Тест, обзор, осциллограммы

Монофонический усилитель класса D мощностью 60 Вт на TPA3118 в параллельно-мостовом включении: что это, зачем, и какая польза?

Обзор посвящен одноплатному монофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты класса D на основе микросхемы TPA3118 (она же TPA3118D2) номинальной мощностью выхода в параллельно-мостовом режиме 60 Вт.

Оглавление
    1. Внешний вид и конструкция одноплатного усилителя класса D на микросхеме TPA3118

    2. Испытания УНЧ класса D на микросхеме TPA3118 (TPA3118D2) в параллельно-мостовом включении (испытания на выходную мощность и проверка формы выходного сигнала)

    3. Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя на TPA3118 (дополнительно - проверка на радиопомехи)

    4. Окончательный диагноз одноплатного монофонического усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TPA3118 и предупреждение о фальшивках

Микросхема TPA3118 допускает работу как в стереофоническом режиме, так и в монофоническом. В стереофоническом режиме она может отдать мощность 2*30 Вт; а в монофоническом оба её канала работают параллельно на один выход, в результате чего получается выходная мощность 60 Вт. Кстати, параллельная работа усилителей допускается только для класса D, так как за счёт работы в импульсном режиме там возможна "абсолютная" синхронность усилителей как по времени, так и по напряжению.

В случае работы в режиме стерео выходы микросхемы работают в мостовом режиме (BTL); а при работе в монофоническом режиме выход работает в параллельно-мостовом режиме (PBTL). Для тестируемой микросхемы режим работы задаётся жестко на этапе разработки платы, произвольно изменить режим работы нельзя.

Параллельное соединение выходов позволяет вдвое уменьшить сопротивление ключей в открытом состоянии, что, в свою очередь, позволяет ещё немного улучшить КПД усилителя, который для класса D и без того достигает 90% и выше.

Но в тестируемом усилителе микросхема работает без теплоотвода. Как это отразится на её работе с высокой выходной мощностью?!

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты D-класса TPA3118, кратко разобраны особенности схемотехники и конструкции тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Схема подключения платы усилителя - достаточно простая и очевидная (на плате всё подписано). Многочисленные тонкости работы будут изложены далее в обзоре.

Далее перечислены характеристики микросхемы TPA3118 "как таковой", без привязки к данной конкретной плате:

Усилитель D-класса TPA3118 - 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 TPA3118 (TPA3118D2) указаны в групповом техническом описании (datasheet) на микросхемы TPA3116D2, TPA3118D2, TPA3130D2 (PDF, 1.4 Mb).

В datasheet можно заметить, что все параметры микросхем TPA3118D2 и TPA3116D2 совпадают, за исключением выходной мощности и расположения площадки теплоотвода. У TPA3118 площадка теплоотвода - снизу и отводит тепло на металлизацию платы (но даже при наличии соприкосновения микросхемы с металлизацией платы это будет слабый теплоотвод); а у TPA3116 она - сверху и предназначена для контакта с полноценным внешним радиатором.

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

Внешний вид и конструкция одноплатного усилителя класса D на микросхеме TPA3118

По традиции посмотрим сначала на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:

(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)

Все внешние соединения выполнены с помощью клеммников, пайки не требуется. Но желающие выполнить соединения пайкой имеют полное право это сделать, надёжность только повысится.

Размеры платы - 55*40 мм, высота платы с элементами - 15 мм.

Вблизи левого нижнего угла находится прямоугольный диод "защиты от дурака" (от переполюсовки питания). Тип диода - SS54 (datasheet диода Шоттки SS54 (PDF, 410 Kb). Максимальный прямой ток - 5 А, максимальное обратное напряжение - 40 В.

Благодаря тому, что он - диод Шоттки, прямое падение напряжение в 2-3 раза ниже, чем у "обычных" диодов с тем же допустимым током.

Также вблизи левого нижнего угла расположен светодиод, обозначенный D2. Цвет свечения - синий, не яркий, но хорошо заметный. Он индицирует только подачу питания.

Вид с противоположной диагонали:

Если внимательно присмотреться к выводам на левой стороне микросхемы TPA3118, то можно заметить, что её выходы, действительно, запараллелены физически; а не просто микросхема переведена в монофонический режим.

В составе выходных фильтров использованы крупные и мощные ферритовые дроссели номиналом 33 мкГн и миниатюрные керамические конденсаторы без указания номинала.

Тем не менее, несмотря на колоссальную разницу в габаритах между дросселями и конденсаторами, проблем с конденсаторами в процессе испытаний не возникло: они не взорвались, не потрескались, и вообще вели себя очень прилично. Причиной проблем могла бы быть высокая реактивная мощность в малых габаритах, но этой проблемы не случилось.

По поводу дросселей надо также добавить, что их номинал превосходит рекомендуемый в datasheet (10 мкГн). Это может привести к падению АЧХ в области высоких частот при работе на омическую нагрузку (что впоследствии подтвердилось).

Вид сверху:

Все электролитические конденсаторы запараллелены и установлены по цепи питания для сглаживания пульсаций. Номинал всех конденсаторов - 470 мкФ*35 В, что можно одобрить.

Пристальным взглядом сбоку с применением увеличительного стекла было установлено, что между дном микросхемы и печатной платой есть небольшой воздушный зазор в какую-то долю миллиметра. Таким образом, отвод тепла от микросхемы в сторону платы будет весьма ограниченным.

Также можно заметить, что электролитические конденсаторы припаяны слегка кривенько, но пайка - надежная и вопросов не вызывает.

В заключение описания конструкции надо отметить небольшую, но приятную деталь: наличие в плате 4-х отверстий для её закрепления в корпусе. Отдельные недобросовестные производители забывают об этой маленькой, но важной детали.

Теперь посмотрим на плату снизу:

Можно только отметить, что металлизация на нижней стороне - почти сплошная (кроме одной узкой полоски) и соединена с "Землёй", что очень полезно для защиты от помех. Также здесь нанесено наименование платы: XH-M311.

Испытания УНЧ класса D на микросхеме TPA3118 (TPA3118D2) в параллельно-мостовом включении

При измерениях использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS-генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P (обзор).

При включении усилителя в колонках слышен негромкий щелчок, идеально тихого включения не получается.

Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он существенно зависел от напряжения питания усилителя и составлял следующие значения:

5 В - 18 мА,

12 В - 25 мА,

18 В - 28 мА,

26 В - 32 мА.

Нагрев усилителя в состоянии покоя - очень небольшой, но при максимально-допустимом напряжении (26 В) температура микросхемы составляла уже 40°С (измерено инфракрасным термометров Benetech 531 при температуре окружающей среды +24°С). Далее во всех измерениях температуры применялся этот же прибор.

Коэффициент усиления платы составил 60 (ок. 36 дБ).

Было проверено минимальное напряжение питания, при котором усилитель сохранял полноценную работоспособность, оно составило 4.2 В (после диода "защиты от дурака"). Таким образом, усилитель очень хорошо подходит для устройств с низковольтным питанием (например, от стандартного повербанка с напряжением выхода 5 В).

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 400 кГц (минимальная из возможных).
 

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.

Под напряжением питания везде подразумевается напряжение не на контактах питания платы, а после диода "защиты от дурака".

1. Синус 1 кГц, напряжение питания 5 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом, здесь всего один канал):

Мощность в нагрузке составила 1.44 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.31 А. Итого, КПД составил 96% (возможна погрешность на 1-3%), что наилучшим образом подчёркивает главное преимущество усилителей класса D - высокий КПД. Замечание про погрешность касается и всех последующих измерений.

Нагрев микросхемы был очень слабым, температура составила +29 градусов.
 

2. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагрузка 8 Ом:

Мощность в нагрузке составила 7.84 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.69 А. Итого, КПД составил 95%.

Нагрев микросхемы стал ощутимым, температура составила +48 градусов.
 

3. Синус 1 кГц, напряжение питания 26 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагрузка 8 Ом:

Мощность в нагрузке составила 37.21 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 1.51 А. Итого, КПД составил 95%.

Нагрев микросхемы стал очень высоким; примерно через 5-6 секунд работы с такой нагрузкой температура составила +68 градусов; после чего, во избежание перегрева тест был остановлен.
 

Теперь переходим к тестам при сопротивлении нагрузки 4 Ом. Это будет "жесть"! Но "жесть" наступит не сразу...

4. Синус 1 кГц, напряжение питания 5 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагрузка 4 Ом:

Мощность в нагрузке составила 2.42 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.52 А. Итого, КПД составил 93%.

Нагрев микросхемы был слабым, температура составила +32 градуса.
 

5. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагрузка 4 Ом:

Мощность в нагрузке составила 14.85 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 1.30 А. Итого, КПД составил 95%.

Нагрев микросхемы стал сильным, температура составила +59 градусов.
 

6. Синус 1 кГц, напряжение питания 26 В, амплитуда - максимальная (на грани клиппинга), нагрузка 4 Ом:

Мощность в нагрузке составила 62.72 Вт.

Ток, потребляемый от блока питания, составил 2.74 А. Итого, КПД составил 88% (значительное падение по сравнению с предыдущими режимами).

Нагрев микросхемы был очень сильным и быстрым; температура уже через 3 секунды составила +89 градусов, после чего тест был остановлен.
 

Также был проверен температурный режим при реальном воспроизведении музыки.

В этом тесте на вход усилителя подавался сигнал такой величины, чтобы длительность клиппинга сигнала на выходе не превышала 5% даже в моменты наибольшего сигнала; осциллограмма:

Напряжение питания составляло 26 В, нагрузка - 8 Ом.

Температура микросхемы TPA3118 менялась довольно сильно и быстро, повторяя изменение уровня сигнала с небольшой задержкой.

Максимальная температура составила +63 градуса, что является безопасным для микросхемы.

Выводы из испытаний на максимальную мощность: микросхема очень хорошо подходит для работы с низким напряжением источника питания; но при работе с максимальным напряжением питания возможен перегрев, особенно при работе с нагрузкой 4 Ом. В последнем случае рекомендуется работа с напряжением питания не выше 15-18 Вольт.
 

Проверка формы выходного сигнала при различных формах входного сигнала

В этом разделе - испытания на точность передачи формы типовых сигналов, кроме синуса, - треугольника, прямоугольника, прямой и обратной пилы.

Испытания проводились при напряжении питания 26 В, нагрузке 8 Ом и размахе выходного сигнала на уровне около 90% от уровня клиппинга.

1. Треугольник 1 кГц:

Сигнал - достаточно благообразный.
 

2. Прямоугольник 1 кГц (передний фронт импульса):

Здесь отлично виден "звон" выходного фильтра, возникающий после крутого фронта сигнала.

По этому звону можно примерно определить собственную резонансную частоту фильтра, она составляет около 40 кГц (что вполне нормально для усилителей D-класса с фильтрами).

Осциллограмма заднего фронта не приведена, но она полностью симметрична.
 

3. Пила и обратная пила 1 кГц:

Здесь так же, как и на прямоугольном сигнале, виден "звон" фильтров на выходе усилителя после крутых фронтов.

Линейный участок сигналов воспроизводится без проблем.

Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя на TPA3118

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 трёх вариантах нагрузки: 4 Ом, 8 Ом, и при подключении реальной звуковой колонки.

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 TPA3118 с нагрузкой 4 Ом:

Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц - 30 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне.

АЧХ получилась с сильным завалом. Падение АЧХ на частоте 20 кГц составляет почти точно 2 раза!

Усилитель в самом явном виде не оптимален для нагрузки 4 Ом. Конечно, в значительной мере АЧХ можно поправить с помощью регулятора тембра или эквалайзера; но это урежет их функции для случаев, когда потребитель захочет подчеркнуть высокие частоты.

Что касается характеристики в области низких частот, то полоса пропускания на уровне -3 дБ начиналась от 30 Гц, что не идеально, но приемлемо.
 

2. АЧХ усилителя на TPA3118 с нагрузкой 8 Ом:

С нагрузкой 8 Ом АЧХ получилась значительно лучше. Падение АЧХ на высоких частотах оказалось небольшим и может быть скомпенсировано регулятором тембра без проблем.

2. АЧХ усилителя на TPA3118; нагрузка - звуковая колонка 15АС-109:

На реальной нагрузке (звуковой колонке) падение АЧХ в рабочей области (на частоте 20 кГц) получилось небольшим, а хорошо заметный провал на АЧХ относится уже к частотам 22-23 кГц, находящимся выше диапазона слышимости.

Этот провал может быть связан с паразитными резонансами, образованными реактивными элементами собственного фильтра усилителя, фильтрами звуковой колонки и индуктивностями звуковых катушек динамиков.

Тем не менее, над сказать, что получившаяся АЧХ - всего лишь частный случай, относящийся к применённой колонке; и в других случаях АЧХ может быть как хуже, так и лучше данного случая.
 

Дополнительно: проверка на радиопомехи

Из-за наличия в усилителях D-класса мощных прямоугольных импульсов с широким спектром гармоник, они могут создавать помехи радиоприёму.

Особенно это актуально для усилителей без выходных фильтров, где импульсы без какого-либо подавления попадают на кабели, ведущие к звуковым колонкам (или динамикам), и на сами колонки (динамики).

В этом случае кабели и колонки превращаются в антенны, излучающие радиопомехи.

Но и для усилителей с фильтрами ситуация - не идеальная. Частично помехи тоже могут излучаться, хотя и в сильно ослабленном виде.

Для этой проверки был проведён очень простой тест: к тестируемому усилителю был подключен плеер с проверенным уверенным приёмом FM-станций.

Проверка показала, что качество звучания некоторых (наиболее слабых) радиостанций ухудшилось, но для большинства станций качество приёма не изменилось.

Итог: усилитель может применять в комплексе с радиоприёмниками для прослушивания радиостанций только в зоне уверенного приёма.

Окончательный диагноз одноплатного монофонического усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TPA3118

Протестированный одноплатный усилитель класса D на чипе TPA3118 (TPA3118D2) показал себя в целом с хорошей стороны, хотя не обошлось и без "шероховатостей".

Как и положено для усилителей класса D, он показал очень высокий КПД; этому помогло и параллельное включение каналов. Фактически, только в самом максимальном режиме (питание 26 В и нагрузка 4 Ом) КПД упал ниже 90% (до 88%).

Большое преимущество усилителя - возможность работы от низковольтных источников питания (даже от обычного повербанка) без потери КПД или качества звука.

Кроме того, усилитель имеет небольшое потребление в состоянии покоя; вместе с высоким КПД это делает усилитель очень подходящим для применения в автономной аппаратуре.

По результатам прослушивания музыки на реальной колонке (упомянутой 15АС-109) звук можно охарактеризовать как достаточно качественный. В звуке присутствует умеренная басовитость, мелкие детали звука не теряются; хотя, возможно, слегка не хватает звонкости высоким.

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.

Теперь - о "шероховатостях".

В первую очередь надо отметить высокую зависимость АЧХ от сопротивления нагрузки и её характера.

Усилитель достаточно хорошо оптимизирован для нагрузки 8 Ом; а на нагрузке в 4 Ом возможен недостаток высоких частот. Впрочем, это всё будет сильно зависеть от конкретного типа колонок, подключенных к усилителю: с некоторыми из 4-омных колонок всё может оказаться хорошо; но гарантировать этого нельзя.

Также надо отметить и нестабильность температурных характеристик: при высокой нагрузке микросхема усилителя может впасть в перегрев (особенно - на нагрузке 4 Ом).

Теоретически, температурную стабильность можно слегка улучшить, приклеив к микросхеме радиатор; но практически для мощной нагрузки лучше приобрести усилитель на микросхеме TPA3116 (ближайший "родственник", обзор). Микросхема TPA3116 имеет площадку теплоотвода сверху, и к ней можно прикрепить радиатор, который, действительно, будет хорошим поглотителем тепла.

Купить плату усилителя на основе микросхемы TPA3118 можно на Алиэкспресс здесь или здесь; а также у многих других продавцов. Цена -                  около $5.

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

Внимание! Остерегайтесь подделки! У одного и того же продавца могут чередоваться в продаже платы на подлинных и поддельных чипах, изучайте последние отзывы покупателей.

На Алиэкспресс некоторые продавцы выдают за TPA3118 совершенно другую микросхему с поддельной маркировкой.

Отличия подделки: микросхема имеет не 32, а 28 контактов и более узкий корпус. Смотреть надо не на картинки продавца, а на фото покупателей; см. пример отзыва о фальшивке:

Дополнительный материал: статья "Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB"
 

Обзоры других усилителей класса D - здесь.
 

Обзоры усилителей класса AB - здесь.
 

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

  Ваш Доктор.
 21 августа 2021 г.

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

  Комментарии вКонтакте: