Мостовой одноплатный усилитель мощности звуковой частоты класса AB на микросхеме TDA7297 (2×15 W) — удачное решение небольшой мощности
Обзор посвящен одноплатному стереофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса AB на основе микросхемы TDA7297 номинальной мощностью 2 x 15 Вт.
В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты TDA7297 , кратко разобраны особенности схемотехники тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.
Купить плату усилителя на основе микросхемы TDA7297 можно на Алиэкспресс, например, здесь или здесь. Цена на дату обзора — от $ 2.5 до $3.8 (совсем недорого).
(Двухканальный мостовой усилитель низкой частоты на TDA7297 — схема подключения; изображение с официального сайта AliExpress )
Схема подключения платы усилителя — достаточно простая и очевидная. Тонкости работы будут изложены далее в обзоре.
Далее перечислены характеристики микросхемы TDA7297 «как таковой», без привязки к данной конкретной плате:
Усилитель TDA7297 класса AB — технические характеристики
| Максимальная выходная мощность ( RMS ) * | 2*15 Вт |
| Напряжение питания | 6.5. 18 В (номинальное), 20 В — максимально-допустимое |
| Максимальная рассеиваемая мощность | 33 Вт |
| Максимальный ток выхода | 2 А |
| Коэффициент нелинейных искажений | 3 % (PO = 1W ) 1 % (PO = 0.1. 5 W , f = 100Hz to 15kHz) |
| Шум на выходе (20 Гц — 22 кГц) | 220 мкВ (тип), 500 мкВ (макс.), f = 20Hz to 20kHz |
| Ток покоя | 65 mA ( макс. ) |
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).
Производитель не указал в технических характеристиках допустимое сопротивление нагрузки. Видимо, потребителю его следует рассчитать самостоятельно, исходя из напряжения питания, под которым будет работать микросхема у потребителя, и максимально-допустимого тока выхода (2 А).
Полностью все характеристики и типовые схемы включения TDA7297 указаны в техническом описании ( datasheet) TDA7297 (PDF, 180 KB ).
Особое внимание надо обратить на то, что у микросхемы TDA7297 есть близкая «родственница» — TDA7297SA. Она отличается только тем, что максимальная выходная мощность у неё в 1.5 раза ниже — 2*10 Вт; а по остальным техническим данным и назначению выводов они совпадают.
Обе микросхемы представляют собой функционально-законченные усилители, содержащие как усилительную часть, так и цепи обратной связи. Благодаря этому они пригодны к употреблению с самой минимальной обвязкой.
Вот настолько проста типовая схема подключения TDA7297 :
Теперь — углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.
Внешний вид и конструкция одноплатного стерео усилителя класса AB на микросхеме TDA7297
Никакой документации в комплекте усилителя не было, но обозначений на самой плате достаточно для её правильного подключения.
Посмотрим сначала на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:
(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)
Размеры платы — 4 8 *5 1 * 41 мм (Ш*Д*В); длина указана с учётом радиатора, немного выступающего за край платы.
На плате расположен светодиод синего свечения (слегка погнут при транспортировке). Он индицирует только факт подачи питания.
Номинал большого электролита составляет 2200 мкФ*25 В; он выполняет роль блокировки помех по питанию.
Вид с противоположной диагонали:
Все соединения, кроме подключения входного сигнала, выполнены с помощью клеммников под винт. Входной сигнал подаётся через стандартное 3-контактное гнездо под аудио-штеккер 3.5 мм.
Номинал переменного резистора регулировки громкости — стандартный 50 кОм.
Вид усилителя сверху:
Здесь непосредственно над большим электролитом виден чёрный цилиндрический диод «защиты от дурака» (от переполюсовки питания).
Диод — обыкновенный (не Шоттки), что весьма печально. При прямом токе в 1 А падение напряжения составляет около 0.9 В, и греется он очень сильно.
В результате получается двойной вредоносный эффект: и падает КПД, и увеличивается нагрев пространства вблизи главной микросхемы усилителя.
Мораль: после завершения пусконаладочных работ лучше этот диод закоротить!
Теперь посмотрим на вид сзади:
Здесь виден, по существу, только радиатор. Вот им и займёмся!
Начнём с того, что между радиатором и микросхемой нет термопасты. Весьма рекомендуется радитор открутить и положить тонкий слой термопасты (любой, лишь бы была).
Радиатор имеет ширину 46 мм и высоту 40 мм; высота рёбер 7 мм. Итого, площадь поверхности радиатора составляет 104 кв. см.
В соответствии с классической радиолюбительской рекомендацией для теплоотвода обеспечивать 10 кв. см площади радиатора на каждый Ватт выделяемой мощности, применённого радиатора должно хватить для работы усилителя с мощностью только в 10.4 Вт.
Отсюда ещё одна мораль: при работе в режимах, близких к максимальным, штатного радиатора может не хватить; его надо будет заменить на более крупный.
И, последний ракурс — вид снизу (со стороны печатных проводников):
Разводка платы выполнена грамотно: сильноточные проводники сделаны широкими, а свободное место по максимуму занято проводником «земли» (полезно для защиты от помех).
Кроме того, можно заметить, что радиатор не прикручен к плате винтами или шурупами, а установлен просто на двух штырях, не имеющих жесткого сцепления с платой.
Благодаря этому радиатор можно легко снять, например, чтобы положить термопасту. Но, во избежание «болтанки» при вибрации и транспортировке, желательно всё-таки радиатор закрепить более прочно.
Испытания УНЧ класса AB на микросхеме TDA7297
При измерениях использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS- генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P ( обзор).
Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он составил 35 мА при напряжении питания 12 В (здесь и далее под напряжением питания имеется в виду напряжение после диода «защиты от дурака»).
Нагрев усилителя в состоянии покоя — очень небольшой, едва заметный на ощупь.
Шумы усилителя оказались очень малы и практически не заметны.
Коэффициент усиления при максимальном положении регулятора громкости составляет 40.
Испытания на выходную мощность синусоидального сигнала при различных комбинациях напряжениях питания и сопротивления нагрузки. Бонус — определение минимального напряжения работоспособности
1. Синус 1 кГц, напряжение питания 6.5 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом):
(кликнуть для увеличения)
Мощность в нагрузке составила 2.88 Вт.
Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.72 А. Итого, КПД составил 62%, что даже для усилителей класса AB не идеально, но приемлемо.
2. Синус 1 кГц, напряжение питания 9 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом):
Мощность в нагрузке составила 5.45 Вт.
Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.98 А. Итого, КПД составил всё те же 62%.
3. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом):
Мощность в нагрузке составила 9.46 Вт.
Ток, потребляемый от блока питания, составил 1.30 А. Итого, КПД составил 61%. Стабильность — наше всё!
Ток в нагрузке на пике составил 2.18 А, что даже немного превышает предельно-допустимое значение (2 А); в связи с этим следующие два измерения проводились при сопротивлении нагрузки 8 Ом.
4. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом).
Мощность в нагрузке составила 6.63 Вт.
Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.84 А. Итого, КПД немного повысился и составил 66%. Видимо, сказалось уменьшение остаточного напряжения на транзисторах выходного каскада благодаря работе в более «мягком» режиме.
5. Синус 1 кГц, напряжение питания 18 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом).
Мощность в нагрузке составила 14.44 Вт.
Ток, потребляемый от блока питания, составил 1.25 А. Итого, КПД составил 64%.
Данный режим был установлен в усилителе на длительное время с целью проверки нагрева микросхемы.
Примерно через 10 минут температура стабилизировалась на уровне около 84 градусов (измерена инфракрасным термометром Benetech 531 , обзор на стороннем ресурсе ).
Такая температура не является опасной, но при этом помним, что нагружен был только один канал. Если такой мощностью нагрузить оба канала, то итоговый результат может быть печален для здоровья и жизни усилителя.
Вывод: при «тяжелых» режимах может потребоваться замена радиатора на более серьёзный.
Теперь перейдём к обещанному бонусу — выяснению нижней границы работоспособности усилителя по напряжению питания.
6. Синус 1 кГц, напряжение питания 3 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом).
Эксперименты по снижению напряжения питания показали, что усилитель работоспособен с удовлетворительным качеством звука при снижении напряжения питания до 3 В. Если напряжение установить ещё ниже, хотя бы на 10%, то происходит резкий спад амплитуды выходного сигнала, а при дальнейшем снижении происходит полная потеря работоспособности (временная, конечно).
Оценим работу усилителя при питании в 3 В:
Мощность в нагрузке составила 0.09 Вт. Да, это — совсем немного, но ведь работает!
Ток, потребляемый от блока питания, составил 0.14 А. Итого, КПД составил 22%.
Но, конечно, в таких ситуациях важен уже не КПД, а сам факт работоспособности.
Данный результат не следует глобально обобщать; гарантировать работоспособность всех экземпляров микросхем TDA7297 при таком напряжении нельзя.
Но вот гарантировать работу при питании в 5 В, пожалуй, уже можно.
Проверка формы выходного сигнала при различных формах входного сигнала
Эти испытания проводились при напряжении питания 12 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом, амплитуда устанавливалась на уровне примерно половины от максимальной.
Эта проверка производилась в связи с тем, что на верхней границе звукового диапазона часто происходит искажение формы сигнала.
Но здесь всё чисто:
2. Прямоугольник 20 кГц.
Посмотрим на один из фронтов в увеличенном виде:
Зазубрина в верхней части фронта не случайно попала в кадр, она присутствует на всех крутых фронтах; причём на отрицательном фронте тоже есть симметричная зазубрина. Видимо, они относятся к моменту переключения плеч усилителя.
3. Треугольник 1 кГц.
Линейность сигнала вполне соблюдена.
4. Пила и обратная пила 1 кГц.
Оба сигнала выглядят вполне благообразно.
В завершение главы — субъективные впечатления о звуке.
Звук на любой громкости без перегрузки звучит чисто и приятно, басы мягкие; но, может быть, слегка не хватало звонкости верхам.
Амплитудно-частотная характеристика одноплатного усилителя мощности звуковой частоты класса D на микросхеме TPA3110D2
Амплитудно-частотная характеристики снималась методом подачи на вход сигнала с линейно-нарастающей частотой от 10 Гц до 100 кГц с нагрузкой 8 Ом, при питании 12 В и амплитуде выходного сигнала примерно на уровне 0.5 от максимума.
И вот что получилось.
Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц — 100 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне.
АЧХ получилась очень ровной, с незначительным завалом в несколько процентов на частоте 100 кГц.
Полоса пропускания в области нижних частот по уровню -3 дБ начинается от 30 Гц (неплохо).
Окончательный диагноз одноплатного мостового усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA7297
Протестированный одноплатный усилитель на базе TDA7297 показал себя позитивным устройством категории «простенько, но со вкусом».
Микросхема TDA7297 — самодостаточна, и построение устройств на её основе требует лишь самого минимального количества дополнительных деталей. Но это осуществляется не в ущерб качеству: характеристики усилителя получаются очень хорошими во всех отношениях.
Усилитель имеет отличную АЧХ, а также минимальные шумы и искажения.
В том числе, усилитель подтвердил и заявленную максимальную мощность на выходе; а в состоянии покоя потребление усилителя — весьма скромное.
Рекомендация: корпус регулятора громкости — заземлить, это снизит уровень помех (наводок).
Купить плату усилителя на основе микросхемы TDA7297 можно на Алиэкспресс, например, здесь или здесь.
Желающие приобрести отдельно микросхему TDA7297 и на её основе создать собственное устройство, могут купить её, например, здесь (цена — $1.2 с учетом доставки).
Если предполагается применение усилителя в условиях жестких ограничений по потребляемой мощности (например, в автономных устройствах), то есть смысл подумать об использовании усилителей класса D , имеющих значительно более высокий КПД, например, на основе TPA3110D2 (2*15 Вт, обзор).
Этот усилитель имеет такую же выходную мощность, и при этом плата усилителя тоже сразу готова к подключению и работе без дополнительных «телодвижений» со стороны пользователя.
Если же требуется более высокая выходная мощность в классе AB , то можно рекомендовать усилитель на основе TDA7377 (обзор). У этого усилителя выходная мощность — в 2 раза выше (2*30 Вт).
Обзоры других усилителей класса AB — здесь.
Обзоры усилителей класса D — здесь.
Весь раздел «Сделай сам! ( DIY) » — здесь.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru 
Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Искренне Ваш,
Доктор
03 августа 2021 г.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Источник