Одноплатный двухканальный усилитель мощности звуковой частоты класса AB на микросхемах TDA7294 с двухполярным питанием и выходным каскадом на полевых транзисторах

Долгое время интегральные усилители низкой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса AB разрабатывались на основе обычных биполярных транзисторов. Работали они в общем-то неплохо; но совершенствование транзисторов типа MOSFET в плане уменьшения сопротивления в открытом состоянии и увеличения допустимых токов нагрузки заставило разработчиков задуматься над их применением в составе интегральных УНЧ.

Ещё один резон в таком переходе состоял в том, что транзисторы MOSFET — это, своего рода, аналоги ламп — «твёрдотельные лампы». Конечно, полными аналогами они не являются, но, по легендам, мягкости звуку добавляют.

В результате было выпущено несколько типов мощных интегральных УНЧ с MOSFET-ами в оконечных каскадах, например, TDA7850 (4 канала по 50 Вт каждый) и TDA7294 (один канал 70 Вт; в импульсе до 1 с — 100 Вт).

Обзор посвящён сразу двум темам: и готовому одноплатному стереоусилителю на основе микросхем TDA7294, и тому, как для него сделать систему охлаждения почти за бесплатно.

Основные технические характеристики микросхемы TDA7294

Как водится, перед обзором чего-либо из Китая, надо сначала попытаться решить вопрос о подлинности изделия. В данном случае — о подлинности микросхем TDA7294.

Шансов на то, что эти микросхемы произведены непосредственно французской фирмой Thomson (разработчиком), никаких нет. Но и каких-то подозрительных отклонений в работе усилителя замечено не было. Так что в качестве рабочей гипотезы возьмём за основу, что они добросовестно произведены китайским электронпромом на основе лицензии Thomson (ну, или без лицензии :).

В интернете ещё советуют обращать внимание на маркировку микросхем: у подлинных она сделана гравировкой, а у поддельных — просто наляпана краской. Но в данном случае такой подход нельзя применить: маркировка нанесена лазером, что может быть как признаком подлинности, так и просто удешевлённой заменой маркировки краской.

Теперь — собственно характеристики (они относятся именно к микросхеме, а не ко всей тестируемой плате).

Полностью все характеристики можно найти в datasheet TDA7294, который легко доступен через поисковики.

Согласно datasheet, в выходных каскадах микросхем TDA7294 используются MOSFET-транзисторы модификации DMOS (Double Diffused Metal — Oxide — Semiconductor).

Внешний вид, конструкция и схемотехника одноплатного усилителя на TDA7294

Входы, выходы и питание усилителя подводятся через клеммники:

Габариты платы — небольшие (106*56*20 мм), но какой-то излишней тесноты в расположении элементов не наблюдается.

Входы выведены на оранжевый клеммник почти в центре платы. Прикручивать провода к нему не очень удобно, но можно.

Все элементы на плате пронумерованы, а рядом с конденсаторами даже проставлены их номиналы.

В целом схемотехника соответствует типовой рекомендованной схеме в datasheet на TDA7294, за одним исключением: в datasheet рекомендуются электролиты по питанию 1000 мкФ, а здесь установлены только 220 мкФ, что, конечно, не совсем комильфо.

Между выходами и землёй дополнительно добавлены RC-цепочки для предотвращения самовозбуждения усилителя (в datasheet обозначены как «факультативные»).

В качестве разделительных конденсаторов на входе применены пленочные конденсаторы (малинового цвета), а не какая-нибудь дешевая керамика.

Разводка платы выполнена достаточно культурно, сильноточные проводники сделаны широкими, а некоторые ещё и дополнительно облужены. Но можно и немного к разводке придраться: на плате осталось много места, не занятого проводниками. По современным манерам хорошего тона это место надо было занять проводником земли (повышение помехоустойчивости).

В качестве ещё одного небольшого недостатка можно упомянуть, что на плате не сделаны контактные площадки для подачи команд MUTE и STAND BY (ST-BY), но при желании можно подключиться самостоятельно.

Выбор и установка теплоотвода

Теплоотвод в состав комплекта усилителя не входит — о нём нужно позаботиться самостоятельно.

Применять усилитель без радиаторов не рекомендуется ни в каких, даже самых лёгких режимах: нагрев микросхем значителен даже в состоянии покоя.

Я применил в качестве теплоотвода кулер к процессору AMD socket 462, оставшемуся не у дел. Увы, дело даже не в медлительности этих процессоров, а в том, что они не поддерживают актуальный набор команд: Windows 10 на таких процессорах работать вообще никак не сможет!

А тут можно как раз найти применение если не самому процессору, то хотя бы его кулеру.

Чтобы вентилятор кулера не создавал заметный шум при малой громкости звучания, последовательно с питанием вентилятора было подключено тепловое реле KSD-01F на температуру срабатывания 50 градусов.

Само термореле было закреплено как можно ближе к одной из микросхем усилителя:

Впрочем, как убедимся далее, реальная температура срабатывания термореле оказалась не вполне соответствующей расчётной (и само термореле тут не виновато).

Важно! При монтаже радиатора имейте в виду, что пластина теплоотвода микросхемы находится под напряжением отрицательного плеча источника питания (избегайте замыканий!).

Переходим к главной части — к тестам.

Тестирование одноплатного усилителя на TDA7294 с двухполярным питанием

При тестировании применялся двухполярный импульсный блок питания номинальной мощностью 300 Вт (ссылка на обзор будет в «Заключении»). Выходные напряжения блока питания были настроены на +-40 В (это — максимально-допустимое напряжение для TDA7294). Нагружался один канал, сопротивление нагрузки — 8 Ом.

Испытания проводились без корпуса (открытый стенд на столе).

Начнём с отвлечённых материй: с тока покоя. Он составил 74 мА (рассеиваемая микросхемами мощность, соответственно, составила 5.9 Вт).

Коэффициент усиления составил 32.

Проверка максимальной мощности на нагрузке 8 Ом

Эта проверка производилась повышением уровня сигнала до величину, соответствующей на выходе началу клиппинга.

Итого, амплитуда составила 35.1 В, мощность в нагрузке — 77 Вт. Это — неплохой результат, подтверждающий характеристики микросхемы TDA7294.

При этом потребляемый ток составил 1.45 А, потребляемая от источника питания мощность — 116 Вт, КПД — 66% (что вполне характерно для усилителей класса AB).

Ещё в качестве позитива надо заметить, что никаких признаков самовозбуждения не обнаружено.

Температура корпуса микросхемы перед автоматическим включением вентилятора повышалась до 119 градусов — многовато будет!

Причина столь позднего включения вентилятора заключается в том, что тепловое реле реагирует не на температуру его подложки, а на среднюю температуру окружающей его среды (подложка — изолирована и не имеет теплового контакта с биметаллической пластиной внутри термореле).

В закрытом корпусе, где изначально температура окружения повышена, срабатывание должно быть более ранним.

В общем, по результатам испытания можно сказать, что тепловое реле надо было выбрать на более низкую температуру, примерно 40-45 градусов.

Определение полосы пропускания усилителя

Проверка проводилась при амплитуде сигнала на выходе 20 В.

С нижней границей полосы всё легко и просто: она составила 12 Гц по стандартному уровню 0.71 (минус 3 дБ).

А при попытке определить верхнюю границу запахло жареным (не шутка).

На частоте 100 КГц осциллограмма на выходе приняла такую форму:

Уровень сигнала составил 0.86 от уровня на частоте 1 КГц, но уже стали заметны искажения, связанные как с ограничением скорости изменения выходного сигнала, так и с появлением небольшой неравномерности при переключении выходного каскада усилителя с положительного плеча на отрицательное и обратно.

Кроме того, резисторы в цепях предотвращения самовозбуждения разогрелись до температуры выше 300 градусов; в воздухе запахло горелой краской, а припой вблизи контактов резисторов расплавился. :)

В общем, конечно, не стоило эту проверку делать на такой частоте или при такой амплитуде сигнала.

Но, всё-таки, в усилителе ничего не сгорело, а верхнюю границу полосы пропускания запишем, как превосходящую 100 КГц.

Проверка на сигналах стандартных форм

Теперь, для порядка, несколько осциллограмм стандартных сигналов. Частота всех сигналов — 10 КГц, амплитуда — около 20 В, нагрузка — всё та же, 8 Ом.

Крутизна фронтов — на неплохом уровне, линейность — хорошая, но острые углы заметно «скругляются».

И, в завершение этой главы, пример осциллограммы не «академического», а реального сигнала:

Итоги и выводы

Усилитель полностью подтвердил заявленные характеристики.

Искажения при уровне сигнала, не достигающем уровня клиппинга, практически не заметны.

Шумы — очень низкие и, вероятнее всего, ими можно будет пренебречь по сравнению с шумами предварительного усилителя и темброблока.

Склонности к самовозбуждению не замечено.

Конечно, как и всякий УНЧ класса AB, он сильно нагревается под высокой нагрузкой; а отсюда проистекают высокие требования к теплоотводу.

Избежать применения массивных теплоотводов можно, если перейти на усилители НЧ класса D, но у них есть не только свои достоинства, но и свои недостатки.

В качестве УНЧ класса AB рассмотренный усилитель можно считать близким к идеалу, но для относительно высокоомной нагрузки (6-8 Ом и более). Если снизить напряжение питания, то можно работать и с нагрузкой 4 Ом, но в этом случае микросхема не сможет раскрыть весь свой потенциал по мощности (а КПД ухудшится).

Для низкоомной нагрузки (вплоть до 2 Ом) можно рекомендовать усилители на основе другой микросхемы с MOSFET-ами: TDA7850.

Теперь — немного рекламы (ссылка на покупку).

Протестированный усилитель на TDA7294 можно купить на Алиэкспресс. Цена на дату публикации обзора — около $18 с учётом доставки; на распродаже 11.11 возможна небольшая скидка. В дальнейшем цена может меняться, проверяйте!

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

При тестировании усилителя использовалось следующее оборудование:

Тепловизор InfiRay T2S+ (обзор)

Цифровой осциллограф Fnirsi-1013D (обзор)

Двухполярный импульсный блок питания номинальной мощностью 300 Вт (обзор).