозначений на самой плате достаточно для её правильного подключения.

Посмотрим на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Вид с противоположной диагонали:

Все внешние подключения осуществляются без помощи пайки - с помощью клеммников под винт.

Задняя сторона платы:

На этом снимке видна главная особенность применённых микросхем LM3886TF - изолированный корпус.

Это позволит использовать радиатор, не заботясь о его электрической изоляции от металлических элементов корпуса усилителя. Он может даже выходить наружу и при этом быть электробезопасным для потребителей, если только не допущено каких-то других нарушений по этой части.

Обратная сторона платы:

Металлизация на плате - двухсторонняя: и на верхней, и на нижней стороне.

На верхней стороне металлизация покрыта защитным лаком чёрного цвета, а на нижней - светлым (белым с лёгким голубым оттенком).

И на верхней, и на нижней стороне лак - слабо прозрачный, из-за чего на плате довольно трудно отслеживать расположение соединительных дорожек.

Флюс, в основном, отмыт хорошо; но кое-где пришлось его дотереть.

По углам платы расположены отверстия для её закрепления в корпусе.

Перед испытаниями к микросхемам платы был прикреплён теплоотвод, в качестве которого использовался ставший не нужным кулер от процессора Intel Pentium 4 (S478).

Получилась такая конструкция:

Вид с обратной стороны:

Данную конструкцию вряд ли можно считать оптимальной: из-за горизонтального расположения рёбер естественная вентиляция радиатора будет ухудшена. По-хорошему, усилителю требуется более крупный радиатор и с вертикальным расположением рёбер (или игольчатый).

Так что данную конструкцию можно рассматривать не как окончательную, а только как временную для проведения испытаний.

Внимание! При установке радиатора (-ов) применение термопасты крайне желательно!

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

Схемотехника одноплатного одноканального усилителя класса AB на микросхеме LM3886 с однополярным питанием

Перед анализом схемы посмотрим на плату усилителя вертикально сверху:

Особенность платы - в том, что она при необходимости легко может быть легко переделана из одноканальной мостовой схемы (BTL) в двухканальный стереоусилитель. Для этого на плате даже установлены некоторые "лишние" элементы и сделаны контактные площадки для внешних соединений.

Ещё один вариант получения стереозвучания - приобретение двух таких плат, каждая из которых будет работать в своём канале.

Усиление обеспечивается правой микросхемой на фото (коэффициент усиления - 22), а левая работает в качестве инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи минус 1. Итого, благодаря мостовой схеме, полное усиление составляет 44.

Ножки микросхем - очень широкие, явно рассчитанные на высокий ток.

Самые яркие (в прямом смысле) элементы на плате - большие красные плёночные конденсаторы с номиналом 2.2 мкФ*250 В. То, что они - плёночные, это - хорошо (стабильность). А допустимое напряжение в 250 В - это явное излишество (можно было бы и ниже в разы). Вероятно, производитель закупил по дешевке вагон этих конденсаторов, и теперь ставит их, где попало. :)

При этом рабочим в мостовой схеме является только правый конденсатор на фото, а левый припаян на случай переделки в стереоусилитель и перемычкой внизу замкнут на землю (перемычка видна на фото).

На плате есть элементы для предотвращения самовозбуждения схемы: прямой и инвертирующий входы микросхем соединены конденсаторами 220 пФ; а на выходах микросхем припаяны RC-цепочки (10 Ом + 0.1 мкФ), соединённые с землёй.

Принципиально важно, что при включении в мостовой схеме удваивается напряжение на нагрузке по сравнению с "обычным" включением при том же напряжении питания; и, соответственно, удваивается и ток. В связи с этим при высоких напряжениях питания может возникнуть перегрузка по току.

В таких случаях может оказаться невозможной работа с нагрузкой 4 Ом, и работа будет возможна только с нагрузкой 6-8 Ом или выше.
 

Испытания мостового УНЧ с двухполярным питанием на микросхеме LM3886

При измерениях использовались: импульсный блок двухполярного питания на ±24 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

По указанным выше причинам испытания проводились с нагрузкой 8 Ом.

Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он составил 102 мА.

Формально такое значение тока покоя - небольшое; но, с учётом высокого напряжения питания, это приводит к существенному нагреву усилителя (мощность рассеяния - 4.9 Вт). В конфигурации с радиатором, изображенным на фото в предыдущей главе, температура составила 46 градусов при температуре окружающей среды 22 градуса.

Шумы усилителя оказались очень малы и практически не заметны.

Испытания с синусоидальным сигналом

Синус 1 кГц, амплитуда ~0.5 от максимальной:

При таком уровне сигнала форма синуса - практически идеальная, при этом мощность в нагрузке составляет уже 24.5 Вт.

Синус 1 кГц, амплитуда - на уровне начала ограничения:

На верхушках сигнала заметна небольшая "бахрома", которая может свидетельствовать о процессах самовозбуждения в эти моменты.

Мощность на выходе W = U^2 / 2R = 101 Вт. Очень неплохо!

При этом ток, потребляемый от источника питания, составил 3.1 А (мощность 48В * 3.1 А = 148.8 Вт).

КПД усилителя составил, соответственно 101/148.8 = 68%.

При этом надо отметить относительно высокое "остаточное" напряжение на транзисторах выходного каскада микросхем - около 4 В. Это может стать причиной сильного падения выходной мощности и КПД при низких значениях напряжения питания.

Нагрев был сильным; температура микросхем с применённым радиатором составила 76 градусов (измерена инфракрасным термометром Benetech 531).

Синус 1 кГц, амплитуда - с ограничением:

Вокруг плоских площадок на уровнях ограничения видны "рожки" с кратковременным более высоким уровнем сигнала. Происхождение этих "рожек" объяснить затруднительно.

Для обнаружения искажений типа "ступенька" (характерных при переходе сигнала через нулевой уровень) использовался синусоидальный сигнал с частотой 100 кГц с уровнем ~0.5 от максимального.

Частота в 100 кГц была выбрана по той причине, что обычно такие искажения более заметны на высоких частотах.

В данном случае они имеют незначительную величину. На картинке с масштабом 5 В / дел. их вообще не удаётся обнаружить; но при масштабе 1 В / дел. можно заметить некоторый изгиб вблизи нуля (для его обнаружения рядом проведена прямая линия красным цветом:

Для обнаружения этого изгиба пришлось создать совершенно нереальные условия работы усилителя.

В реальных условиях никакого искажения сигнала по причине "ступеньки" нет.

Синусоидальный сигнал использовался также и для проверки работы одной из микросхем усилителя не в мостовом, а в одиночном включении; при этом была подключена нагрузка 4 Ом.

Синус 1 кГц, нагрузка 4 Ом, одиночное включение, амплитуда - с ограничением:

Мощность на нагрузке составила 51 Вт, потребляемый ток - 1.6 А, КПД = 66%.

Испытания с сигналом прямоугольной формы

Прямоугольник 10 кГц, амплитуда в "плоской" части ~0.5 от максимальной:

На осциллограмме видны выбросы вблизи фронтов сигнала. Судя по их несимметричности, они возникли не только из-за наличия частотно-зависимых элементов в схеме платы, но и из-за внутренних особенностей микросхемы LM3886.

Прямоугольник 2 кГц, амплитуда в "плоской" части - максимальная:

На этой осциллограмме "рожки" выбросов оказались почти полностью срезаны, так как вышли за границы динамического диапазона.

В нижней полуволне видна "бахрома", предположительно, от самовозбуждения.

Мощность на выходе составила 185 Вт, мощность потребления 228 Вт, КПД 81%.
 

Испытания с сигналом треугольной и пилообразной формы

Треугольник, пила и обратная пила 2 кГц, амплитуда ~0.5 от максимальной:

Склоны треугольника и пилы - практические идеальные, но сигнал на последней осциллограмме сопровождается сильным выбросом (как на прямоугольнике).
 

Треугольник 1 кГц, пила и обратная пила 2 кГц, амплитуда - максимальная:

Линейность склонов треугольника и обоих пилообразных сигналов - на высшем уровне, и только "бахрома" в точках минимума сигнала на первой и второй осциллограммах слегка портит гламур.
 

Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме LM3886

Амплитудно-частотная характеристики снималась методом подачи на вход сигнала с линейно-нарастающей частотой от 10 Гц до 40000 Гц.

И вот что получилось:

Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц - 40 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне.

АЧХ получилась абсолютно плоской, что подтверждает высокие характеристики применённых микросхем LM3886.

Более детальная проверка в области низких частот показала, что по уровню минус 3 дБ полоса начинается от частоты 3.3 Гц.

Что касается высоких частот (свыше 40 кГц), то был обнаружен плавный подъём характеристики в районе 230 - 240 кГц примерно на 18%, после чего шёл уже довольно быстрый спад.

Видимо, из-за этого подъёма и образовывались выбросы, заметные на осциллограммах с прямоугольным и пилообразным сигналами.
 

Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме LM3886

Усилитель показал себя с самой наилучшей стороны.

Он, действительно, может отдавать в нагрузку очень большую мощность с ничтожными искажениями.

Небольшие шероховатости в виде "бахромы" возникают только при подаче сигнала на уровне максимального напряжения на выходе; что, в общем-то, не является рабочим режимом с точки зрения качества воспроизведения сигнала.

Кроме очень малых искажений, усилитель отличается прекрасной амплитудно-частотной характеристикой.

И, наконец, до кучи: при желании этот монофонический мостовой усилитель можно переделать в стереофонический "обычный" усилитель.

Особенность усилителя - требование довольно высокого напряжения питания, не менее ±10 В. А лучше - более высокое напряжение питания (от ±20 В) для получения высокой выходной мощности и улучшения КПД.
 

Обзоры других усилителей класса AB - здесь.
 

Обзоры усилителей класса D - здесь.
 

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

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

   Искренне Ваш,
   Доктор
   16 февраля 2021 г.

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