Тест, обзор, осциллограммы

Усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TDA2050 класса AB (1x32 W) - вечная молодость классической технологии!
 

Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса AB на основе микросхемы TDA2050 номинальной мощностью 1x32 Вт.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты TDA2050, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе TDA2050 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $4 с учётом доставки.

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

(усилитель низкой частоты на TDA2050 и схема его подключения; изображение с официального сайта AliExpress)

Небольшие пояснения к схеме подключения платы.

Ключевой элемент платы, усилитель мощности TDA2050, может работать как с однополярным, так и с двухполярным питанием.

Поскольку эта плата рассчитана на однополярный источник питания, то контакты "Power IN-", "Audio IN-" и "Speaker-" соединены вместе прямо на плате, это - "Земля".

Усилитель (микросхема) TDA2050 - 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).

В дополнение к этим параметрам надо сказать, что максимальная мощность микросхемы может доходить до 35 Вт, но при нагрузке 4 Ом и коэффициенте нелинейных искажений 10%, что вряд ли заинтересует пользователей.

Нижнюю границу полосы пропускания (20 Гц) производитель микросхемы указал чисто формально. Фактически 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 направления изгиба выводов: TDA2050V - с вертикальной ориентацией (как в тестируемой версии) и TDA2050H - с горизонтальной ориентацией.

Эта микросхема имеет глубокую историю (выпускается уже около 20 лет) и позитивную репутацию, что и позволило ей столь долгое время оставаться актуальной.

Её историческая предшественница, TDA2030, имеет ещё более древнюю историю и совместима с TDA2050 по выводам, но имеет меньшую мощность.

Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA2050 с однополярным и двухполярным питанием указаны в техническом описании (datasheet) TDA2050 (PDF, 3.2 Mb).

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

Внешний вид и конструкция одноплатного одноканального усилителя класса AB на микросхеме TDA2050 с однополярным питанием

Никакой документации в комплекте усилителя не было, но осмотр показал полное совпадение схемы с той, которая приведена в datasheet на микросхему для варианта с однополярным питанием; добавлен только переменный резистор регулировки громкости.

Со схемой, приведённой в datasheet, совпадает даже нумерация резисторов. Нумерация конденсаторов, вероятно, тоже совпадает; но она на плате расположена под конденсаторами и различить её невозможно.

Посмотрим на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Вид с противоположной диагонали:

Здесь надо обратить внимание на несколько моментов.

Микросхема прикреплена к теплоотводу через прокладку. Это означает, что теплоотвод изолирован и на нём не будет того потенциала, который есть на металлической части микросхемы. В данном случае это - потенциал "Земли", но в двухполярном варианте это был бы потенциал источника отрицательного питания.

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

Задняя сторона платы:

Площадь радиатора составляет около 59 кв. см. Это - не так уж и много с учетом того, что с древних времён считается соответствующей манерам хорошего тона площадь в 10 кв. см на каждый Ватт рассеиваемой мощности.

Обратная сторона платы:

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

К сожалению, флюс отмыт не очень хорошо. Но мешать работе УНЧ это не должно.

В нижних углах платы видны отверстия для прикрепления платы в используемой конструкции. Лучше было бы, если бы этих отверстий было не 2, а 4 (по всем углам), но так - тоже сгодится.

В середине платы внизу видны 5 отверстий, расположенных под радиатором теплоотвода для улучшения циркуляции воздуха.

Сам радиатор закреплён на плате с помощью двух штырьков, припаянных к плате.

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

Схемотехника одноплатного одноканального усилителя класса AB на микросхеме TDA2050 с однополярным питанием

Перед анализом схемы посмотрим на плату усилителя вертикально сверху:

Здесь отметим, что регулятор громкости припаян слегка кривовато. При наличии паяльника и "прямых рук" это - легко поправимо.

Теперь посмотрим на схему усилителя из даташит на микросхему TDA2050 (по сравнению с ней на плате добавлен только переменник регулировки громкости):

Схема включения TDA2050 с однополярным питанием

Теперь - пробежимся по основным элементам платы.

1. R1, R2, C2 - схема создания искусственной средней точки питания (при двухполярном питании не требуется).

2. C3, C5 - блокировочные конденсаторы по питанию.

3. R5, C4, R4 - отрицательная обратная связь с выхода на инвертирующий вход TDA2050. Задаёт коэффициент усиления схемы. Рассчитывается как R5/R4 + 1, и в данном случае составляет 33.4.
   Конденсатор C4 предотвращает смещение уровня на инвертирующем входе относительно середины питания и заодно ограничивает полосу пропускания снизу. В данном случае полоса цепи обратной связи по уровню -3 дБ составляет около 11 Гц, что не будет критичным. Этот конденсатор должен присутствовать и в схеме с двухполярным питанием; иначе, из-за усиления постоянной составляющей возможно сильное смещение нуля на выходе.

4. Цепь R6C6 служит для предотвращения самовозбуждения усилителя.

5. C7 - конденсатор развязки между выходом микросхемы TDA2050 и нагрузкой. Необходим для предотвращения попадания постоянного напряжения с выхода микросхемы (равно половине питания) в нагрузку.
   Этот конденсатор попутно выполняет зловредную функцию: "режет" низкие частоты.
   При нагрузке 4 Ом частота среза по уровню -3 дБ составит 40 Гц, при нагрузке 8 Ом - 20 Гц.
   При двухполярном питании этот конденсатор не требуется.
 

Испытания УНЧ на микросхеме TDA2050

При измерениях использовались лабораторный блок питания LW-K3010D (обзор) и DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор). Номинально источник питания может отдавать напряжение 30 В при токе до 10 А, но по факту напряжение может может составлять до 32 В.

Сначала было замерено потребление усилителя без подачи сигнала с установленным в "ноль" регулятором громкости. Ток потребления холостого хода менялся в зависимости от напряжения питания и составлял следующие значения:
     9 В - 14.5 мА
   12 В - 15.6 мА,
   20 В - 17.5 мА,
   32 В - 19.6 мА.
   Такие значения тока покоя - очень небольшие.

Шумы усилителя оказались очень малы и практически не заметны. Но надо отметить, что ручка регулятора громкости собирает наводки "из воздуха", поэтому желательно корпус этого переменника заземлить.

Малосигнальные испытания (амплитуда на выходе до 2 В, нагрузка 4 Ом)

Испытания проводились при напряжении питания 32 В.

Синус 20 кГц:

Синус - практически идеальный.

Повышаем частоту - синус 100 кГц:

На частоте 100 кГц заметны небольшие неровности вблизи перехода отрицательного спада через ноль. Также немного упала амплитуда.

Повышаем частоту до 200 (!) кГц:

Неровности уже очень хорошо заметны; они принимают выраженную пилообразную форму.

Этот же сигнал, растянутый по горизонтали:

Искажения видны уже очень хорошо, но они находятся далеко за пределами слышимого диапазона. То есть, этих страшных зазубрин совсем не надо пугаться. :)

Несколько слов о происхождении таких несимметричных искажений (только на спаде, на подъёме их нет).

Они связаны с тем, что в усилителях на обычных биполярных транзисторах все транзисторы усилителя не могут быть одной и той же полярности (n-p-n), в схеме должен быть хотя бы один транзистор другой полярности (p-n-p).

Транзисторы разных типов проводимости формируются на кристалле микросхемы по-разному. Чаще всего транзисторы p-n-p формируются в виде т.н. "боковых" транзисторов.

По этой причине эти транзисторы по-разному ведут себя в предельных режимах и возникают несимметричные искажения в разных полуволнах или на разных фронтах.

По итогам этой части испытаний можно сказать, что полоса пропускания усилителя в области высоких частот составила чуть более 200 кГц, что значительно превышает требования к аппаратуре высокого класса.

Теперь переходим на прямоугольный сигнал.

Частота сигнала - 10 кГц; вершины - плоские (как и должно быть), но фронты - явно не бесконечно-короткие.

Посмотрим на передний и задний фронт в увеличенном виде.

Передний фронт:

Теперь - задний фронт:

Здесь можно видеть те же пилообразные искажения, которые присутствовали на синусе 200 кГц.

В целом поведение усилителя на прямоугольном сигнале можно оценить положительно: "шероховатости" хотя и имеются, но сколь-нибудь существенно на воспроизведении сигналов звуковой часты не отразятся.
 

Испытания на сигналах высокой амплитуды (сравнимой с напряжением питания), нагрузка 4 Ом

Начать надо с того, что попытка раскачать максимум амплитуды при напряжении питания 32 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом оказалась неудачной.

После 2-3 секунд работы в таком режиме в микросхеме TDA2050 срабатывала защита от перегрева, сигнал искажался, а затем амплитуда резко падала:

Проблема - не столько в малой площади радиатора, сколько в повышенном тепловом сопротивлении от микросхемы к радиатору, поскольку между ними находятся два препятствия: изолирующая прокладка и слой чёрной краски на радиаторе.

Стабильной работы с нагрузкой 4 Ом удалось добиться при напряжении питания 20 В:

В таком режиме мощность на выходе составила 5.3 Ватт.

Кстати, на осциллограмме заметна небольшая несимметричность ограничения сигнала: верхняя полуволна уже немного ограничивается (клиппинг), а нижняя - ещё нет.

Тем не менее, и в таком режиме через несколько минут пришлось тест прекратить из-за подозрительно высокого нагрева радиатора.

Но в режиме прослушивания музыки перегрева быть не должно, поскольку средняя мощность музыкального сигнала ниже мощности синуса при равном пиковом уровне.

Подытоживая эту часть испытаний надо сказать, что работа с нагрузкой 4 Ом оказалась тяжела для усилителя.

И вот тут самое время проверить, как он будет работать с нагрузкой 8 Ом.
 

Испытания на сигналах высокой амплитуды (сравнимой с напряжением питания), нагрузка 8 Ом

На этот раз работа с напряжением питания 32 В оказалась успешной, поэтому именно при таком питании и проведены тесты.

Начинаем с банального синуса:

Здесь тоже заметна несимметричность ограничения сигнала.

За счёт увеличения напряжения питания увеличилась и мощность, отдаваемая в нагрузку, в данном тесте она составила 11 Вт.

Можно было бы, теоретически, и ещё больше поднять мощность, увеличив напряжение питания. Но дальше повышать напряжение питания нельзя: "большие" электролиты на плате имеют номинальное напряжение 35 В, и может получиться хороший "бабах!".

Теперь - прямоугольник с размахом "под потолок":

Здесь тоже всё довольно красиво.

Рассмотрим детально фронты:

Здесь всё красиво.
 

А на этой осциллограмме видны всё те же зазубрины, которые мы уже видели раньше.

Нагрев радиатора через несколько минут снова дошел до опасной величины, тест был прекращён.

Последний эксперимент - определение минимального напряжения питания, при котором усилитель работоспособен. Оно составило 4.5 В (мощность в нагрузке не проверялась).

Промежуточный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA2050

Почему диагноз - промежуточный? Потому, что далее последует доработка усилителя, призванная устранить некоторые его недостатки. Но это - потом.

А сейчас начнём с того, что разберёмся, почему усилитель не смог отдать мощность, заявленную в технических параметрах на TDA2050.

Основных причин - две: недостаточно высокое напряжение питания и откровенно слабый теплоотвод.

По результатам испытаний можно рекомендовать использовать протестированный усилитель с напряжением питания до 32 Вольт при нагрузке в 8 Ом; а при использовании нагрузки 4 Ом - с питанием до 20 Вольт. В последнем случае можно, естественно, подключать и нагрузку 8 Ом, но мощность в нагрузке тогда будет значительно ниже.

Усилитель имеет крайне малые искажения в области звуковых частот и подходил бы для работы в составе высококачественных систем, если бы не ограничения полосы в области низких частот, что определяется используемыми компонентами.

В принципе, можно полосу поправить, установив разделительный конденсатор на выходе с большей ёмкостью, но для этого придётся доработать плату (подобрать совместимый по габаритам электролит и произвести перепайку).

В области высоких частот, наоборот, характеристика усилителя - очень хорошая и имеет хороший запас полосы пропускания.
 

Модернизация одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA2050

Как отмечалось в разделе испытаний, усилитель плохо работает с нагрузкой 4 Ом при высокой выходной мощности; а причина этого - перегрев микросхемы и, как следствие, включение защиты от перегрева.

Для борьбы с этим усилитель был модернизирован: вместо штатного радиатора был применён другой, более крупный со значительно более высокой площадью оребрения.

В качестве такового радиатора был использован массивный кулер от процессора Intel Pentium IV со снятым вентилятором.

Микросхема TDA2050 была прикручена к радиатору без прокладки и с применением термопасты:

Теперь снова было установлено напряжение питания 32 В и подан сигнал на грани ограничения на выходе:

Теперь в таком режиме микросхема уже оказалась способной работать длительное время, не впадая в термозащиту.

Амплитуда сигнала на выходе составила 10.5 В, мощность на нагрузке - 13.8 Вт.

Несмотря на это, работу в таком режиме нельзя назвать успешной.

Остаточное напряжение на выходных транзисторах было довольно большим, из-за чего КПД остался низким (менее 50%), а нагрев даже нового массивного радиатора - высоким (разве что не доходил до срабатывания термозащиты).
 

Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA2050

Теперь уже можно подвести окончательные итоги тестирования.

Усилитель хотя и оказался работоспособен с нагрузкой 4 Ом, это - явно не его епархия. Низкий КПД и высокий нагрев - это не то, что украсит радиолюбительскую конструкцию.

В тоже время работа на нагрузке 8 Ом - весьма позитивна, и именно такой вариант применения усилителя можно рекомендовать.

В качестве философской части диагноза надо отметить, что самое лучшее применение микросхемы TDA2050 - в УНЧ с двухполярным питанием. В этом случае можно отказаться от разделительного конденсатора на выходе, что исправит характеристику в области низких частот и сделает усилитель вполне пригодным для истинно высококачественного воспроизведения.

А вариант с однополярным питанием следует оставить для тех случаев, когда нет возможности организовать двухполярное подключение.

Ещё одна возможность отказа от разделительного конденсатора на выходе - это построение усилителя на основе другой микросхемы, имеющей мостовой выход. В этом случае возможна работа и с однополярным питанием. Например, по такой схеме построен усилитель-плеер Kentiger HY-502S (обзор), в котором применёна микросхема УНЧ TDA7297SA c мостовым выходом.

Где купить УНЧ на TDA2050

Купить плату протестированного в этом обзоре усилителя на основе TDA2050 можно на Алиэкспресс по этой ссылке. Цена на дату обзора - около $3.5 с учётом доставки (в дальнейшем может меняться).

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

На Алиэкспресс есть ещё один интересный вариант усилителя 2.1 (стерео + сабвуфер + темброблок) на микросхемах TDA2030 (2 шт.) и TDA2050 (1 шт.) по этой ссылке. Но он требует двухполярного питания; либо может питаться непосредственно от трансформатора с отводом от средней точки выходной обмотки. Цена - около $11.5. Внимание - усилитель не протестирован!

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

Обзоры других усилителей класса AB - здесь.
 

Обзоры усилителей класса D - 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
   16 августа 2020 г.

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