Мостовые унч. Мостовое подключение усилителей. Блок управления режимами ожидания и приглушения

Усилитель мощности низкой частоты класса Hi-Fi, выполненный по мостовой схеме с применением двух интегральным микросхем TDA7294. Позволяет получить на выходе до 170 Ватт мощност, отлично подойдет для сабвуфера.

Технические характеристики

• Выходная мощность на нагрузке 8 Ом и питании ±25V - 150 W;
• Выходная мощность на нагрузке 16 Ом и питании ±35V - 170 W.

Принципиальная схема

В усилителе предусмотрена защита выходного каскада от короткого замыкания, термозащита (переключение на пониженную мощность в случае перегрева, возникающего при больших нагрузках), защита от бросков напряжения, режим отключения (Standby), режим включения/отключения входного сигнала (Mute), а также защита от «щелчка» при включении/выключении. Все это уже реализовано в интегральных микросхемах TDA7294.

Рис. 1. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 - мощный мостовой усилитель НЧ.

Детали и печатная плата

Рис. 2. Печатная плата для мостового варианта включения микросхем TDA7294.

Рис. 3. Расположение компонентов для мостового варианта включения микросхем TDA7294.

Для питания такого усилителя мощности необходим источник питания с трансформатором мощностью не менее 250-300 Ватт. В схеме выпрямителя желательно установить электролитические конденсаторы по 10000мкФ и более на каждое плечо.

Мостовая схема включения из даташита

Рис. 4. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 (из даташита).

В мостовом режиме работы, сопротивление нагрузки должно быть не менее 8 Ом, иначе микросхемы сгорят от перегрузки по току!

Печатная плата

Универсальная печатная плата для двухканального и мостового вариантов усилителя мощности.

Мостовая схема включения УМЗЧ - это два одинаковых канала, в одном из которых вход сигнала подключен на землю, а вход обратной связи (ножка 2) подключен через резистор 22К к выходу второго канала.

Также 10-е ножки микросхем (Mute) и 9-е ножки (Stand-By) нужно подключить к схеме управления режимами, собранной на резисторах и конденсаторах (рисунок 6).

Рис. 5. Печатная плата для усилителя мощности на микросхемах TDA7294.

В платах есть небольшие отклонения (в лучшую сторону) от схемы из даташита:

• На входах микросхем (ножка 3) установлены конденсаторы на 4мкФ, а не 0,56мкФ;
• Между резистором 680 Ом (что идет к ножке 2) и землей подключен конденсатор 470мкФ;
• Конденсаторы между ножками 6 и 14 - 470мкФ, а не 22мкФ;
• По питанию вместо конденсаторов 0,22мкФ предложено установить 680нФ (0,68мкФ);

В мостовом включении выводы 10 и 9 соединяются вместе соответственно и подключаются к схеме управления режимами.

Рис. 6. Простая схема управления режимами Standby-Mute для микросхем TDA7294.

Чтобы включить микросхемы (вывести из тихого и энергосберегающего режимов), контакты "VM" и "VSTBY" достаточно подключить к положительному выводу питания +Vs.

Эта печатная плата является универсальной, ее можно использовать как для двухканального, так и для мостового режимов работы усилителя на микросхемах TDA7294. Здесь очень хорошо выполнена разводка земли (GND), что улучшит надежность и помехоустойчивость УМЗЧ.

Литература:

1. Даташит на микросхему TDA7294 - Скачать (7-Zip архив, 1,2МБ).
2. FAQ по TDA7294 - cxem.net/sound/amps/amp129.php

В предыдущих постах мы рассматривали структурные схемы усилителей низкой частоты и методы повышения их выходной мощности. Мы увидели, что максимальная амплитуда напряжения сигнала на нагрузке не может превысить половины напряжения питания усилителя и его выходная мощность ограничена соотношением
Pвых = (Eп / 2)2 / (2 х Rн) = Eп2 / (8 х Rн),
Где Eп – напряжение питания усилителя, Rн – сопротивление нагрузки (динамика).
Это огрничение вытекает из законов физики и его в рассмотренных схемах нельзя преодолеть.
Увеличить выходную мощность возможно, используя два одинаковых усилителя, работающих на одну и ту же нагрузку. Причем усилители надо включить так, чтобы один усилитель был подключен к одному ее выводу, а другой – ко второму, сами усилители должны работать в противофазе.

При этом, когда на выходе правого усилителя напряжение будет снижаться, на выходе левого – повышаться. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на выводах нагрузки будет равна всему напряжению питания усилителей, и на ней будет выделяться мощность
Pвых = Eп2 / (2 х Rн) – в четыре раза больше, чем при использовании одиночного усилителя.
Такая схема усилителя называется мостовой и позволяет при низком напряжении питания усилителя получить большую мощность.
Для обеспечения ее нормальной работы внутренняя схема стабилизации поддерживает одинаковыми постоянные напряжения на выходах усилителей, что исключает протекание постоянного тока через нагрузку.

Хочу отметить, что в этой схеме выходные транзисторы работают в более тяжелом режиме, так как ток в нагрузке в два раза больше, чем в нагрузке одиночного усилителя. Соответственно, они должны его выдержать.
В качестве фазоинвертора можно использовать либо каскад на одиночном транзисторе

либо на дифференциальном усилителе

Мостовая схема очень часто применяется в усилителях с низким (в основном, батарейным) напряжением питания. Например на нагрузке 4 Ом при напряжении питания 3 В можно получить мощность более 0,5 Вт, при 12 В – 12,5 Вт.
Такие усилители выпускаются для широкого диапазона питающих напряжений и выходных мощностей. Большим их преимуществом является отсутствие выходных конденсаторов и минимальная обвязка. Ниже приведена схема включения усилителя TDA7050 из ее Datasheet-а.

При напряжении питания 3 В он отдает 0,14 Вт на нагрузку 32 Ома (корпус DIP8 или SO8)), аналогичный усилитель TDA7052 – 1,2 Вт на нагрузку 8 Ом при напряжении питания 6 В (DIP8).
А у TDA7052А (DIP8, SO8) даже встроен электронный регулятор громкости. То же, но при больших выходных мощностях у TDA7053A (2 x 1 Вт при 6 В, DIP16) и TDA7056A (5Вт при 12 В).
Наибольшее распространение мостовые усилители получили в автомобильных приемниках, когда при низком напряжении – 14,4 В (напряжение в автомобильной сети) нужно получить большую мощность.
Например четырехканальная микросхема TDA 7385 позволяет получить по 15Вт мощности на канал при коэффициенте нелинейных искажений 1% (до 35 Вт при 10%),

Мостовое включение - подключение усилителя к громкоговорителям, при котором каналы стереоусилителя работают в режиме моноблочных усилителей мощности. Они усиливают один и тот же сигнал, но в противофазе. При этом громкоговоритель включается между двумя выходами каналов усиления.

Мостовое включение позволяет значительно увеличить мощность усилителя.

Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 1,5 - 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Наряду с достоинством - большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки.
В первую очередь - повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно - выходные сопротивления усилителей сложились.

Один из способов увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания - включить его по мостовой схеме . Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.

Наряду с достоинством - большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь - повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно - выходные сопротивления усилителей сложились.
Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.

Одной из главных проблем, с которой сталкивается разработчик ламповых усилителей, является изготовление выходных трансформаторов. В то время как силовой трансформатор должен лишь обеспечивать необходимые напряжения и токи и может быть намотан, в крайнем случае даже вручную, выходной трансформатор оказывает огромное влияние на характеристики усилителя. Способ намотки обмоток, размеры сердечника, даже толщина пластин сердечника и толщина прокладок между обмотками - все влияет на такие важные параметры усилителя, как выходная мощность, полоса пропускания частот и нелинейные искажения.

Желание сделать выходной трансформатор менее критичным к качеству его изготовления или вообще отказаться от его применения привело к появлению схем мостовых усилителей, в которых выходные лампы по постоянному току включены последовательно, а по переменному-параллельно. Поскольку выходные лампы в такой схеме работают в режиме катодного повторителя, а постоянная составляющая на нагрузке исключена, появляется возможность согласовать сопротивление нагрузки с помощью простого автотрансформатора, имеющего всего одну обмотку.

Схема такого мостового усилителя мощности приведена на рис.1.

Рис.1. Схема мостового усилителя мощности

Входной каскад на лампе Л1.1 типа 6Н8С построен по схеме с общим катодом и особенностей не имеет. Его назначение - обеспечить необходимый уровень чувствительности. Если источник сигнала имеет выходное напряжение не менее 4 В, то входной каскад можно исключить и подавать входной сигнал прямо на вход фазоинвертора.

Фазоинвертор (лампа Л2 тина 6Н9С) построен на основе балансного. Такой фазоинвертор отличается большим усилением и симметричностью разделенного сигнала. При желании иметь в усилителе балансный вход типа XLR, обладающий большей помехозащищенностью по сравнению с однотактным входом RCA, можно убрать конденсатор, заземляющий второй вход фазоинвертора, и подать на него сигнал.

Выходной каскад выполнен на двух лучевых тетродах Л3 и Л4. В качестве выходных ламп можно применять лампы 6П6С или 6П3С. С первыми выходная мощность составит около 12-13 Вт, со вторыми - до 25 Вт на канал. Еще более увеличить выходную мощность можно, применив лампы 6П27С, которые имеют максимальное анодное напряжение до 800 В и гораздо больший ток анода. Но для этого придется увеличить мощность силового трансформатора и изменить конструкцию усилителя.

Из-за параллельного включения ламп по переменному току оптимальное сопротивление нагрузки уменьшается в 4 раза и составляет для данной схемы около 900 Ом.

Выходной автотрансформатор намотан на сердечнике от стандартного трансформатора ТП-208-6 сечением 7,0 см2. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,33 мм, вторичная - 84, третья - 35 витков провода диаметром 1,0 мм, четвертая - 531 виток провода диаметром 0,33 мм. Все обмотки должны быть намотаны в одну сторону. Их расположение на катушке показано на рис.2.

Рис.2. Расположение обмоток выходного трансформатора

Плечи выходного каскада питаются от отдельных выпрямителей. При изготовлении двухканального усилителя потребуются четыре обмотки анодного питания, что необходимо учитывать при подборе трансформатора.

Схема блока питания двухканального усилителя приведена на рис.3.

Рис.3. Схема блока питания

Силовой трансформатор намотан на сердечнике сечением не менее 16 см2 и имеет восемь обмоток. Первичная обмотка имеет 650 витков провода диаметром 0,5 мм; вторая, третья, четвертая и пятая обмотки имеют по 700 витков провода диаметром 0,2 мм; накальные обмотки – шестая и седьмая - имеют по 19 витков провода диаметром 1,0 мм; восьмая обмотка имеет 36 витков провода диаметром 0,2 мм и используется для питания устройства задержки включения анодного питания.

Устройство задержки включения питания выполнено по схеме на рис.4. Для двухканального усилителя это устройство должно иметь два реле типа РЭС22. В зависимости от рабочего напряжения реле их обмотки включаются параллельно или последовательно.

Рис.4. Схема задержки подачи анодного напряжения

Выпрямители и устройство задержки включения питания собраны на общей плате, рисунок которой приведен на рис.5.

Рис.5. Печатная плата блока питания

Как известно, главным недостатком ламп по сравнению с транзисторами является довольно низкая стабильность параметров. Так, ресурс большинства ламп составляет 500-1000 часов непрерывной работы. За этот период значительно изменяются основные параметры лампы - уменьшается крутизна характеристики, падает выходная мощность, изменяется внутреннее сопротивление. Особенно неприятно этот эффект проявляется в двухтактных выходных каскадах, так как изменение параметров ламп приводит к разбалансировке плеч двухтактного каскада, появлению постоянного тока через выходной трансформатор и увеличению нелинейных искажений. Стабилизация анодного питания в данном случае не помогает, поскольку лампа по постоянному току представляет собой сопротивление и изменение внутреннего сопротивления лампы вызывает нестабильность тока покоя. Большинство усилителей либо регулируется только один раз при изготовлении, либо имеет подстроечные элементы для установки тока покоя в течение срока службы усилителя, что требует периодического проведения профилактических работ с применением специального оборудования и некоторой квалификации от пользователя ламповой аппаратуры.

Для описанного усилителя мною было разработано простое устройство, автоматически поддерживающее заданный ток покоя выходных ламп. Схема этого устройства приведена на рис.6.

Рис.6. Схема стабилизатора тока покоя выходных ламп

Устройство представляет собой стабилизатор тока и состоит из нескольких функциональных узлов. Резистор Rдт представляет собой датчик тока, на котором создается напряжение падения, пропорциональное току покоя лампы. На транзисторах VT1 и VT2 собран маломощный источник опорного напряжения, с помощью которого задается ток покоя лампы. Данная схема источника опорного напряжения отличается малым потреблением тока (0,5-0,7 мА), что немаловажно, так как ток источника опорного напряжения не проходит через датчик тока и, следовательно, приводит к небольшой погрешности установки тока покоя. При желании источник опорного напряжения можно заменить светодиодом, который будет индицировать нормальный режим лампы. В этом случае нужно применить светодиод с рабочим током не более 1 мА. На составном транзисторе VT3VT4 собрано устройство сравнения и управления током. При уменьшении тока покоя лампы уменьшается падение напряжения на резисторе датчика тока Rдт. Поскольку напряжение на базе транзистора VT3 стабилизировано источником опорного напряжения, уменьшение напряжения на эмиттере VT3 вызывает открывание транзисторов VT3 и VT4, которые шунтируют резистор Rк и уменьшают общее сопротивление в цепи катода лампы, тем самым увеличивая ее анодный ток. При повышении анодного тока транзисторы VT3 и VT4 закрываются и увеличивают сопротивление в цепи катода. Для исключения влияния переменной составляющей катодного тока на постоянный ток покоя резистор R5 зашунтирован конденсатором большой емкости С1.

Это устройство включается в катодную цепь лампы вместо резистора автоматического смещения и питается за счет напряжения смещения. При испытании с несколькими лампами типа 6П6С и 6П3С такой стабилизатор тока обеспечивал постоянство тока покоя с точностью до 2%. По переменному току это устройство зашунтировано конденсатором большой емкости и не оказывает никакого влияния на усиление звуковых частот. Для каждой выходной лампы изготавливается такой стабилизатор тока на небольшой печатной плате и устанавливается вместо катодного резистора. Установив ток покоя выходного каскада равным 25-30 мА, можно использовать усилитель в классе А или АВ, устанавливая в выходном каскаде соответственно лампы 6П6С или 6П3С. Никаких регулировок при замене ламп при этом не нужно.

Все трансформаторы и лампы установлены непосредственно на корпусе усилителя. Трансформаторы закрыты кожухами, которые также крепятся к корпусу. Установочные размеры силового трансформатора зависят от конструкции самого трансформатора и поэтому не указаны на чертеже корпуса усилителя. Около всех трансформаторов должны быть просверлены отверстия для прокладки проводов. Их размеры и положение также достаточно произвольны. Плата блока питания крепится в подвале корпуса под силовые трансформатором на винтах крепления кожуха трансформатора. Монтаж каскадов усилителя выполнен навесным способом на выводах ламповых панелей. На винтах крепления ламповых панелей закреплены дополнительные контактные пластины из текстолита, на которых резаком прорезаны контактные площадки.

Порядок монтажа и регулировки усилителя такой же, что и у .

Дмитрий Климов

Ламповые усилители. Методика расчета и конструирования