Тест, обзор, осциллограммы

Двухканальный усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TDA7498 класса D (2x100 W) с беспроводным каналом Bluetooth и воспроизведением с micro-SD карты (тест и обзор)
 

Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D под наименованием XH-A105 мощностью 2x100 Вт.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы стерео-усилителя D-класса TDA7498, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

(усилитель низкой частоты XH-A105 на TDA7498 и схема его подключения; изображение с официального сайта AliExpress)

Усилитель (микросхема) TDA7498 - 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).

Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA7498 указаны в техническом описании (datasheet) TDA7498 (PDF, 1.0 Mb).

Надо отметить, что указанные в таблице значения относятся именно к микросхеме TDA7498, а не ко всему тестируемому одноплатному усилителю XH-A105 в целом.

В чём отличия?

1. Для питания платы нельзя подавать максимальное напряжение, указанное в таблице для входящей в её состав микросхемы TDA7498. На плате установлены электролитические конденсаторы с номинальным напряжением 35 В, в связи с чем превышение данной величины напряжения питания - опасно. Но ещё лучше - устанавливать напряжение питания ещё немного ниже, оставляя небольшой запас с целью не доводить конденсаторы до предельных технических параметров (что вообще ни для каких радиоэлементов не рекомендуется). В тестах использовалось максимальное напряжение 32 В.

2. На плате имеется дополнительная аналоговая обвязка для воспроизведения сигналов, в связи с чем усиление платы будет отличаться от усиления одной только микросхемы (будет выше).

3. Дополнительные возможности одноплатного усилителя XH-A105: воспроизведение аудио по беспроводному каналу Bluetooth; воспроизведение аудио с карты памяти формата micro-SD.

Цена на Алиэкспресс на момент составления обзора - около $10.5 с бесплатной доставкой в РФ (ссылка).

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 XH-A105 класса D на микросхеме TDA7498

Усилитель пришел хорошо упакованным в герметичный антистатический пакет, обёрнутый в несколько слоёв "пупырки", и всё это было ещё и в довольно прочном почтовом пакете. Так что доехало всё без повреждений.

В пакете, кроме платы усилителя, была металлическая ручка для регулятора громкости, а также гайка и шайба для закрепления усилителя на стенке его корпуса (если таковой у него будет).

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

Посмотрим на плату усилителя с надетой ручкой регулировки громкости в двух наклонно-диагональных ракурсах:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Вид с противоположной диагонали:

На фотографиях надо обратить внимание, что все внешние подключения осуществляются без помощи пайки - с помощью клеммников под винт и разъёма (аудио-джек 3.5 мм); а по углам платы предусмотрены отверстия для крепления платы.

Обратная сторона платы:

Обратная сторона платы почти полностью покрыта слоем металлизации, соединённым с "землёй" - это очень полезно для защиты от помех. Поверх металлизации нанесён слой лака - это тоже очень хорошо.

Также видны головки двух винтов, которыми прикручен радиатор к микросхеме TDA7498.

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

Схемотехника двухканального (стерео) усилителя D-класса XH-A105 на микросхеме TDA7498

Перед всеми разборками посмотрим на плату усилителя вертикально сверху:

Здесь отметим, что регулятор громкости припаян слегка кривовато. В принципе, при наличии паяльника и "прямых рук" это - поправимо.

Для анализа схемотехники открутим с платы радиатор и посмотрим на плату с элементами в "голом" виде:

Начнём с радиатора.

Радиатор был прикручен к микросхеме всухую, без каких бы то ни было следов термопасты. Это плохо. Я мазнул немного термопасты и прикрутил обратно.

Ещё можно было бы счистить зачернение с той части радиатора, которая соприкасается с микрухой. Но я это делать не стал, поскольку это надо делать крайне аккуратно: не оставляя борозд или кривой поверхности на очищенном месте. Я настолько в себе не уверен. :)

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 - TDA7498.

2 - Блокировочные электролиты по питанию. Хорошо, что их много и что они распределены по поверхности; и, похоже, они качественные (с полимерным электролитом); а не вечно протекающие и взрывающиеся "традиционные" жидкостные электролитические конденсаторы.
   Плохо же то, что их напряжение ниже, чем предельно-допустимое напряжение для микросхемы. В результате "выжать" из микросхемы максимум мощности вряд ли получится.

3 - Дроссели выходных LC-фильтров. Номинал - 22 мкГн, что точно соответствует рекомендациям в описании (datasheet) на чип TDA7498.

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

5 - Микросхема, отвечающая за Bluetooth и декодирование файлов с  микро-SD карты памяти. Маркировка микросхемы китайцами сошлифована. Ну не свинство, а? По остаткам маркировки это может быть чип AS19AP20080 китайской компании ZhuHai JieLi Technology Co., LTD. Впрочем, за точность расшифровки наименования не ручаюсь (в поисковиках не найдено).

6 - Микросхема без маркировки. Никто её не стирал, её просто не было. Касание осциллографом показало, что по функциям она примерно является повторителем, причём как для аналоговых сигналов, так и для цифрового сигнала управления светодиодом индикации работы Bluetooth.
   Интересно, что на картинке с официального сайта Алиэкспресс (самая первая в начале обзора) этой микросхемы вообще нет. Видимо, она была добавлена в последних модификациях платы.

7 - Микросхема MC6203A (MC6203A50M3G) компании MicrOne - линейный стабилизатор на 5 Вольт.

8 - 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).

9 - Светодиод индикации включения. Светит красным цветом средней яркости при подаче питания.

10 - Светодиод индикации режимов работы, светит синим цветом средней яркости. При ожидании соединения по Bluetooth мигает часто; при воспроизведении с карты памяти мигает медленно; при воспроизведении с линейного входа светит непрерывно.

11 - Линейный вход (трёхконтактный джек 3.5 мм).

12 - Слот для микро-SD карты памяти.

13 - Контактные площадки для двух внешних кнопок управления воспроизведением (при необходимости). При коротком нажатии переключают треки, при длинном - регулируют громкость.

14 - Антенна Bluetooth.

15 - Сдвоенный регулятор громкости.

16 - Клеммники выходов усилителя.

17 - Клеммник питания.

Теперь о том, чего здесь не хватает по сравнению с рекомендуемой производителем TDA7498 схемой её подключения?

А не хватает здесь конденсаторов ёмкостью 1 nF со входов микросхемы на "землю". Они служат для предотвращения самовозбуждения усилителя.

Все тесты в обзоре были проведены без изменений в схеме платы, и самовозбуждения никогда не было; но, в принципе, лучше эти конденсаторы напаять (например, снизу платы на ножки регулятора громкости). Так, на всякий случай.

В целом же, несмотря на отдельные недостатки, качество схемотехники и монтажа можно признать хорошим (но не идеальным).
 

Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA7498

При измерениях использовались лабораторный блок питания LW-K3010D (обзор), генератор FY6800 (обзор), цифровой осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

Номинально блок питания может отдавать напряжение 30 В при токе до 10 А, но по факту напряжение может может составлять до 32 В.

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.

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:
   12 В - 40 мА,
   20 В - 50 мА,
   32 В - 70 мА (значения токов округлены).

Напряжение смещения нуля на выходе тоже менялось, но в любом случае его величина была небольшой. Максимум смещения нуля при питании 32 В составил 65 мВ.

Далее - серия последовательных экспериментов с подачей сигналов различного вида на линейный вход платы.

Для формирования сигналов использовался генератор FY6800 (DDS-генератор на частоты до 60 МГц).

Где это особо не оговаривается, напряжение питания составляло 32 В, а сопротивление нагрузки - 6 Ом.

Начинаем с самого простого: синус на частоте 1 кГц.

Максимальная амплитуда без отсечки (клиппинга) составила 27.2 В:

Соответственно, выходная синусоидальная мощность составила 61.7 Ватта.

При этом потребление тока от источника питания составило 2.21 А. Соответственно, КПД получается равным 87.2%. Это - очень хороший результат, поскольку здесь учтено и потребление всякой "мелочевки", находящейся на плате.

Рассеиваемая мощность (всеми элементами платы) составила 7.9 Ватта. Учитывая, что радиатор на микросхеме - небольшой, разогрев был весьма ощутимым.

При дальнейшем повышении напряжения на выходе наблюдались искажения типа "отсечка" (клиппинг):

Ещё одна картинка - синус на частоте 20 кГц:

Заметны небольшие искажения синуса вблизи вершин, а также небольшое смещение среднего уровня вверх. Всё - "в пределах разумного".

Ещё одна осциллограмма с синусом 1 кГц, но с нагрузкой не 6 Ом, а 4 Ом. Эта картинка принципиально важна для понимания свойств усилителя и области его применения:

Здесь прекрасно видны выбросы в сторону нуля в районе вершин сигнала.

Эти выбросы - результат срабатывания защиты от короткого замыкания на выходе микросхемы TDA7498.

Вследствие понижения сопротивления нагрузки повысился ток, на что и среагировала защита. В результате образовались провалы ещё до того, как уровень сигнала дошел до клиппинга.

Отсюда проистекает мораль: усилители на основе микросхемы TDA7498 следует применять, если нагрузка составляет не менее 6 Ом. На нагрузках с меньшим сопротивлением микросхема точно не сможет отдать номинальную мощность.

"Помучаем" теперь усилитель другими видами сигналов (F=1 кГц).

Прямоугольник:

Тот же самый прямоугольник, но в другом масштабе по времени:

Выброс на прямоугольнике - небольшой, примерно 10% от размаха.

Далее - треугольник и пила (прямая и обратная):

Картина по всем видам сигналов - вполне благопристойная.

Теперь - коротко о других свойствах усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя - довольно ровная.

Для её снятия пришлось применить экзотический метод: снять её на осциллографе, подав на усилитель сигнал с нарастающей частотой от 10 Гц до 20 кГц. Есть, конечно, и менее экзотические методы, например с помощью программы RMAA; но такой способ мне показался проще, благо необходимая аппаратура наличествует и позволяет выполнить такой метод.

Вот что показал осциллограф:

Рамкой обведён один цикл прохождения частот 10 Гц - 20 кГц (далее начинается повтор, т.к. генератор после старта начинает крутить сигнал непрерывно).

На этом графике получился сильно сжатым диапазон нижних частот. Чтобы его рассмотреть детально, запустим ещё раз сигнал с нарастающей частотой, но в диапазоне 10 Гц - 200 Гц:

Здесь тоже обведён рамкой один отдельно взятый цикл прохождения частот.

Частотная полоса получилась ровной.

В стандартном диапазоне 20 Гц - 20 кГц падение АЧХ полностью укладывается в пределы 3 дБ относительно уровня на частоте 1 кГц. Если говорить о конкретных цифрах, то на частоте 20 Гц уровень составил 0.89, а на частоте 20 кГц - 0.91 от уровня на частоте 1 кГц. Справочно: на частоте 10 Гц уровень составил 0.74.

Теперь - следующий, очень интересный эксперимент: АЧХ усилителя в диапазоне 10 Гц - 20 кГц без нагрузки (на холостом ходу):

Не правда ли, весёлая картинка?

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

Отсюда - следующая мораль: с нагрузками выше 8 Ом этот одноплатный усилитель тоже будет работать "криво", с подчёркиванием высоких частот (возможно, даже чрезмерным).

Общий итог: усилитель будет правильно работать только с нагрузкой от 6 до 8 Ом. Вероятно, именно поэтому только эти два значения и упоминаются в описании (datasheet) на микросхему TDA7498 (ссылка выше).

Нагрев усилителя в одноканальном режиме на максимальной синусоидальной мощности - существенный. Нагрев радиатора составил 54 градуса (измерен контактным методом). Учитывая, что при контактном методе измерения температура слегка занижается, то реальная температура радиатора была ещё немного выше, примерно 60-65 градусов. А температура микросхемы - ещё выше.
   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 сигнала значительно ниже пиков, столь сильный нагрев не наблюдался даже в двухканальном режиме.

Шум у усилителя - присутствует, но очень слаб. При нулевом сигнале и регуляторе громкости в минимальном положении из динамиков был слышен небольшой шум, но только в том случае, если ухо вплотную приблизить к колонкам.

Коэффициент усиления при установке регулятора громкости в максимальное положение составил 132. Это - оптимальная величина для работы с типовыми источниками сигнала и вмешательства пользователя не требует.

Также была проверена возможность работы усилителя от источника питания с выходным напряжением 12 В (что немного ниже рекомендуемого для микросхемы TDA7498 диапазона 14 - 39 В). Усилитель работал без проблем (контроль параметров не проводился).

Падение напряжения на диоде "защиты от дурака" составило 0.28 В в состоянии покоя (напряжение питания 32 В) и 0.4 В с максимально-нагруженным одним каналом (синусоидальный сигнал).
 

Особенности работы усилителя

Самая существенная из особенностей - это поведение усилителя при включении и переключении каналов воспроизведения сигнала.

При включении усилителя он что-то говорит приятным женским голосом на китайском языке. Громкость произносимых фраз - средняя, не навязчивая.

Наибольший приоритет усилитель отдаёт воспроизведению с карты памяти. Если при включении усилителя карта памяти вставлена, то он автоматически начинает воспроизводить с неё аудио-файлы.

С карты памяти успешно воспроизводится традиционный "джентльменский набор" форматов: mp3, wma, wav, flac. Выбора последовательности воспроизведения (прямая, обратная, случайная и т.п.) нет; усилитель это решает "по своему усмотрению" (предположительно, треки воспроизводятся в том порядке, в котором были записаны).

Если же карта памяти не вставлена, то усилитель переходит в режим ожидания подключения по Bluetooth.

Для других устройств в канале Bluetooth этот усилитель виден под именем HazyAudio. Дальность связи - обычная, через деревянную дверь из соседнего помещения "добивает". В металлическом корпусе у усилителя может потребоваться выносная антенна или хотя бы пластиковая передняя или задняя панель (тоже как обычно).

Самый сложный случай - воспроизведение с линейного входа. Чтобы усилитель начал воспроизведение с этого входа, надо извлечь аудио-кабель из гнезда линейного входа усилителя (джека 3.5 мм) и снова его вставить. Либо просто вставить, если он перед этим не был подключен.

При всех переключениях источников сигнала об этом тоже оповещает приятный женский голос.

К  сожалению, кнопок принудительного переключения источников сигнала на усилителе нет.

Методом "научного тыка" (подбором) был найден способ их переключения.

Для этого достаточно с помощью внешней кнопки соединить контакт "VOL -" (см. п.13 на схеме расположения элементов) с "Землёй" через резистор 10 кОм. Эта кнопка и будет управлять переключением источников воспроизведения сигнала. Если не поможет резистор 10 кОм, то можно попробовать соседние номиналы (9.1 кОм или 11 кОм), варианты возможны из-за разброса сопротивлений относительно номинала.

Работа такого способа основана на том, что у декодеров китайской фирмы Jieli для управления внешними кнопками предусмотрен только один контакт; а какая именно кнопка сработала, декодер определяет по величине напряжения на этом контакте (что и регулируется номиналами резисторов на кнопках).

Регулировка громкости посредством переменного резистора и внешних кнопок громкости - мультипликативная, т.е работают совместно в режиме громкость одного умножить на громкость другого. Если громкость хотя бы одного установлена в ноль, то и на выходе будет ноль.

Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA7498

Протестированный усилитель показал себя с хорошей стороны; но при этом надо учитывать его особенности, несколько ограничивающие сферу применения.

Главная из этих особенностей - это ограничение по сопротивлению нагрузки.

Если нагрузка - меньше 6 Ом (например, 4 Ом - типовой случай), то усилитель не сможет отдать и половину номинальной мощности. Для такой нагрузки более оптимальным будет усилитель на основе микросхемы TPA3116D2 (обзор).

Если нагрузка, наоборот, - выше 8 Ом, то усилитель будет работать нормально, но с некоторым "задиранием" высоких частот (что может быть не критичным при наличии регулировки тембра в источнике сигнала; или же когда звуковые колонки сами по себе недостаточно чётко воспроизводят верхи - тогда это достоинство, а не проблема).

Ещё одна особенность - ограничение по напряжению питания, которое не позволит усилителю развить паспортную мощность, заявленную для микросхемы TDA7498. Это - в чистом виде "промашка" производителя данного одноплатного варианта. Что мешало напаять электролиты с более высоким номинальным напряжением?!

Далее перечислим конкретно его достоинства и недостатки.

Достоинства:

- высокое качество звучания, хорошая амплитудно-частотная характеристика;

- низкий уровень шума;

- малое потребление в состоянии покоя;

- высокий КПД, возможность работы со штатным теплоотводом при воспроизведении музыки;

- удобство подключения и монтажа в какой-либо конструкции;

- малые габариты и вес всей платы в сборе.
 

Недостатки:

- усилитель не подходит для работы с колонками с сопротивлением (импедансом) ниже 6 Ом и не очень подходит для колонок с сопротивлением выше 8 Ом;

- усилитель не позволяет из-за низковольтных электролитов работать с максимальным напряжением питания, допустимым для TDA7498; в результате отдаваемая мощность получается ниже заявленной (только 60 Вт вместо 100 Вт);

- отсутствие эквалайзера или регулятора тембра;

- необходимость переподключения кабеля для воспроизведения с линейного входа;

- отсутствие кнопок выбора источника сигнала, нет кнопки "пауза/mute";

- необходимость доработки теплоотвода (нанесения термопасты) для длительной работы на высокой мощности.
 

Область применения:

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

- ремонт звуковоспроизводящей аппаратуры;

- переделка пассивных колонок в активные.
 

Итоговая оценка - хорошо (с перечисленными в разделе "недостатки" оговорками).
    Диагноз: добротный средний класс, подходящий для большинства бытовых применений.

Рекомендации:

1. Желательно допаять два конденсатора ёмкостью по 1 nF (описано в этом обзоре выше).

2. Если планируется работа на максимальной мощности, то использовать блок питания с максимально-допустимым током не менее 6 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 минимум, нанести термопасту).

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 2-3% и уменьшит нагрев внутренних компонентов. После этого ошибаться в полярности нельзя!

Где купить: например, у этого продавца на AliExpress. 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 TDA7498 и TDA7498E (внимание - перечисленные далее усилители не протестированы; частично поможет изучение отзывов на страницах товаров):

1. Простой двухканальный усилитель XH-M510 на TDA7498 с регулятором громкости и только линейным входом - здесь (Алиэкспресс). На плате усилителя есть микропереключатели для установки коэффициента усиления и контактные площадки для подключения кнопки mute. Цена - ок. $10.

2. Простой двухканальный усилитель на TDA7498 с регулятором громкости и только линейным входом - здесь. В описаниях часто упоминается, что он якобы построен на микросхемах TDA7498E и имеет мощность 2x160 W. Но отзывы покупателей, которые снимали радиатор и смотрели, какая именно микросхема там установлена, наличие микросхемы с суффиксом "E" не подтверждают. Главная особенность - наличие активного кулера с вентилятором. По описанию, вентилятор работает не постоянно, а только когда требуется (по мере нагрева). Цена - $18.5.

3. Навороченный трёхканальный усилитель (2.1) на TDA7498 (2x100 W + 200 W) с регулировкой тембра, с раздельной регулировкой громкости для стереоканалов и сабвуфера - здесь. Подключение сигнала - только по линейному входу. Цена - $30.

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

При измерениях использовались лабораторный блок питания LW-K3010D (обзор), генератор FY6800 (обзор), цифровой осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).
 

Обзоры других усилителей класса D - здесь.
 

Обзоры усилителей класса AB - 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
   04 апреля 2020 г.
   Последнее обновление страницы - 16.03.2021.

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