Тест, обзор, осциллограммы

Двухканальный усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме TDA8954 класса D (2x210 W) с биполярным питанием (тест и обзор)
 

Обзор посвящен одноплатному усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D на основе микросхемы TDA8954 мощностью 2x210 Вт.

Сразу надо сказать, что мощность 2x210 Вт - это мощность, указанная в технических параметрах (datasheet) на TDA8954, но при тестировании в силу ряда причин она не была достигнута и не могла быть достигнута (эти причины будут указаны).

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы стерео-усилителя D-класса TDA8954, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

(усилитель низкой частоты на TDA8954; изображение с официального сайта AliExpress)
 

Усилитель (микросхема) TDA8954 - основные 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).

Микросхема выпускается в двух оформлениях: TDA8954TH - с двухсторонним планарным расположением выводов и TDA8954J - с односторонним расположением выводов для вертикальной установки микросхемы на плату.

Микросхема имеет встроенную защиту от перегрева и перегрузки по току.

Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA8954 указаны в техническом описании (datasheet) TDA8954 (PDF, 430 Kb).

Надо отметить, что указанные в таблице значения относятся именно к микросхеме TDA8954, а не ко всему тестируемому одноплатному усилителю в целом.

В чём отличия?

1. Для питания платы нельзя подавать максимальное напряжение, указанное в таблице для входящей в её состав микросхемы TDA8954. 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 напряжение ±24 В.

2. Дополнительная возможность тестируемого одноплатного усилителя: отключение выхода (колонок) в опасных ситуациях (например, при появлении постоянного потенциала на выходе). Эта возможность обеспечена за счёт установки на плату специализированной микросхемы C1237HA и реле, отключающего выходы в таких ситуациях.

Цена на Алиэкспресс на момент составления обзора - $40 с учетом доставки 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 класса D на микросхеме TDA8954

Усилитель пришел хорошо упакованным в термоусадочную плёнку и дополнительно обёрнутый в несколько слоёв "пупырки".

Так выглядел усилитель в термоусадочной плёнке:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

В пакете, кроме платы усилителя, были ручка, гайка и шайба для регулятора громкости; а также кабель для подключения входного сигнала.

Никакой документации в комплекте не было, да она и не нужна: на плате всё расписано, что куда подключать.

Посмотрим на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:

На последней из фотографий при просмотре в полном размере можно различить номинал восьми больших электролитов: 1800 мкФ * 35 Вольт.

Поскольку предельное напряжение электролитов превышать нельзя, а лучше даже подавать на 10-20% меньше, то напряжение питания платы окажется значительно меньше предельно-допустимого для TDA8954 (±42.5 В).

А из этого далее следует, что в той конфигурации, в которой собрана плата, предельную мощность (согласно документации на микросхему) "выжать" не удастся: не будет достигнут предел ни по напряжению на выходе, ни по току.

Вид на плату спереди:

Здесь, кроме регулятора громкости, расположен разъём для кабеля входного сигнала и светодиод, индицирующий факт подачи питания.

Вид на плату сзади:

Здесь расположены клеммники для подачи питания и подключения колонок, диодный мост для выпрямления напряжения питания (если подано прямо с трансформатора), ещё один светодиод индикации включения (работа описана далее), реле защиты колонок, конденсаторы и индуктивности фильтров.

Прямая красная линия внизу проведена для того, чтобы можно было оценить изгиб платы.

Он возникает из-за того, что радиатор микросхемы очень сильно прижат к плате своими креплениями, расположенными по углам радиатора. Впрочем, на функционировании платы её изгиб никак не сказался.

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 четыре стойки-распорки, которыми радиатор микросхемы прижат к плате.

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

Схемотехника двухканального (стерео) усилителя D-класса на микросхеме TDA8954

Для анализа схемотехники посмотрим на плату сверху и пометим основные элементы цифровыми обозначениями:

Теперь - пробежимся по основным элементам платы.

1 - Радиатор, под которым расположена микросхема усилителя - TDA8954.

2 - Блокировочные электролиты по питанию (8 шт.). Одновременно они выполняют роль сглаживающих конденсаторов выпрямителя, если усилитель будет питаться напрямую от сетевого трансформатора.

3 - Дроссели выходных LC-фильтров. Номинал - 22 мкГн, что точно соответствует рекомендациям в описании (datasheet) на чип TDA8954 для нагрузки 4-8 Ом (но испытывать усилитель будем на нагрузке 3 Ом).

4 - Конденсаторы выходных LC и RC-фильтров.

5 - Микросхема защиты нагрузки (колонок). Тип микросхемы - C1237HA.

6 - Реле защиты нагрузки.

7 - Разъём для кабеля входного сигнала.

8 - Регулятор громкости.

9 - Светодиоды индикации включения. Светодиод на передней стороне индицирует только факт подачи питания; а светодиод на задней стороне платы включается, когда подано напряжение на реле и, тем самым, нагрузка подключена к усилителю. Задержка подключения нагрузки относительно подачи питания составляет около 5 с.

10 - Выпрямительный мост KBU1010 (10 А, 1000 В). Диоды - обычные, не Шоттки (а зря!).

11 - Клеммник подачи питания, рассчитан на подключение вторичной обмотки трансформатора со средней точкой.

12 - Клеммник для подключения нагрузки (колонок).

Качество схемотехники и монтажа можно признать хорошим, близким к идеальному.
 

Испытания усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA8954

При измерениях использовались: двухполярный блок питания ±24 В мощностью 300 Вт (обзор), генератор FY6800 (обзор), цифровой осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

При испытаниях на максимальную синусоидальную мощность нагружался только один канал.

Напряжение питания ±24 В подавалось на штатный клеммник для подачи питания; после прохождени диодного моста напряжение составляло ±23.2 В (с небольшими изменениями при разных видах и уровнях сигнала).

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

Сопротивление нагрузки при испытаниях составляло 3 Ом (два резистора по 6 Ом, включенных параллельно, мощность каждого - 100 Вт, установлены на радиаторе).

Первая осциллограмма - напряжение на выходе усилителя до фильтра (желтая линия) и после фильтра (синяя линия) при нулевом уровне сигнала:

Здесь надо обратить внимание, что установлена разная чувствительность осциллографа для сигналов до фильтра и после. До фильтра - 10 В /дел. (желтая), после фильтра - 2 В /делю (синяя). Так что на самом деле пульсации не такие большие, как кажутся.

Окончательно пульсации фильтруются звуковыми катушками динамиков.

Теперь - то же самое, но с синусоидальным сигналом 20 кГц:

Здесь видна работа "классической" широтно-импульсной модуляции (ШИМ); а также заметно смещение сигнала по фазе относительно ШИМ из-за работы выходных фильтров.

Теперь переходим к замерам мощности на нагрузке и качеству передачи формы сигнала.

Начинаем с самого простого: синус на частоте 1 кГц.

Максимальная амплитуда на грани отсечки (клиппинга) составила 20.8 В:

Соответственно, выходная синусоидальная мощность составила 72.1 Ватта.

Несмотря на высокий КПД усилителей класса D, нагрев радиатора был существенным. Его температура, измеренная инфракрасным термометром Benetech GM531, составила +52 градуса.

Температура диодного моста составила +70 градусов. Мораль: если усилитель питается не напрямую от трансформатора, а уже выпрямленным напряжением, то его лучше подключить, минуя диодный мост (внимание - строго следим за полярностью!).

Если же усилитель питается непосредственно от вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки, то полезно будет заменить диодный мост из "обычных" диодов на мост из диодов Шоттки (падение напряжения на диодах примерно в 4 раза ниже). Но выпаять имеющийся мост будет очень непросто.

Ещё один вариант подачи питания ("гибридный") - установить внешний выпрямительный мост из диодов Шоттки, а уже после него питание к усилителю подключить, минуя собственный мост усилителя (внимание - строго следим за полярностью!).

Кстати, температура радиатора микросхемы с нулевым сигналом или тихой музыкой составляла 33-35 градусов при температуре окружающей среды 21 градус.

Следующая картинка - синус на частоте 10 кГц:

Сигнал очень похож на синус с небольшой "бахромой" недофильтрованных пульсаций.

При дальнейшем увеличении уровня сигнала на этой частоте наступает ограничение (клиппинг), но из-за влияния фильтров оно выглядит не как плоская вершина, а как наклонная плоскость с плавными скруглениями по краям:

Если поднять частоту ещё выше (до 20 кГц), то уже не удаётся развить на нагрузке такую же максимальную амплитуду, как на частоте 1 кГц.

Падение амплитуды из-за реактивного сопротивления фильтра становится уже заметным.

Максимальная амплитуда на частоте 20 кГц получается только на уровне 16.6 В:

При попытке ещё больше повысить уровень сигнала наступает ограничение (клиппинг), форма которого получается плавной из-за влияния фильтра:

В связи с этим, хотя и можно отметить падение мощности на высоких частотах, но практического значения это иметь не будет: в реальной музыке доля мощности на частоте свыше 10 кГц крайне мала. Ухом эти звуки различимы, но усилитель серьёзно не нагружают.

"Помучаем" теперь усилитель другими видами сигналов.

Прямоугольник (F=5 кГц), уровень на грани клиппинга:

Фронт прямоугольного сигнала в увеличенном виде (4 мкс/деление):

Уже по традиции придётся упомянуть фильтр, "заваливающий" крутые фронты.

Далее - треугольник и пила (прямая и обратная), 2 кГц, амплитуда на грани клиппинга:

Картина по всем видам сигналов - вполне благопристойная (за исключением тех мест, где вершины сигнала подошли к клиппингу, но эти искажения - законны).

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.

Снятие характеристики проводилось при трёх значениях сопротивления нагрузки: 3 Ом, 8 Ом и без нагрузки.

Цель такого измерения - оценить влияние выходных фильтров на АЧХ при разных нагрузках.

Вот что показал осциллограф, нагрузка 3 Ом:

АЧХ при нагрузке 8 Ом:

АЧХ без нагрузки:

Рамкой на каждой картинке обведён один цикл прохождения частот 10 Гц - 20 кГц (далее начинался повтор).

В стандартном звуковом диапазоне 20 Гц - 20 кГц всё хорошо и вполне укладывается в рамках 3 дБ.

Теперь - вопрос: кто виноват в росте и падении сигнала на высоких частотах при разных нагрузках?

Как в падении сигнала на высоких частотах (на нагрузке 3 Ом), так и в подъёме сигнала (на нагрузке 8 Ом и без нагрузки), видимо, уже понятно, кто виноват: ну, конечно же, фильтр!

При нагрузке 3 Ом сигнал гасится из-за его падения на реактивном сопротивлении индуктивности фильтра.

При нагрузке 8 Ом и без нагрузки - наоборот, LC-фильтр уже начинает работать как колебательный контур, и сигнал не гасится, а "разгоняется".

При нагрузке 3 Ом эффект "разгона" сигнала не наблюдается из-за того, что малое сопротивление нагрузки сильно подавляет добротность колебательного контура.

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. Да и то, едва слышен.

Коэффициент усиления при установке регулятора громкости в максимальное положение составил около 25, что соответствует характеристикам микросхемы TDA8954.

Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты D-класса на микросхеме TDA8954

Протестированный усилитель показал себя с хорошей стороны; но при этом надо учитывать его особенности, из-за которых будет проблематичным "выжать" из него максимальную мощность, указанную в характеристиках (datasheet).

Главная из этих особенностей - это наличие на плате электролитических конденсаторов на напряжение всего лишь в 35 Вольт. Теоретически, конечно, это напряжение может иметь некоторый запас, но практически лучше не пытаться им пользоваться: из-за нагрева и старения этот запас может снизиться, и тогда "бабах!" получится знатным. :)

А лучше, даже и до этого напряжения не доводить, а ограничиться напряжением в 30-32 В.

Соответственно, расчетная мощность на выходе при питании 32 В (напряжение после диодного моста) составит 137 Вт на нагрузке 3 Ом. Практически это проверить не было возможности в связи с отсутствием подходящего двухполярного источника питания.

Это, конечно, не те 210 Вт, которые заявил продавец платы на Алиэкспресс, но тоже очень неплохо!

Если нагрузка - выше 3 Ом (например, 4 Ом - типовой случай), то мощность пропорционально уменьшится.

Теоретически возможна модернизация платы с заменой электролитов на более высоковольтные и установкой диодного моста с диодами Шоттки вместо обычных диодов, но практически это выполнить довольно сложно (зависит от квалификации монтажника).

Далее перечислим конкретно его достоинства и недостатки.

Достоинства:

- возможность питания от двухполярного источника питания или напрямую от трансформатора с отводом от средней точки вторичной обмотки (какой из способов будет более удобен пользователю);

- высокое качество звучания, хорошая амплитудно-частотная характеристика;

- низкий уровень шума;

- малое потребление в состоянии покоя;

- высокий КПД, возможность работы без дополнительного теплоотвода при воспроизведении музыки;

- удобство подключения и монтажа в какой-либо конструкции;

- малые габариты и вес всей платы в сборе.
 

Недостатки:

- усилитель не позволяет работать с максимальным напряжением питания, допустимым для TDA8954; в результате отдаваемая мощность получается ниже заявленной;

- отсутствие эквалайзера или регулятора тембра.
 

Область применения:

- радиолюбительские конструкции с большой мощностью выходного звукового сигнала;

- ремонт звуковоспроизводящей аппаратуры;

- переделка пассивных колонок в активные.
 

Итоговая оценка - отлично (с перечисленными в разделе "недостатки" оговорками).
    Диагноз: усилитель высокого класса, подходящий для большинства бытовых применений.

Где купить: например, ссылка 1, есть и у других продавцов. Если у других продавцов этот же усилитель будет стоить дешевле, то тоже можно брать (следите за стоимостью доставки, иногда в ней заключаются "военные хитрости" наших китайских товарищей!).

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

При проведении тестов использовались: двухполярный блок питания ±24 В мощностью 300 Вт (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
   16 ноября 2020 г.

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