Тест, обзор, осциллограммы

Четырёхканальный усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TDA7850 (4 x 50 W) - высшая и последняя стадия развития однокристальных УНЧ класса AB
 

Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса AB на основе микросхемы TDA7850 номинальной мощностью 4 x 50 Вт.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты TDA7850, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе TDA7850 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $8.

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

(тестируемый усилитель низкой частоты на TDA7850; изображение с официального сайта AliExpress)

Небольшой исторический экскурс.

Микросхема TDA7850 представляет собой усилитель мощности с оконечными каскадами на MOSFET-транзисторах.

MOSFET расшифровывается как "Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor"; более по-русски их можно назвать "полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник".

Транзисторы этого типа были созданы ещё в 1959 году, и, по мере своего развития, показали свою более высокую энергетическую эффективность, чем традиционные биполярные транзисторы.

При этом они сочетают малое время переключения, малую мощность управления и малое сопротивление в открытом состоянии.

Естественно, возникла идея использования их в усилителях мощности звуковой частоты, что и было реализовано; в том числе в виде однокристальных усилительных микросхем.

Сейчас их использование в УНЧ распалось на две ветви: в усилителях традиционного класса AB и в усилителях класса D с импульсным формированием выходного аналогового сигнала.

Данный обзор посвящён усилителю класса AB на основе TDA7850 - одной из самых мощных микросхем этого класса.

Усилитель (микросхема) TDA7850 - технические характеристики:

Здесь надо обратить внимание, что, хотя согласно первой строке таблицы, микросхема может отдавать одновременно по 4-м каналам суммарно 320 Вт, этот режим - кратковременный. Во 2-ой строке таблицы указано, что рассеиваемая мощность микросхемы не должна превышать 80 Вт; а это, при типовом КПД усилителей класса AB до 70%, делает невозможной длительную работу при суммарной мощности в нагрузке свыше 100 - 120 Вт.

Полосу пропускания производитель не указал. Видимо, предполагается, что полоса частот не хуже стандартного звукового диапазона 20 Гц - 20 кГц.

Микросхема выпускается в двух модификациях в зависимости от направления изгиба выводов: TDA7850 - с вертикальной ориентацией (как в тестируемой версии) и TDA7850H - с горизонтальной ориентацией.

Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA7850 приведены в техническом описании (datasheet) TDA7850 (PDF, 250 Kb).

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

Внешний вид и конструкция одноплатного 4-канального усилителя класса AB на микросхеме TDA7850 с однополярным питанием

Никакой документации в комплекте усилителя не было, но на плате всё подписано достаточно подробно, поэтому с подключением проблем не было.

Единственная тонкость: на плате присутствуют две микросхемы BA3121F с так называемой "изолированной землёй", предназначенные для подавления помех, приходящих по шине "земли" от источника сигнала (datasheet BA3121F, PDF, 1.25 Mb). Если же источник сигнала и плата усилителя не имеют нигде соединения с общей "землёй", то их "земли" надо соединить вблизи платы (что и было выполнено при тестировании платы).

Посмотрим на плату усилителя в четырёх наклонно-диагональных ракурсах (кликнуть для увеличения, откроется в новом окне):

Здесь можно заметить красивую "волну" из шести небольших электролитических конденсаторов. Это они не погнулись так красиво во время транспортировки, а изначально так были напаяны китайскими народными умельцами (что, впрочем, никак не отразилось на функционировании устройства).

Все внешние подключения осуществляются без помощи пайки - с помощью клеммников под винт и двух пар разъёмов для входящих аудиосигналов.

Обратная сторона платы:

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

Флюс отмыт со средним качеством. Большая часть платы - чистая, но в левом верхнем углу можно найти следы флюса.

По углам платы видны отверстия для прикрепления платы в используемой конструкции.

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

Схемотехника одноплатного 4-канального усилителя класса AB на микросхеме TDA7850

Посмотрим на плату усилителя вертикально сверху и разберёмся, что здесь для чего:

Эта плата УНЧ имеет своё название, обозначенное в левом нижнем углу: HW-452.

Элементов на плате много, даже несмотря на то, что "главная" микросхема TDA7850 почти не требует обвязки. Это связано с расположением на плате двух помехоподавляющих микросхем BA3121F со своей собственной обвязкой.

Помехоподавляющие микросхемы (каждая на два канала) работают элементарно просто: вычитают сигнал помехи, приходящий по проводу "земли" от источника сигнала, из напряжения на самих сигнальных проводах, которое представляет собой сумму "сигнал+помеха".

Что же касается обвязки усилительной микросхемы TDA7850, то она представляет собой только четыре прямоугольных синих конденсатора, "отрезающих" постоянную составляющую от входа. Также требуются несколько блокировочных конденсаторов по питанию и немного элементов управления сигналами "MUTE" (кратковременное отключение звука) и "ST-BY" (режим "сна" с малым потреблением), если будет необходимость в их использовании (на данной плате контакты для подключения кнопок управления этими сигналами не предусмотрены).

Схема применения микросхемы из даташит на микросхему TDA7850 такова (блок-схема и пример принципиальной схемы):

Микросхема снабжена различными видами защит: от перегрева, от короткого замыкания на землю или на питание, от перегрузки по току и др.

Примечание: нумерация элементов на схеме не совпадает с нумерацией на плате.

Теперь - пробежимся по другим элементам платы.

Двухконтактный клеммник слева внизу - подача питания, рядом с ним - дроссель фильтрации питания.

Дополнительную фильтрацию осуществляет мощный электролитический конденсатор 10000 мкФ 25 В почти в центре платы. Столь высокую ёмкость относим к безусловным "плюсам" платы.

Под дросселем - светодиод (LED), показывающий, что на плату подано питание.

Два чёрных разъёма предназначены для подключения сигналов через два круглых 3-контактных штырьковых разъёма типа джек 3.5 мм.

Параллельно к ним подключены два белых разъёма для подключения сигнала с помощью прямоугольных соединителей.

По бокам имеются два 4-контактных клеммника, на каждом - по два мостовых выхода.

Остальную "мелочёвку" на плате рассматривать не будем.
 

Испытания УНЧ на микросхеме TDA7850

Для проведения технических испытаний к микросхеме был прикреплён массивный теплоотвод с использованием термопасты (радиатор от кулера для процессора Intel Pentium IV S478):

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

Испытания проводились при двух напряжениях питания: 12 В (наиболее распространённый вариант в автомобилях и при аккумуляторном питании) и 18 В (максимально-допустимое).

Сначала было замерено потребление платы усилителя без подачи сигнала. Ток потребления холостого хода менялся в зависимости от напряжения питания и составлял следующие значения (округлённо):
     8 В - 210 мА
   12 В - 220 мА
   18 В - 220 мА.
   Такие значения тока покоя - умеренные, но назвать их пренебрежимо-малыми нельзя.

При напряжении питания ниже 7.8 В терялась работоспособность усилителя: искажалась форма сигнала, падала амплитуда даже для небольших сигналов.

Шумы усилителя оказались очень малы и практически не заметны (можно услышать, только вплотную приблизив ухо к колонке).

Испытания при напряжении питания 12 В, нагрузка 4 Ом

Синус 1 кГц, амплитуда на грани ограничения (клиппинга):

Отдаваемая в нагрузку мощность в таком режиме - почти точно 16 Вт.

Потребляемая мощность при этом - 22.1 Вт, КПД = 72% (возможна ошибка в несколько процентов из-за неточности измерений с помощью осциллографа).

Далее - сигнал треугольной формы, частота 5 кГц, амплитуда ~0.5 от максимума:

Линейность треугольника - очень хорошая, вершины - острые.

Следующий сигнал - прямоугольник, частота 5 кГц, амплитуда ~0.5 от максимума:

Теперь - фронты прямоугольного сигнала в увеличенном виде.

Передний фронт:

Задний фронт:

На фронтах заметны короткие одиночные "зазубрины", выходящие за слышимый диапазон.

Сигнал - синус 100 кГц:

На склонах сигнала заметны такие же "зазубрины", как и на фронтах прямоугольного сигнала. Но очень радует, что в целом сигнал столь высокой частоты не только воспроизведён, но и воспроизведён с малыми искажениями.
 

Испытания при напряжении питания 18 В, нагрузка 2 Ом (предельный режим)

Теперь переходим к испытаниям в максимально-допустимом режиме: с питанием 18 Вольт (по замерам на конденсаторе 10000 мкФ) и с нагрузкой 2 Ом (нагрузка - только в испытуемом канале, остальные каналы - без нагрузки).

Начинаем, как обычно, с синуса. Частота во всех измерениях выбрана 5 кГц, чтобы за счёт более высокой частоты уменьшить влияние процессов зарядки-разрядки конденсатора 10000 мкФ на результаты.

На осциллограмме показан предельный уровень сигнала, когда искажения синуса малы и находятся на грани обнаружения. Мощность на нагрузке в таком режиме составила 54 Вт.

Потребляемая мощность от источника питания - 79.4 Вт, КПД = 68%.

Ещё немного добавляем уровень сигнала. Искажения уже становятся заметны "невооруженным глазом":

При длительном прогоне этого теста радиатор усилителя нагревался очень сильно, в районе крепления микросхемы "рука не терпела" (т.е. температура была выше 60 градусов).

И ещё немного добавляем уровень сигнала. Теперь искажения многократно усиливаются, поскольку начинает срабатывать защита от перегрузки по току:

Факт срабатывания защиты оцениваем исключительно позитивно: потребителю важнее не лишние милливатты мощности, а чтобы усилитель оставался жив и здоров.

Теперь - сигнал треугольной формы для оценки линейности в предельном режиме:

Линейность - на хорошем, но не идеальном уровне: в непосредственной близости вершин заметны небольшие искажения. Но режим-то - предельный!

И, наконец, запускаем прямоугольник на максимальной амплитуде, не вызывающей срабатывания защиты по току:

Мощность на нагрузке в этом режиме составила 60 Вт.

Амплитудно-частотная характеристика (напряжение питания 12 В, нагрузка
 4 Ом)

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

Первый проход, диапазон 10 Гц - 40 кГц:

Один период повторения сигнала с линейно-нарастающей частотой отмечен красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в диапазоне 10 Гц - 40 кГц.

Масштаб графика по горизонтали - 3.6 кГц/деление.

Падение АЧХ к концу измеряемого диапазона - очень малое, им можно пренебречь.

Второй проход, диапазон 10 Гц - 400 Гц (для более детального просмотра нижних частот):

Масштаб графика по горизонтали - 36 Гц/деление.

В начале полосы частот (вблизи 10 Гц) заметен существенный спад; но, уже начиная с частоты 20 Гц, уровень АЧХ можно считать вполне удовлетворительным.

Окончательный диагноз одноплатного 4-канального усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA7850

Итак, что можно сказать о венце УНЧ класса AB в лице протестированного одноплатного усилителя на микросхеме TDA7850?

Построение усилителя на MOSFET-транзисторах в оконечных каскадах сделало своё доброе дело. Усилитель, действительно, получился очень мощным для своего низковольтного питания.

Из этого усилителя удалось успешно "выжать" его заявленную номинальную мощность (50 Вт на канал); правда, не удалось "выжать" максимальную мощность 80 Вт (получилось только 60 Вт). Но в данном случае это не есть существенный недостаток: для максимальной мощности производители заявляют уже неприемлемый уровень искажений, так что не будем расстраиваться. С такой мощностью его всё равно не стоило бы включать. :)

Кроме высокой мощности, надо отметить отличную амплитудно-частотную характеристику, малый уровень искажений и шумов.

Ещё один позитив - возможность работы на нагрузку 2 Ома, хотя это и не самый выгодный с энергетической точки зрения режим.

Микросхема TDA7850 имеет несколько аналогов, тоже имеющих MOSFET-транзисторы в выходных каскадах. Можно упомянуть, например, TDA7560, TDA7851.

Эти микросхемы имеют меньшую мощность, чем протестированная TDA7850.

В то же время, общий вклад цены микросхемы в окончательную стоимость устройства не слишком высок; поэтому использование TDA7850 будет предпочтительнее (если есть выбор).

Области применения

Наибольшую популярность микросхема TDA7850 получила в автомагнитолах (благодаря прекрасной работе со штатным автомобильным напряжением 12 В).

Благодаря необходимости в лишь самой минимальной обвязке, микросхема может использоваться во многих малогабаритных аудио-устройствах с низковольтным и автономным питанием.

Рекомендации

В первую очередь, помним о теплоотводе. Рекомендуется соблюдать, по крайней мере, древнюю традицию в 10 кв. см теплоотвода на каждый Ватт рассеиваемой мощности.

Одновременно следует помнить, что микросхему нельзя нагружать по максимуму одновременно на все каналы в течение длительного времени: в лучшем случае сработает теплозащита, а в худшем - выход из строя.

Также следует помнить и о том, что микросхема имеет относительно небольшой коэффициент усиления (26 дБ, т.е. 20 раз). В связи с этим необходимо позаботиться о предварительном усилителе, желательно, с темброблоком.

Кроме того, для усилителей на основе этой микросхемы подойдёт не всякий блок питания. Он должен быть способным отдавать на усилитель достаточно высокий ток, рассчитанный на максимальный сигнал по всем используемым каналам одновременно.

Для стационарных устройств можно использовать, например, достаточно мощный импульсный блок питания (банальный трансформатор с выпрямителем - далеко не лучший вариант).

При питании от автономного источника это должен быть аккумулятор (или батарея) с высоким током выхода.
 

Где купить УНЧ на TDA7850

Протестированную плату усилителя на основе TDA7850 можно купить на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора - около $8.

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

Другие варианты УНЧ на основе TDA7850 (внимание, устройства не протестированы!):

Усилитель конфигурации 2.1 (2 стереоканала и 2 басовых канала) с принудительной вентиляцией - здесь ($18).

Усилитель с пассивным радиатором и с микропереключателем конфигурации каналов - здесь ($26).

Усилитель с принудительной вентиляцией и каналом Bluetooth (без аналоговых входов) - здесь ($25).

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

Ещё одна интересная возможность: благодаря удобному для ручной пайки расположению выводов микросхемы TDA7850, можно приобрести отдельно микросхему и установить её в полностью своё устройство. Цена при поштучной продаже - около $7 в комплекте с электролитическим конденсатором 10000 мкФ 25 В и термопастой, купить можно здесь.

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

При тестировании усилителя использовался осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).
 

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
   18 сентября 2020 г.

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