Тест, обзор, осциллограммы

Монофонический усилитель класса D номинальной мощностью 30 Вт на TDA8932 в мостовом включении: реально поменьше будет

Оглавление

    1. Внешний вид, конструкция и характеристики одноплатного усилителя класса D на микросхеме TDA8932

    2. Испытания УНЧ класса D на микросхеме TDA8932 в мостовом включении (испытания на выходную мощность и проверка формы выходного сигнала)

    3. Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя на TDA8932

    4. Окончательный диагноз

Обзор посвящен одноплатному монофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты класса D на основе микросхемы TDA8932 (она же TDA8932B, TDA8932BTW, TDA8932T) номинальной мощностью выхода 30 Вт.

Микросхема TDA8932 выпускается в двух видах планарных корпусов. Так выглядят платы усилителей на основе этой микросхемы в разных типах корпусов:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Несмотря на разные типы корпусов, производитель микросхемы заявляет для них абсолютно одинаковые параметры. В связи с этим, хотя в обзоре будет рассмотрен усилитель только на основе одного типа корпуса, результаты будут пригодны для всех вариантов корпусов.

Микросхема TDA8932 допускает работу во многих режимах:

- стереофонический SE (одноконтактный выход по каждому каналу) с однополярным питанием (это - самый неблагоприятный режим, поскольку требует применения на выходе ёмкого электролитического конденсатора для развязки динамика от постоянной составляющей на выходе);

- стереофонический SE (одноконтактный выход по каждому каналу) с двухполярным питанием;

- монофонический BTL (мостовой выход) с однополярным питанием;

- монофонический BTL (мостовой выход) с двухполярным питанием.

Во всех режимах суммарная мощность каналов допускается до 30 Вт (а как на самом деле, разберёмся).

Режим работы усилителя задаётся жестко на этапе разработки платы, произвольно изменить режим работы нельзя. Ну разве только если немножко раздраконить печатные проводники на плате и соединить их по-своему.

В данном обзоре будет протестирован усилитель на TDA8932 в третьем из перечисленных режимов - монофонический BTL (мостовой выход) с однополярным питанием.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты D-класса TDA8932, кратко разобраны особенности схемотехники и конструкции тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе микросхемы TDA8932 можно на Алиэкспресс здесь. Цена на дату обзора - около $2 с учётом доставки (недорого). Тип корпуса установленной на плате микросхемы TDA8932 может быть случайным, вариантов гарантированной поставки того или иного типа корпуса продавцы не предлагают.

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

Теперь - углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя. В связи с отсутствием теплоотвода особое внимание будет уделено температурным режимам.

Внешний вид, конструкция и характеристики одноплатного усилителя класса D на микросхеме TDA8932

В следующей таблице перечислены характеристики микросхемы TDA8932 "как таковой", без привязки к данной конкретной плате:

Усилитель D-класса TDA8932 - краткие 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 типовые схемы включения TDA8932 указаны в техническом описании (datasheet) TDA8932 (PDF, 270 KB).

Осмотр платы начнём с двух наклонно-диагональных ракурсов:

Размеры платы - 45.5*31.5 мм, высота платы с элементами - 10.5 мм.

Надо обратить внимание, что на плате нет диода "защиты от дурака" (от переполюсовки питания). Ошибаться в полярности питания нельзя ни разу!

Вид с противоположной диагонали:

В составе выходных фильтров использованы крупные и мощные ферритовые дроссели номиналом 22 мкГн и миниатюрные керамические конденсаторы без указания номинала.

Применение маленьких керамических конденсаторов сначала несколько смущало, поскольку они работают в условиях поступающей на них высокой реактивной мощности даже при отсутствии сигнала на входе. Но испытания показали, что с ними всё в порядке: не греются, не растрескиваются.

По поводу дросселей надо также добавить, что их номинал соответствует рекомендуемому в datasheet для нагрузки 8 Ом (22 мкГн); для нагрузки 6 Ом рекомендуется 15 мкГн, а для 4 Ом - 10 мкГн.

В принципе, выбор такого номинала (22 мкГн) можно одобрить, поскольку мостовая схема даёт на выходе вдвое более высокое напряжение, чем стандартная (SE); и сопротивление нагрузки 8 Ом будет более оптимальным. С нагрузкой 4 Ом плата тоже может работать, но в более узком диапазоне питающих напряжений.

Вид на плату сверху:

И ещё один ракурс (при освещении фонариком) чтобы рассмотреть точное наименование микросхемы:

Итак, микросхема имеет обозначение TDA8932BTW, но это ничего не меняет: параметры всех микросхем серии TDA8932 одинаковы.

Все пять электролитических конденсаторов запараллелены и установлены по цепи питания для сглаживания пульсаций. Номинал всех конденсаторов - 100 мкФ*35 В, что можно одобрить.

Плата снабжена четырьмя крепёжными отверстиями по углам. Проблем с установкой в корпус не предвидится.

Теперь посмотрим на плату снизу:

Металлизация на нижней стороне - почти сплошная и соединена с "Землёй", что очень полезно для защиты от помех.

Испытания монофонического УНЧ класса D на микросхеме TDA8932 в мостовом включении

При измерениях использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор). Термоснимки делались с помощью тепловизора UNI-T Uti120Mobile (обзор на стороннем ресурсе).

Большинство измерений сделаны при сопротивлении нагрузки 8 Ом (об исключениях будет упомянуто отдельно) и при напряжениях питания 12 В или 22 В (в зависимости от типа испытания).

При включении усилителя щелчка в колонках не слышно.

Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он составил следующие значения:

12 В - 42 мА,

22 В - 52 мА.

Такие значения тока покоя нельзя назвать маленькими. В последнем случае (при напряжении 22 В) получается, что усилитель ещё ничего не делает, а уже больше Ватта мощности рассевает!

Нагрев чипа TDA8932 на холостом ходу не только ощущается классическим способом (пальцем), но и хорошо виден на теплоснимке:

Теплоснимок показал, что температура чипа без нагрузки составила 54 градуса.

Коэффициент усиления платы составил 66 (36.4 дБ).

Минимальное напряжение работоспособности усилителя составило 9.5 В. Если напряжение питания падало ниже этого значения хотя бы на 0.1 В, то усилитель полностью выключался: срабатывала защита от слишком низкого напряжения питания.

Шумы усилителя оказались заметны, но только если ухо вплотную придвинуть к динамику. В целом уровень шума можно оценить, как незначительный и не мешающий прослушиванию даже тихой музыки.

Частота собственного встроенного генератора оказалась настроенной на 380 кГц.
 

Испытания на выходную мощность синусоидального сигнала при различных комбинациях напряжениях питания и сопротивления нагрузки

В этом разделе сначала - тесты на максимальную мощность с нагрузкой 8 Ом, а затем - с нагрузкой 4 Ом.

1. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом, здесь всего один канал):

Мощность в нагрузке составила 7 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.68 А. Итого, КПД составил 86% (возможна погрешность на 1-3%). Это - очень неплохо, хотя и несколько ниже возможного КПД для усилителей класса D.  Замечание про погрешность касается и всех последующих измерений.

Нагрев микросхемы стал более заметным, температура составила 69 градусов.
 

2. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - выше уровня клиппинга (здесь смотрим только форму сигнала):

Выход из клиппинга происходит с задержкой и последующим крутым задним фронтом, что усиливает искажения при возникновении клиппинга. В общем, не доводите его до клиппинга (отсечки, по-старому), и будет Вам счастье!
 

3. Синус 1 кГц, напряжение питания 22 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга):

Теперь попытаемся выжать из усилителя максимальную мощность при питании в 22 В и заодно проверим температурный режим.

Мощность в нагрузке составила 21.6 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 1.12 А. Итого, КПД составил 87.6%; но микросхема была очень горячей.

Нагрев усилителя более детально оценим по теплоснимку:

Нагрев оказался крайне высоким (140 градусов!!!), что вполне объяснимо: несмотря на высокий КПД, микросхема не имеет практически никакого теплоотвода.

Сразу после получения термоснимка усилитель был выключен для охлаждения: проверка того, поджарится ли микросхема до полного выхода из строя или нет, в план тестирования не входила. :)

Мораль: не следует напрягать усилитель работой в таком режиме в течение длительного времени.

Правда, в реальном звуковом сигнале средняя мощность будет ниже мощности синуса при равных максимальных уровнях, и нагрев будет несколько ниже; но всё равно сильного нагрева не избежать. Проверка этого режима будет сделана в конце этой главы.

Теоретически применение дополнительного теплоотвода должно помочь снизить нагрев, но это снижение не будет сильным, так как пластиковый корпус микросхемы имеет невысокую теплопроводность.
 

4. Синус 20 кГц, напряжение питания 12 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), здесь и далее смотрим только форму сигнала

Можно заметить, что склоны синуса имеют слегка саблеобразную форму, а вершины - заострены. Это - характерные искажения в усилителях класса D при высоких частотах и высоких амплитудах сигнала.

Из-за симметричности сигнала такой сигнал создаёт только нечётные гармоники (от 3-ей и выше), которые в звуковой диапазон даже близко не попадают (т.е. не будут портить звук).
 

5. Прямоугольник 1 кГц, напряжение питания 12 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга)

6. Пила и обратная пила 1 кГц, напряжение питания 12 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга)

На осциллограммах видно, что после крутых фронтов на сигнале возникают волны. Это - "звон" фильтров на собственной резонансной частоте, составляющей примерно 35-40 кГц.

7. Треугольник 1 кГц, напряжение питания 12 В, нагрузка 8 Ом, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга)

В сигнале треугольной формы нет крутых фронтов, соответственно, и "звона" фильтров тоже нет.

8. Проверка нагрева усилителя в реальном режиме (воспроизведение музыки). Напряжение питания 12 В, сопротивление нагрузки - 4 Ом, уровень сигнала - с небольшой длительностью клиппинга при всплесках сигнала

Форма сигнала на всплесках:

Температура чипа из-за его малой теплоёмкости колебалась; на максимуме она составила 79.7 градусов:

Следующим испытанием было повторение этого же теста, но при более высоком напряжении питания 16 В. Более высокое напряжение питания при нагрузке в 4 Ом не рекомендуется ввиду заявленного для TDA8932 срабатывания защиты от превышения тока на уровне 4 А.

В результате подъёма напряжения клиппинг пропал, несколько повысилась рассеиваемая мощность и температура чипа:

Такая температура (83.9 градуса) - допустима, но если будут предприняты меры, препятствующие её дальнейшему повышению (вентиляция или радиатор).

Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя на TDA8932

Амплитудно-частотная характеристика усилителей класса D с фильтрами на выходе бывает очень непроста: сказывается влияние реактивного сопротивления фильтров, особенно на высоких частотах. У усилителей класса D без фильтров этой проблемы нет, но там хватает других проблем.

Наш усилитель - с фильтрами, и, учитывая этот факт, АЧХ проверим при двух вариантах нагрузки: 4 Ом и 8 Ом.

Амплитудно-частотная характеристики снималась методом подачи на вход сигнала с линейно-нарастающей частотой от 10 Гц до 30000 Гц; при этом записывалась осциллограмма в режиме медленной развёртки (8 с/деление).

1. АЧХ усилителя на TDA8932 с нагрузкой 8 Ом (оптимальная нагрузка):

Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц - 25 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне. Масштаб по горизонтали составляет около 2.2 кГц / деление.

АЧХ получилась очень ровной, никаких претензий предъявить невозможно.

Что касается характеристики в области низких частот, то полоса пропускания на уровне -3 дБ начиналась от 7 Гц, что тоже очень хорошо.
 

2. АЧХ усилителя на TDA8932 с нагрузкой 4 Ом:

С нагрузкой 4 Ом АЧХ получилась с завалом на частоте 20 кГц примерно на 30%. Это - ожидаемое влияние фильтра, ничего особенного здесь нет.

Усилитель с нагрузкой 4 Ом вполне работоспособен (но остерегаемся перегрева на высокой мощности).

Падение АЧХ на высоких частотах оказалось не слишком большим и может быть скомпенсировано регулятором тембра.

На реальной нагрузке в формирование АЧХ может вмешаться импеданс звуковой колонки, который часто имеет на высоких частотах индуктивный характер, что может скомпенсировать падение АЧХ в усилителе (точнее, в фильтре на выходе усилителя).

Окончательный диагноз одноплатного монофонического усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA8932

Протестированный одноплатный усилитель класса D на чипе TDA8932 показал себя в целом как типичный представитель своего класса, ничем особо не удивившем ни с плохой, ни с хорошей стороны.

Разве что можно отметить как недостаток несколько повышенный ток покоя (хотя он и уложился в заявленные характеристики для TDA8932).

Обязательно надо отметить ограничения для усилителя по напряжению питания.

Усилитель не пригоден для систем с малым напряжением питания, так как при напряжении ниже 9.5 В он полностью прекращает работу.

Кроме того, весьма не рекомендуется поднимать напряжение питания свыше 22 В; хотя характеристики TDA8932 и допускают питание напряжением до 36 В. В случае повышения напряжения свыше 22 В значительно повысится вероятность перегрева (будет зависеть от конструкции корпуса и наличия радиатора на микросхеме TDA8932).

Усилитель может использоваться в аудиосистемах небольшой мощности. Ограничителем мощности в значительной степени будет служить отсутствие теплоотвода на микросхеме усилителя. Пользователь может сам частично решить эту проблему, например, приклеив на микросхему небольшой лёгкий радиатор с помощью достаточно надёжного клея. Капитально это проблему теплоотвода не решит, но немного повысит допустимую мощность и надёжность системы.

По результатам прослушивания музыки на реальной колонке с импедансом 8 Ом звук можно охарактеризовать как достаточно качественный. В звуке присутствует добротные низкие частоты, хорошо различимы мелкие детали звука; присутствуют достаточно звонкие высокие частоты.

Протестированный усилитель - монофонический, и для создания стереозвука потребуются две такие платы. Вряд ли это создаст проблему, т.к. плата имеет очень небольшие габариты и вес.

Купить плату усилителя на основе микросхемы TDA8932 можно на Алиэкспресс, например, здесь (или у других продавцов: покупайте, где дешевле - товар одинаковый, но следите за стоимостью доставки).

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

При проведении тестов использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор). Термоснимки делались с помощью тепловизора UNI-T Uti120Mobile (обзор на стороннем ресурсе).

Обзоры других усилителей класса D - здесь.
 

Обзоры усилителей класса AB - здесь.
 

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

  Ваш Доктор.
 30 января 2022 г.

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

  Комментарии вКонтакте: