Тест, обзор, осциллограммы

Стереоусилитель мощности звуковой частоты на микросхемах TDA7294 (2 x 70 W) - мощный и качественный УНЧ класса AB с двухполярным питанием и защитой динамиков
 

Микросхема TDA7294 предназначена для построения усилителей мощности низкой частоты с минимальной внешней обвязкой.

Её главная особенность - использование в оконечном каскаде MOSFET-транзисторов, своего рода "твёрдотельных ламп" (хотя поклонники ламповых усилителей с этим никогда не соглашаются).

Рассмотренная далее плата стереоусилителя на основе этих микросхем содержит также схему защиты звуковых колонок от повреждения при появлении на выходе усилителя постоянной составляющей.

Плата усилителя содержит также диодный мост и сглаживающие электролитические конденсаторы, благодаря чему может питаться непосредственно от сетевого трансформатора с отводом от средней точки во вторичной обмотке.

(Изображение со страницы продавца на Алиэкспресс, кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты TDA7294, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, сделан тепловой снимок, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе TDA7294 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $28. В дальнейшем цена может меняться, проверяйте!
   Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

Оглавление

1. Внешний вид и конструкция одноплатного стереоусилителя класса AB на микросхемах TDA7294 с двухполярным питанием
 

2. Схемотехника одноплатного 2-канального усилителя класса AB на микросхемах TDA7294
 

3. Испытания УНЧ на микросхемах TDA7294
 

4. Окончательный диагноз

Справочно: усилитель (микросхема) TDA7294 - технические характеристики:

Полностью с техническими характеристиками микросхемы можно ознакомиться в datasheet TDA7294 (PDF, 360 KB).

Как можно видеть, микросхема, действительно, очень мощная. Но обеспечить столь высокую мощность она может только при достаточном теплоотводе, так как микросхема работает в классическом классе усиления AB с его относительно невысоким КПД (по сравнению с усилителями класса D).

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

Внешний вид и конструкция одноплатного стереоусилителя класса AB на микросхемах TDA7294 с двухполярным питанием

Плата усилителя - довольно сложная из-за наличия на борту схемы защиты динамиков, поэтому фотографий внешнего вида будет много во всех ракурсах.

Сначала - вид на плату в 4-х диагональных ракурсах:

На приведённых снимках хорошо заметны характерные особенности платы усилителя: крупные электролитические конденсаторы по питанию; внешние соединения с помощью клеммников; реле в цепи защиты динамиков.

Посмотрим ещё на плату с торцов:

На последних фотографиях хорошо заметен номинал больших электролитических конденсаторов по питанию: 10000 мкФ*50 В. Это очень хорошо, поскольку ёмкость - большая, а вольтаж полностью перекрывает диапазон возможного питающего напряжения для TDA7294 (10 ... 40 В).

Но предельная температура электролитических конденсаторов ограничена 85 градусами, т.е. надо следить, чтобы при работе усилителя не было перегрева.

В качестве выпрямительного моста использован мост типа GBJ2510 (25 А, 1000 В). Между прочим, в российских магазинах стоит почти 300 рублей!

К недостаткам моста надо отнести, что он построен на обычных диодах, а не диодах Шоттки, дающих меньшее падение напряжения в прямом направлении.

В заключение этой главы посмотрим на обратную сторону печатной платы:

Разводка сделана культурно, проводники земли и питания сделаны с утолщением.

Но есть здесь и один не очень позитивный момент: понапрасну откусанные излишние части выводов больших электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра выпрямителя.

По-хорошему, их надо было бы не откусывать, а загнуть и припаять жирной каплей припоя: это значительно повысило бы виброустойчивость конструкции, что особенно важно для массивных электролитических конденсаторов. Да и для повышения площади контакта это тоже было бы полезно.

В комплект усилителя входят также изолирующие прокладки для радиаторов (самих радиаторов в комплекте нет, надо добывать своими силами).

Необходимость применения прокладок связана с тем, что металлические подложки микросхем находятся под потенциалом отрицательного напряжения питания (при подключении по схеме с двухполярным питанием), и при креплении радиатора без прокладки это же напряжение будет и на самом радиаторе. Прокладки решают эту проблему.

Но, при креплении радиатора через прокладку значительно увеличивается тепловое сопротивление микросхема-радиатор, и, соответственно, снижается допустимая рассеиваемая мощность.

Так что, если нет необходимости в обязательной изоляции радиатора, то лучше обойтись без прокладки (так и будет сделано по ходу теста).

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

Схемотехника одноплатного 2-канального усилителя класса AB на микросхемах TDA7294

В комплекте с платой усилителя была также приложена его схема (чудо!).

Правда, эта схема не самой платы, а сборка из типовых схем применения микросхем TDA7294  и uPC1237 (отвечает за защиту). Так что номиналы элементов на схеме не совпадают с элементами на плате усилителя; а силовая часть (выпрямитель и сглаживающий фильтр) в этой схеме вообще отсутствует.

Так что лучше пользоваться официальными типовыми схемами из datasheet-ов: datasheet TDA7294, datasheet uPC1237.

Теперь разберёмся с основным элементным составом платы, не вдаваясь в мелочи.

1 - Клеммник для подачи питания.

2 - Выпрямительный мост GBJ2510.

3, 4 - Электролитические конденсаторы по питанию 10000 мкФ*50 В.

5 - Линейный стабилизатор напряжения L7824CV для схемы защиты динамиков (24 В). Чуть правее расположен зелёный светодиод, индицирующий наличие питания.

6 - Микросхема uPC1237 защиты динамиков.

7 - Реле защиты динамиков Omron G2R-2 24VDC (обмотка 1100 Ом, коммутируемый ток 5 А).

8,9 - Микросхемы усилителя мощности TDA7294.

10 - Клеммник выхода усилителя.

11 - Клеммник входа усилителя.

12 - Плёночные конденсаторы на входе усилителя 2.2 мкФ*100 В (качество+, лучше керамики и электролитов!).

Несколько слов о схеме защиты динамиков, ибо она привносит некоторые особенности в работу усилителя.

Схема защиты должна реагировать на появление постоянной составляющей на выходах в течение длительного времени, а также на пропадание напряжения на вторичной обмотке трансформатора. То есть, она должна отключать выходы от динамиков в этих ситуациях.

Важно, что номинальное напряжение питания микросхемы защиты - довольно высокое (25 - 60 В), и аналогично номинальное напряжение включения реле - тоже значительное (24 В).

Иными словами, хотя микросхемы усилителя TDA7294 могут работать при низком напряжении (от ±10 В), схема защиты при таком напряжении не сможет включить реле и сигнала на выходе не будет!

Так что для нормальной работы именно этой платы низкое напряжение не подойдёт, нужно хотя бы ±24 В.

Испытания УНЧ на микросхемах TDA7294

Список использованного при тестировании оборудования будет приведён в конце обзора.

Программа испытаний такова:

1. Проверка работы на максимальной мощности выхода и температурного режима.

2. Проверка работы на сигналах различной формы (треугольник, пила, прямоугольник).

3. Проверка работы на высокой частоте.

4. Проверка АЧХ.

5. Проверка работы схемы защиты динамиков.

6. Проверка потребления в состоянии покоя, шумов и коэффициента усиления.

Все тесты проводились при напряжении питания ±24 В (измерено на электролитических конденсаторах 10000 мкФ).

1. Проверка работы на максимальной мощности выхода и температурного режима

В этом испытании термин "максимальная мощность" применён условно, исходя из имеющегося в наличии двухполярного источника питания ±24 В и при сопротивлении нагрузки 4 Ом. Впрочем, если исходить из предельно-допустимого тока через реле в 5 А, это и будет режим работы с максимальной мощностью.

В тесте нагружался только один из каналов усилителя.

В качестве теплоотвода использовался радиатор, снятый с кулера процессора Intel socket 478.

Осциллограмма при наступлении клиппинга (отсечки), частота сигнала 1 кГц:

Мощность на выходе в таком режиме составила 53 Вт, что очень неплохо.

После 15 минут работы в таком режиме был сделан температурный снимок:

По термоснимку можно констатировать высокий нагрев микросхемы (95 градусов). Длительная работа в таком режиме не рекомендуется.

Также в промежутке между большими электролитическими конденсаторами виден сильно разогревшийся диодный мост.

Если говорить не о синусе, а о реальном аудио-сигнале, то его средняя мощность значительно ниже максимальной, и, теоретически, тепловая рассеиваемая мощность тоже должна быть ниже.

Но при этом есть и обстоятельства, которые ухудшат условия работы в реальном режиме.

Во-первых, в тесте был нагружен только один канал, а при "боевой" работе будут нагружены оба канала.

Во-вторых, тест проводился на открытом пространстве (на столе), а в реальной работе усилитель будет находиться в корпусе, что ухудшит условия вентиляции.

В случае необходимости возможно применение принудительной вентиляции; но чем вентиляция лучше, тем она шумнее, что не всегда приемлемо.

При снижении выходного напряжения всего на 2% клиппинг полностью пропадал:

Выходная мощность составила 51 Вт, что тоже очень неплохо.
 

2. Проверка работы на сигналах различной формы (треугольник, пила, прямоугольник)

Частота сигнала - 2 кГц, уровень сигнала - максимальный без клиппинга, нагрузка - 4 Ом.

Треугольный сигнал:

Пила и обратная пила:

Прямоугольный сигнал. В прямоугольнике нас будут интересовать фронты (передний и задний):

Испытания на всех перечисленных выше сигналах прошли успешно: линейность - хорошая, фронты прямоугольника достаточно крутые и ровные.
 

3. Проверка работы на высокой частоте

Частота сигнала - 200 кГц, уровень сигнала - 0.5 от максимального, нагрузка - 4 Ом.

Синус даже на такой частоте трудно отличить от идеального.
 

4. Проверка АЧХ

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой в диапазоне 10 Гц - 50 кГц; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя.

Один период повторения сигнала с линейно-нарастающей частотой отмечен красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в диапазоне 10 Гц - 50 кГц.

Масштаб графика по горизонтали - 4.3 кГц/деление.

Характеристика - очень хорошая, её даже хочется назвать идеальной.

Но, поскольку область нижних частот на этом графике была пройдена очень быстро, она была отдельно происследована вручную. Полоса пропускания на уровне 0.7 (т.е. минус 3 дБ) составила 11 Гц.
 

5. Проверка работы схемы защиты динамиков

Схема защиты построена на микросхеме uPC1237 (полный аналог СА1237HA).

Кроме отключения динамиков при появлении постоянной составляющей на выходе УМЗЧ, она обеспечивает также задержку их подключения при подаче питания, и должна отключать динамики при исчезновении напряжения на питающем силовом трансформаторе (этот пункт не проверялся, так как усилитель при испытаниях питался от стабилизированного импульсного источника).

Задержка подключения динамиков при подаче питания составила около 1 секунды.

Для проверки срабатывания защиты при появлении постоянной составляющей на вход усилителя был подан "медленный" сигнал с нарастающей амплитудой. На осциллограмме видно, как на последней полуволне сигнал резко упал до нуля - это сработала защита:

После срабатывания схемы защиты она не восстанавливается автоматически, даже если причина срабатывания устранена. Для восстановления необходимо полностью снять питание на несколько секунд.

Кроме того, надо отметить, что защита отключает оба канала усилителя, если проблема возникла хотя бы в одном из них.
 

6. Проверка потребления в состоянии покоя, шумы, коэффициент усиления

В связи с тем, что схема защиты динамиков питается только от положительного источника питания, потребление усилителя по положительному и отрицательному питанию оказалось разным.

Потребление по "плюсу" питания составило до включения реле 110 мА, после включения - 131 мА.

Потребление по "минусу" питания составило 99 мА.

Шумы на выходе почти не заметны. При коротком замыкании входов на землю слабенькие шумы можно услышать, только если вплотную прижаться ухом к звуковой колонке.

Коэффициент усиления составил 32.

И ещё одна маленькая, но важная деталь: признаков самовозбуждения не обнаружено.

Переходим к итогам и выводам.

Окончательный диагноз одноплатного стерео усилителя мощности звуковой частоты на микросхемах TDA7294 со схемой защиты динамиков

Усилитель оказался максимально близким к идеалу среди УМЗЧ класса AB с двухполярным питанием.

У него всё прекрасно: высокая выходная мощность, низкие искажения, низкие шумы и прекрасная АЧХ.

Но, в связи с применением схемы защиты динамиков, нужно учитывать связанный с этим нюанс - возникающие из-за этого ограничения по допустимому диапазону напряжений питания. Он оказывается более узким, чем это допустимо для микросхем TDA7294. Реально для гарантированной нормальной работы усилителя напряжение питания должно находиться в пределах от ±24 В до ±40 В.

Купить протестированный одноплатный усилитель на TDA7294 можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату обзора - около $28. В дальнейшем цена может меняться в любую сторону, проверяйте!

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

Если у других продавцов эта же плата найдётся дешевле, то тоже можно брать - товар одинаковый.

Возможно также приобретение платы без элементов для создания усилителя своими руками с отклонениями от варианта, предлагаемого продавцом в собранном виде.

Рекомендации

1. В первую очередь, помним о теплоотводе. Использовать протестированную плату без теплоотвода вообще нельзя; и чем больше планируемая мощность в нагрузке, тем больше должна быть поверхность радиаторов (извините за банальность).

Радиатор желательно прикреплять к микросхемам без термопрокладок, если это не нарушит безопасность как самого усилителя, так и окружающих людей.

2. Если же Вы собираетесь применять усилитель с более низкими напряжениями питания, чем были указаны для протестированной платы, то надо покупать плату усилителя без схемы защиты динамиков, например, эту. Цена - около $18. Внимание - усилитель не протестирован!

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

При тестировании усилителя использовалось следующее оборудование:

- тепловизор UTi260M (обзор);

- осциллограф Hantek DSO5102P (обзор);

- импульсный двухполярный блок питания ±24 В (обзор);

- DDS генератор сигналов FeelTech FY6800 (обзор).
 

Дополнительно:

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
   21 января 2023 г.

  Комментарии вКонтакте:

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