Усилитель 2 x 120W на STK411-240E
  
|
Дата 04 августа 2020 г.
Автор Вашкалюк Н.Н. для www.mariolla.com
В данной статье описан УМЗЧ, построенный на гибридной интегральной схеме (ГИС), работающей в высокоэффективном режиме G. Схема имеет двухуровневое питание, где основным напряжением выступает VL (низковольтная часть), а VH (высоковольтная часть) подключается кратковременно при превышении заданного порога выходного напряжения. Такой способ управления питанием позволяет существенно уменьшить тепловыделение усилителя в номинальном режиме работы и увеличить выходную мощность.
| Основные параметры усилителя | |
| Выходная мощность (RLOAD = 8 Ом, THD = 0.8%) | 2 x 120 Вт (min) |
| THD (POUT= 120 Вт, F = 20 Гц … 20 кГц, RLOAD = 8 Ом) | 0.4% (typ) |
| Полоса усиления (+0 … - 3 дБ) | 20 Гц … 50 кГц |
| Входное сопротивление | 55 кОм |
| Ток покоя по шине VL = ± 40 В | 100 мА (max) |
| Ток покоя по шине VH = ± 65 В | 50 мА (max) |
| Выходное смещение | ± 70 мВ (max) |
| Максимально допустимое время КЗ нагрузки* | 0.3 сек. |
* STK411-240E не имеет защиты от КЗ на выходе и при аварии на максимальной выходной мощности выходит из строя за 0.3 секунды (значение из datasheet). Используйте источник питания с защитой от перегрузки, или, на крайний случай, установите быстродействующие предохранители в цепи питании ГИС.
Рис. 1. Схема усилителя на STK411-240E
На входе усилителя установлен ФНЧ первого порядка R2C1 (у второго канала R7C6) для фильтрации высокочастотных помех. Коэффициент усиления (K) схемы приблизительно равен 32 (или 30 дБ) и определяется соотношением сопротивлений K = R5/R4 + 1 или R10/R9 + 1.
| Рекомендованные значения напряжения питания в зависимости от сопротивления нагрузки | ||||
| RLOAD | VH typ | VL typ | VH max | VL max |
| 4 Ом | ± 43 В | ± 25 В | ± 62 В | ± 36 В |
| 6 Ом | ± 48 В | ± 29 В | ± 70 В | ± 42 В |
| 8 Ом | ± 54 В | ± 33 В | ± 78 В | ± 48 В |
Качество звука напрямую зависит от установленных конденсаторов C2 и C7: желательно использовать пленочные, бумажные или фторопластовые. Электролитические конденсаторы устанавливать только в крайнем случае, а керамические (особенно многослойные) — категорически не рекомендуется. Печатная плата рассчитана на монтаж качественной «пленки» от EPCOS B32523Q3225 (2.2 мкФ 250В, шаг выводов 22.5 мм, размеры 10.5 × 16.5 × 26.5 мм).
Резистор R1 обеспечивает развязывание земляной петли между общими проводами сигнальной и силовой цепей. L1 и L2 – катушки с внутренним диаметром 10 мм, имеющие по 15 — 20 витков проводом D = 1.2 мм. Кстати, не советуется наматывать подобные катушки на мощных демпфирующих резисторах (включенных обычно параллельно, подобно R14 R17 на схеме), как это делают многие любители и даже профессиональные разработчики. Дело в том, что корпус резистора для электромагнитного поля может обладать некоторой нелинейностью, которая может негативно сказаться на звуке.
Несколько слов про цепь Цобеля (С15 R13, C16 R18). В datasheet на данную (и не только) STK, а так же во многих других схемах усилителей антизвонная цепь Цобеля находится после выходного дросселя. На мой взгляд, это в корне неверно. Работа данной цепи заключается в улучшении устойчивости усилителя в области ВЧ при работе на большую индуктивную нагрузку (звуковая катушка громкоговорителя, фильтр акустической системы) и, подключая цепь Цобеля после выходной катушки, мы к ее работе добавляем индуктивность, что приводит к уменьшению глубины обратной связи на ВЧ, которая может привести к возбуждению и выходу из строя выходного каскада усилителя.
STK411-240E имеет встроенный температурный датчик, подключенный к выводам 12-13 (модель NTH5G2M36B103J04TE производства Murata Manufacturing), с номинальным сопротивлением 10 кОм при 25 0С и параметром B = 3650. Датчик может быть подключен к внешней схеме термоконтроля для организации защиты от перегрева или управления вентилятором принудительного обдува. При этом следует помнить, что, во избегании саморазогрева датчика, а следовательно и увеличению погрешности измерения, максимальный ток терморезистора должен быть ограничен 1.7 мА, а рассеиваемая мощность не должна превышать 20 мВт. На рис. 2 представлен один из возможных примеров использования датчика. Указанная схема удобна тем, что ее можно использовать в широких вариациях, подключая к выходам ОУ любую функциональную нагрузку.
Рис. 2. Схема термоконтроля, использующая внутренний датчик ГИС (RK1)
Данный узел питается напряжением 12 В и обеспечивает две ступени термоконтроля: первая собрана на ОУ DA1a и имеет только визуальную индикацию нагрева радиатора до 57 ... 60 0С (светодиод LD1), вторая ступень (ОУ DA1b) включает индикацию (светодиод LD2) и вентилятор принудительного обдува радиатора по достижении температуры 72 ... 75 0С. Изменением сопротивлений R3 и R5 можно сместить порог срабатывания первой и второй ступени соответственно.
| Зависимость температуры включения компараторов от сопротивления резистора R3 (R5) | |
| Температура |
Сопротивление R3 (R5) |
| 55 0С | 3K39 |
| 60 0С | 2K87 |
| 65 0С | 2K46 |
| 70 0С | 2K1 |
| 75 0С | 1K81 |
| 80 0С | 1K57 |
| 85 0С | 1K36 |
| 90 0С | 1K18 |
Резисторы R6 и R7 обеспечивают гистерезис около 10 0Св работе каждого из компараторов. При увеличении сопротивлений этих резисторов гистерезис уменьшается. Например, при R6 или R7 равным 100 кОм, данное значение будет около 5 0С. Транзистор Q1 – практически любой N-канальный MOSFET с током не менее 500 мА. Резистор RK1 – это тот самый терморезистор, расположенный внутри STK411-240E.
При креплении к радиатору корпус ГИС изолировать не требуется. При этом сам радиатор желательно подключить к общему проводу.
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ должен иметь 4 выходных напряжения: ± VL и ± VH. Пример схемы с использованием классического трансформатора показана на рис. 3.
Рис. 3. Источник питания усилителя, работающего в классе G
Указанные на схеме напряжения рекомендованы для усилителя, работающего с нагрузкой 8 Ом. Мощность трансформатора T1 должна быть не менее 150 Вт, оптимально 200 Вт. RK1 – мощный NTC термистор, предназначенный для ограничения пускового тока блока питания.
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА выполнена в ПО Designer Spark PCB 8.1 и имеет размеры 95.9 x 58.4 мм. На нижней части находится гибкая перемычка проводом 0.5 мм2. Резистор R1A (1 Ом) для надежности дублирует R1.
Рис. 4. Схема подключения усилителя
Все SMD резисторы типоразмера 1206, SMD конденсаторы 0805 с диэлектриком NPO (X7R, X5R, Y5V и прочие настоятельно не рекомендуется). Электролитические конденсаторы в цепи питания диаметром 13 мм, остальные диаметром 6.3 мм. Клеммники типа DG127 или XY304 с шагом 2.54 мм.
Файл печатной платы, а так же монтажные карты в хорошем качестве находятся в архиве ниже.
 |
STK411-240E.pcb (86 KB) |
ПЕРЕВОД ИЗ КЛАССА G В КЛАСС AB
Все STK, работающие в высокоэффективном режиме G, имеют встроенный коммутатор питания, на который подаются два двуполярных напряжения: VH и VL. Перевод в режим AB осуществляется довольно просто — достаточно отключить низковольтное питание VL и подключить туда высокое напряжение VH (рис. 5). При этом следует убедиться что конденсаторы, ранее находящиеся в цепи VL, имеют соответствующий допуск по напряжению.
Рис. 5. Схема подключения усилителя для работы в режиме AB
Для чего нужно переводить усилитель в режим AB? Во-первых, такой нехитрый мод может значительно улучшить качество звучание усилителя на средних и высоких мощностях за счет отсутствия коммутационных искажений при срабатывании компараторов переключения питания. Но при этом мы сильно проигрываем в эффективности: даже на малой мощности нагрев усилителя будет значительно выше, что повлечёт за собой необходимость увеличения площади радиатора. Во-вторых, можно использовать более простой, а значит и более дешевый, блок питания.
Copyright © Вашкалюк Н.Н., 2020
Перепечатка (копирование) статьи или ее части только с разрешения автора.
ПОХОЖИЕ МАТЕРИАЛЫ
В данной статье пойдет речь об автомобильном усилителе, построенном на TA8210A производства Toshiba. Особенностью данной микросхемы является низкое тепловое сопротивление с внешним радиатором, высокая надежность и отличное звучание.
В статье рассмотрена реализация двухканального усилителя на TDA2050, включенной по схеме источника тока, управляемым напряжением (ИТУН).
Перевод второй части описания замечательного усилителя F5 от Нельсона Пасса.
Описание нескольких схем автомобильных усилителей с использованием очень надежной микросхемы TDA8561Q.
Подробное описание замечательной микросхемы для построения автомобильного усилителя. Материал представляет собой переведенный на русский язык даташит.
В статье расмотрены различные варианты решений задач, связанных с защитой АС, на базе одной схемы. Опубликовано в журнале «Радио» №7 за 2016 год. Часть 2.