Усилитель мощности на TDA7388

---

TDA7388 — усилитель мощности 4 X 41 Вт класса AB. Здесь я представляю обзор УМЗЧ, подходящий для автомобильного сабвуфера, модификаций звука мотоциклов, домашних компьютеров и другой аудио техники, которая может быть использована с аккумулятором 12 В или трансформатором. Схема сделана максимально простой с использованием стандартных компонентов, которые легко найти в магазине.

Четырехканальный усилитель мощности на базе TDA7388

Благодаря полностью комплементарной конфигурации выхода PNP NPN, TDA7388 допускает колебание выходного напряжения от шины к шине без необходимости использования конденсаторов начальной загрузки. Минимальное использование количества компонентов позволяет создавать очень компактные устройства.

В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты TDA7388, кратко разобрана схемотехника тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.

Купить плату усилителя на основе TDA7388 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора — около $10.

Схема подключения тестируемого одноплатного усилителя (вид сверху):

(тестируемый усилитель низкой частоты на TDA7388; изображение с официального сайта AliExpress)

Примечание: величина питающего напряжения на изображении (12-28 V) указана с ошибкой. Напряжение в 28 Вольт — это не рабочее, а предельно-допустимое в режиме покоя. Рабочий диапазон напряжений составляет 8 — 18 Вольт. Напряжение 28 В нельзя подавать на плату даже в состоянии покоя, поскольку на плате под напряжением питания находится электролитический конденсатор с номинальным напряжением в 25 В.

Усилитель (микросхема) TDA7388 — технические характеристики:

Здесь надо обратить внимание, что, хотя согласно первой строке таблицы, микросхема может отдавать одновременно по 4-м каналам суммарно 164 Вт, этот режим — кратковременный. Во 2-ой строке таблицы указано, что рассеиваемая мощность микросхемы не должна превышать 80 Вт; а это, при типовом КПД усилителей класса AB до 70%, делает невозможной длительную работу при суммарной мощности в нагрузке свыше 100 — 120 Вт.

Полосу пропускания производитель не указал. Видимо, предполагается, что полоса частот не хуже стандартного звукового диапазона 20 Гц — 20 кГц. Полностью все характеристики и типовая схема включения TDA7388 приведены в техническом описании (datasheet) TDA7388 (PDF, 123 Kb).

Теперь — углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.

Внешний вид и конструкция одноплатного 4-канального усилителя класса AB на микросхеме TDA7388 с однополярным питанием

Никакой документации в комплекте усилителя не было, но на плате и на странице продавца на Алиэкспресс всё подписано достаточно подробно, поэтому с подключением проблем не было. Единственное замечание: в комплекте, к сожалению, не было кабелей для подключения входного сигнала.

Лично у меня подходящий кабель нашелся; но тем, у кого подходящего кабеля нет, следует заранее озаботиться этой проблемой (или подключить входной сигнал банальной пайкой). Посмотрим на плату усилителя в различных ракурсах (кликнуть для увеличения, откроется в новом окне):

Подробно назначение элементов будет описано позднее, а пока только отметим, что номинал «большого» электролита в центре платы составляет 4700 мкФ * 25 В; что вполне соответствует предельно-допустимому напряжению для микросхемы и всей платы (18 В).

Следующий ракурс:

Все внешние подключения осуществляются без помощи пайки — с помощью клеммников под винт и разъёмов для входящих аудиосигналов и управления. По крайней мере, так задумано. Реальность же будет упираться в отсутствие надлежащих кабелей в комплекте.

Теперь — вид сзади (на радиатор):

Обратная сторона платы:

Обратная сторона платы почти полностью покрыта слоем металлизации, соединённым с «землёй» — это очень полезно для защиты от помех. Но плохо то, что печатный проводник, идущий от положительного клеммника питания к микросхеме, довольно узкий и длинный.

А ведь по нему при высокой мощности на выходе могут течь большие токи от всех 4-х каналов сразу! Возможно, есть смысл в параллель этому печатному проводнику припаять дополнительно обычный провод. Флюс отмыт хорошо. По углам платы видны отверстия для прикрепления платы в используемой конструкции.

Несмотря на весь гламур платы, обнаружился и недостаток в теплоотводе от микросхемы. Откручивание радиатора показало, что между ним и микросхемой TDA7388 нет никакого термоинтерфейса. В связи с этим перед дальнейшими испытаниями задняя поверхность микросхемы была слегка зачищена и на неё было нанесено немного термопасты для процессоров.

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

Схемотехника одноплатного 4-канального усилителя класса AB на микросхеме TDA7388

Посмотрим на плату усилителя вертикально сверху:

Теперь посмотрим на саму плату без радиатора и разберёмся, что на ней для чего.

По краям слева и справа — клеммники для подключения 4-х выходов усилителя. Если нужно использовать только два или три выхода, то лишние можно не подключать, но запараллеливать с «рабочими» выходами для повышения мощности их нельзя. Элементов на плате — не много. В центре — электролит 4700 мкФ * 25 В, необходимый для сглаживания пульсаций питания, предотвращения самовозбуждения и т.п.

Керамические конденсаторы C2, C11…C13 соединены в параллель между собой и в параллель электролиту. Их задача — подавление высокочастотных помех и, опять же, подавление самовозбуждения. Конденсаторы C6…C8 служат для отрезания постоянной составляющей от входного сигнала.

Резистор R2 и светодиод в нижней части платы (на снимке) отвечают просто за индикацию факта подачи питания. Электролит C4 — времязадающий для функций плавного включения/выключения усилителя. Белый двухконтактный разъём «MUTE» предназначен для кратковременного прерывания звука (активизируется замыканием контактов).

Два белых разъёма (IN1 и IN2) справа внизу — входы для 4-х каналов, L (левый), G (земля), R (правый). Сдвоенный микропереключатель над ними запараллеливает каналы L-L и R-R, если сигнал — не четырёхканальный, а двухканальный (стерео). Прослушивать его в таком режиме можно аж на 4-х колонках (по две на каждый канал, но не параллельно, а каждая на своих выходах).

На фотографии микрики показаны в состоянии «замкнуто». Белый двухконтактный разъём с обозначением DCout предназначен для передачи питания с платы на другие устройства, например, на темброблок или предусилитель. И, наконец, трёхконтактный клеммник слева внизу, предназначенный для подачи питания: у него есть особенность.

Эта особенность — третий контакт, обозначенный как REM, и выполняющий функцию «Stand-BY», т.е. перехода в «спящий» режим с малым потреблением. Активизируется низким уровнем (соединением с «землёй» или низким уровнем цифрового сигнала). Если управление этим сигналом не требуется, то следует соединить его с плюсом питания.

Важное замечание: на плате нет диода «защиты от дурака» в цепи питания, в связи с чем перепутывать полярность питания нельзя ни разу!!!

Блок-схема и пример принципиальной схемы:

Микросхема снабжена различными видами защит: от перегрева, от короткого замыкания на землю или на питание, от перегрузки по току и др.

Примечание: нумерация элементов «обвязки» на схеме не совпадает с нумерацией на плате. Остальную «мелочёвку» на плате рассматривать не будем.

Испытания УНЧ на микросхеме TDA7388

При измерениях использовались лабораторный блок питания LW-K3010D, генератор FY6800, цифровой осциллограф Hantek DSO5102P. Испытания проводились при двух напряжениях питания: 12 В (наиболее распространённый вариант в автомобилях и при аккумуляторном питании) и 18 В (максимально-допустимое).

Сначала было замерено потребление платы усилителя без подачи сигнала. Ток потребления холостого хода менялся в зависимости от напряжения питания и составлял следующие значения (округлённо):

• 8 В — 170 мА
• 12 В — 180 мА
• 18 В — 200 мА.

Такие значения тока покоя — умеренные, но назвать их пренебрежимо-малыми нельзя (имеется небольшой нагрев радиатора даже в состоянии покоя). При напряжении питания ниже 8.0 В терялась работоспособность усилителя: искажалась форма сигнала, падала амплитуда даже для небольших сигналов. Шумы усилителя оказались очень малы и практически не заметны (можно услышать, только вплотную приблизив ухо к колонке).

Испытания при напряжении питания 18 В, нагрузка 4 Ом

Эту часть испытаний проводим в максимально-допустимом режиме: с питанием 18 Вольт и с нагрузкой 4 Ом (нагрузка — только в испытуемом канале, остальные каналы — без нагрузки). Начинаем, как обычно, с синуса. Частота сигнала, где это не оговорено особо, составляет 1 кГц.

На осциллограмме показан предельный уровень сигнала, когда искажения синуса малы и находятся на грани обнаружения. Мощность на нагрузке в таком режиме составила 30.8 Вт. Потребляемая мощность от источника питания — 43.2 Вт, КПД = 71% (возможна ошибка в несколько процентов из-за неточности измерений с помощью осциллографа).

Ещё немного добавляем уровень сигнала. Искажения уже становятся хорошо заметны «невооруженным глазом» (изменён масштаб по оси времени):

При длительном прогоне этого теста радиатор усилителя нагревался очень сильно, корпус микросхемы разогрелся до 79 градусов (измерено инфракрасным термометром Benetech GM531). Теперь — сигнал треугольной формы для оценки линейности в предельном режиме. Первая картинка — при сигнале, близком к ограничению, но не доходящем до него:

Осциллограмма — вполне благопристойная.

Следующая картинка — треугольник, но немного превышающий уровень ограничения:

Вблизи вершин наблюдается клиппинг, но в окрестностях клиппинга никаких нештатных явлений нет.

Для красоты — ещё картинки с пилой и обратной пилой (без клиппинга):

Линейность — на очень хорошем уровне.

Теперь запускаем прямоугольник 10 кГц на максимальной амплитуде, близкой к клиппингу:

Мощность на нагрузке в этом режиме составила 58.5 Вт. Это кажется превышением максимально-допустимой мощности по спецификациям, но в спецификациях мощность указана для синуса (прямоугольник более выгоден энергетически).

Фронты прямоугольного сигнала:

Фронты крутыми на назовёшь, но они вполне приемлемы.

Далее исследуем поведение усилителя на синусоидальных сигналах высокой частоты (>= 20 кГц). Они выходят за границы слышимости, но интересны для анализа работы усилителя. При небольших амплитудах синусоидальный сигнал 20 кГц сохраняет чистоту, но чем ближе к ограничению, тем сильнее искажается форма:

Ещё сильнее этот эффект проявляется на частоте 50 кГц:

На этой осциллограмме заметна сильная несимметричность вершин: острая верхняя вершина и тупая нижняя.

Теперь изучим форму сигнала отдельно на положительном и отрицательном плечах выхода (выход там — мостовой, поэтому нагрузка подключается не между выходом и землёй, а между положительным и отрицательным плечами выхода).

При небольших уровнях сигнала его форма на разных плечах строго симметрична, но при подходе к уровню ограничения симметричность теряется: верхняя вершина заостряется, нижняя — затупляется. Но, тем не менее, на нагрузке за счёт «взаимоуничтожения» этих искажений результирующий сигнал (разность между плечами) получается симметричным:

Испытания при напряжении питания 12 В, нагрузка 4 Ом

Напряжение питания в 12 Вольт — одно из самых распространённых в природе, поэтому хотя бы одно измерение при таком напряжении сделать надо. Синус 1 кГц, амплитуда выше уровня ограничения (клиппинга):

Эта осциллограмма приведена просто для того, чтобы показать, какую мощность можно «выжать» из усилителя при стандартном питании в 12 Вольт. Отдаваемая в нагрузку мощность в таком режиме составила 17.1 Вт.

Амплитудно-частотная характеристика (напряжение питания 18 В, нагрузка 4 Ом)

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя. Первый проход, диапазон 10 Гц — 50 кГц:

Один период повторения сигнала с линейно-нарастающей частотой отмечен красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в диапазоне 10 Гц — 50 кГц. Масштаб графика по горизонтали — 4.3 кГц/деление.

Падение АЧХ к концу измеряемого диапазона — заметное, но в допустимое отклонение минус 3 дБ вполне укладывается. А в диапазоне до 20 кГц — тем более. Второй проход, диапазон 10 Гц — 1000 Гц (для более детального просмотра нижних частот):

Масштаб графика по горизонтали — 87 Гц/деление.

В начале полосы частот (вблизи 10 Гц) заметен существенный спад; граница по уровню минус 3 дБ проходит на частоте 32 Гц. Эта проблема поправима, если заменить конденсаторы во входных цепях на более ёмкие (можно повысить в 2-3 раза, не более).

Окончательный диагноз одноплатного 4-канального усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме TDA7388

В целом усилитель показал себя положительно, но не без оговорок. Вблизи уровня ограничения (клиппинга) его поведение не идеально. Кроме того, он искажает форму сигнала на высоких частотах. Формально они находятся за пределом порога слышимости; но, тем не менее, можно сказать, что «что-то здесь не так».

В «плюсы» можно записать высокую отдаваемую мощность и хорошую работу на уровнях сигнала, находящихся на уровне хотя бы на 10% ниже уровня клиппинга. Благодаря необходимости в лишь самой минимальной обвязке, микросхема TDA7388 может использоваться во многих малогабаритных аудио-устройствах с низковольтным и автономным питанием.

Надо сказать, что у микросхемы TDA7388 есть близкий аналог, совпадающий даже по цоколёвке: это — микросхема TDA7850. TDA7850 имеет более высокую отдаваемую мощность и улучшенные характеристики в области высоких частот; а её выход построен на транзисторах MOSFET, имеющих малое остаточное напряжение в открытом состоянии.

В то же время, общий вклад цены микросхемы в окончательную стоимость устройства не слишком высок; поэтому использование TDA7850 будет предпочтительнее TDA7388 (если есть выбор).

Рекомендации

В первую очередь, помним о теплоотводе. При использовании этого одноплатного усилителя на мощности вблизи максимума (особенно — по всем каналам одновременно) штатного теплоотвода может быть недостаточно. В таких случаях рекомендуется заменить теплоотвод на другой с большей эффективной поверхностью, либо создать принудительную вентиляцию.

Также следует помнить и о том, что микросхема имеет относительно небольшой коэффициент усиления (26 дБ, т.е. 20 раз). В связи с этим необходимо позаботиться о предварительном усилителе, желательно, с темброблоком. Кроме того, для усилителей на основе этой микросхемы подойдёт не всякий блок питания. Он должен быть способным отдавать на усилитель достаточно высокий ток, рассчитанный на максимальный сигнал по всем используемым каналам одновременно.

Для стационарных устройств можно использовать, например, достаточно мощный импульсный блок питания (банальный трансформатор с выпрямителем — далеко не лучший вариант). При питании от автономного источника это должен быть аккумулятор (или батарея) с высоким током выхода.

Источник: smartpuls.ru