Самодельный усилитель для сабвуфера, TDA7294

На самом деле усилитель у меня был собран еще за года 2 до появления сабвуфера, в то время я озадачился созданием качественного усилителя, и что бы он мог выстоять как потребности тех времен, так и потребности в будущем. Как оказалось свое будущее я достаточно удачно предсказал))) На то время (за 2 года до появления сабвуфера) у меня было 2 колонки С30, они нуждались в качественном усилителе. Что бы долго не париться решил делать усилок на ИМС, но как оказалось большинство таких ИМС играют совсем неудовлетворительно. После долгих поисков и анализа материалов в интернете удалось найти очень популярную микросхему TDA7294.

Схема этого усилителя - это практически повторение схемы включения, предлагаемой производителем. И это неслучайно - уж кто лучше знает, как ее включать. И наверняка не будет никаких неожиданностей из-за нестандартного включения или режима работы.

Описание схемы

Входная цепочка R1C1 представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ), обрезающий все выше 90 кГц. Без него нельзя - ХХI век - это в первую очередь век высокочастотных помех. Частота среза этого фильтра довольно высока. Но это специально - я ведь не знаю, к чему будет подключаться этот усилитель. Если на входе будет стоять регулятор громкости, то в самый раз - его сопротивление добавится к R1, и частота среза снизится (оптимальное значение сопротивления регулятора громкости ~10 кОм, больше - лучше, но нарушится закон регулирования).

Далее цепочка R2C2 выполняет прямо противоположную функцию - не пропускает на вход частоты ниже 7 Гц. Если для вас это слишком низко, емкость С2 можно уменьшить. Если сильно увлечься снижением емкости, можно остаться совсем без низких. Для полного звукового диапазона С2 должно быть не менее 0,33 мкф. И помните, что у конденсаторов разброс емкостей довольно большой, поэтому если написано 0,47 мкф, то запросто может оказаться, что там 0,3! И еще. На нижней границе диапазона выходная мощность снижается в 2 раза, поэтому ее лучше выбирать пониже:

С2[мкФ] = 1000 / ( 6,28 * Fmin[Гц] * R2[кОм])

Резистор R2 задает входное сопротивление усилителя. Его величина несколько больше, чем по даташиту, но это и лучше - слишком низкое входное сопротивление может "не понравиться" источнику сигнала. Учтите, что если перед усилителем включен регулятор громкости, то его сопротивление должно быть раза в 4 меньше, чем R2, иначе изменится закон регулирования громкости (величина громкости от угла поворота регулятора). Оптимальное значение R2 лежит в диапазоне 33...68 кОм (большее сопротивление снизит помехоустойчивость).

Схема включения усилителя - неинвертирующая. Резисторы R3 и R4 создают цепь отрицательной обратной связи (ООС). Коэффициент усиления равен:

Ку = R4 / R3 + 1 = 28,5 раза = 29 дБ

Это почти равно оптимальному значению 30 дБ. Менять коэффициент усиления можно, изменяя резистор R3. Учтите, что делать Ку меньше 20 нельзя - микросхема может самовозбуждаться. Больше 60 его также делать не стОит - глубина ООС уменьшится, а искажения возрастут. При значениях сопротивлений, указанных на схеме, при входном напряжении 0,5 вольт выходная мощность на нагрузке 4 ома равна 50 Вт. Если чувствительности усилителя не хватает, то лучше использовать предварительный усилитель.

Значения сопротивлений несколько больше, чем рекомендовано производителем. Это во-первых, увеличивает входное сопротивление, что приятно для источника сигнала (для получения максимального баланса по постоянному току нужно чтобы R4 было равно R2). Во-вторых, улучшает условия работы электролитического конденсатора С3. И в-третьих, усиливает благотворное влияние С4. Об этом поподробнее. Конденсатор С3 последовательно с R3 создает 100%-ю ООС по постоянному току (так как сопротивление постоянному току у него бесконечность, и Ку получается равным единице). Чтобы влияние С3 на усиление низких частот было минимально, его емкость должна быть довольно большой. Частота, на которой влияние С3 становится заметной равна:

f [Гц] = 1000 / (6,28 * R3 [кОм] * С3 [мкФ] ) = 1,3 Гц

Эта частота и должна быть очень низкая. Дело в том, что С3 - электролитический полярный, а на него подается переменное напряжение и ток, что для него очень плохо. Поэтому чем меньше значение этого напряжения, тем меньше искажения, вносимые С3. С этой же целью его максимально допустимое напряжение выбирается довольно большим (50В), хотя напряжение на нем не превышает 100 милливольт. Очень важно, чтобы частота среза цепи R3С3 была намного ниже, чем входной цепи R2С2. Ведь когда проявляется влияние С3 из-за роста его сопротивления, то и напряжеине на нем увеличивается (выходное напряжение услителя перераспределяется между R4, R3 и С3 пропорционально их сопротивлениям). Если же на этих частотах выходное напряжение падает (из-за падения входного напряжения), то и напряжение на С3 не растет. В принципе, в качестве С3 можно использовать неполярный конденсатор, но я не могу однозначно сказать, улучшится от этого звук, или ухудшится: неполярный конденсатор это "два в одном" полярных, включенных встречно.

Конденсатор С4 шунтирует С3 на высоких частотах: у электролитов есть еще один недостаток (на самом деле недостатков много, это расплата за высокую удельную емкость) - они плохо работают на частотах выше 5-7 кГц (дорогие лучше, например Black Gate, ценой 7-12 евро за штуку неплохо работает и на 20 кГц). Пленочный конденсатор С4 "берет высокие частоты на себя", тем самым снижая искажения, вносимые на них конденсатором С3. Чем больше емкость С4 - тем лучше. А его максимальное рабочее напряжение может быть сравнительно небольшим.

Цепь С7R9 увеличивает устойчивость усилителя. В принципе усилитель очень устойчив, и без нее можно обойтись, но мне попадались экземпляры микросхем, которые без этой цепи работали хуже. Конденсатор С7 должен быть рассчитан на напряжение не ниже, чем напряжение питания.

Конденсаторы С8 и С9 осуществляют так называемую вольтодобавку. Через них часть выходного напряжения поступает обратно в предоконечный каскад и складывается в напряжением питания. В результате напряжение питания внутри микросхемы оказывается выше, чем напряжение источника питания. Это нужно потому, что выходные транзисторы обеспечивают выходное напряжение вольт на 5 меньше, чем напряжение на их входах. Таким образом, чтобы получить на выходе 25 вольт, нужно подать на затворы транзисторов напряжение 30 вольт, а где его взять? Вот и берем его с выхода. Без цепи вольтодобавки выходное напряжение микросхемы было бы вольт на 10 меньше, чем напряжение питания, а с этой цепью всего на 2-4. Пленочный конденсатор С9 берет работу на себя на высоких частотах, где С8 работает хуже. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не ниже, чем 1,5 напряжения питания.

Резисторы R5-R8, конденсаторы С5, С6 и диод D1 управляют режимами Mute и StdBy при включении и выключении питания. Они обеспечивают правильную последовательность включения/выключения этих режимов. Правда все отлично работает и при "неправильной" их последовательности , так что такое управление нужно больше для собственного удовольствия.

Конденсаторы С10-С13 фильтруют питание. Их использование обязательно - даже с самым наилучшим источником питания сопротивления и индуктивности соединительных проводов могут повлиять на работу усилителя. При наличии этих конденсаторов никакие провода не страшны (в разумных пределах)! Уменьшать емкости не стОит. Минимум 470 мкФ для электролитов и 1 мкФ для пленочных. При установке на плату необходимо, чтобы выводы были максимально короткими и хорошо пропаяны - не жалейте припоя. Все эти конденсаторы должны выдерживать напряжение не ниже, чем 1,5 напряжения питания.

И, наконец, резистор R10. Он служит для разделения входной и выходной земли. "На пальцах" его назначение можно объяснить так. С выхода усилителя через нагрузку на землю протекает большой ток. Может так случиться, что этот ток, протекая по "земляному" проводнику, протечет и через тот участок, по которому течет входной ток (от источника сигнала, через вход усилителя, и далее обратно к источнику по "земле"). Если бы сопротивление проводников было нулевым, то и ничего страшного. Но сопротивление хоть и маленькое, но не нулевое, поэтому на сопротивлении "земляного" провода будет появляться напряжение (закон Ома: U=I*R), которое сложится со входным. Таким образом выходной сигнал усилителя попадет на вход, причем эта обратная связь ничего хорошего не принесет, только всякую гадость. Сопротивление резистора R10 хоть и мало (оптимальное значение 1...5 Ом), но намного больше, чем сопротивление земляного проводника, и через него (резистор) во входную цепь попадет в сотни раз меньший ток, чем без него.

В принципе, при хорошей разводке платы (а она у меня хорошая) этого не произойдет, но с другой стороны, что-то подобное может случиться в "макромасштабе" по цепи источник_сигнала-усилитель-нагрузка. Резистор поможет и в этом случае. Впрочем, его можно вполне заменить перемычкой - он использован исходя из принципа "лучше перебдеть, чем недобдеть".

Весь набор документации (печатная плата в формате Sprint-Layout 4.0, схема в формате pdf, расположение деталей на плате в формате gif) упакованный в архив zip ~ 120 кбайт.

Печатная плата односторонняя и имеет размеры 65х70 мм:

Плата разведена с учетом всех требований, предъявляемых к разводке высококачественных усилителей. Вход разведен максимально далеко от выхода, и заключен в "экран" из разделенной земли - входной и выходной. Дорожки питания, обеспечивают максимальную эффективность фильтрующих конденсаторов (при этом длинна выводов конденсаторов С10 и С12 должна быть минимальна). В своей экспериментальной плате я установил клемники для подключения входа, выхода и питания - место под них предусмотрено (может несколько мешать конденсатор С10), но для стационарных конструкций лучше все эти провода припаять - так надежнее.

Широкие дорожки кроме низкого сопротивления обладают еще тем преимуществом, что труднее отслаиваются при перегреве. Да и при изготовлении "лазерно-утюжным" методом если где и не "пропечатается" квадрат 1 мм х 1 мм, то не страшно - все равно проводник не оборвется. Кроме того, широкий проводник лучше держит тяжелые детали (а тонкий может просто отклеиться от платы).

Дорожки рекомендуется облудить - и сопротивление меньше, и коррозия.

На плате всего одна перемычка. Она лежит под выводами микросхемы, поэтому ее нужно монтировать первой, а под выводами оставить достаточно места, чтобы не замкнуло.

Резисторы все, кроме R9 мощностью 0,12 Вт, Конденсаторы С9, С10, С12 К73-17 63В, С4 я использовал К10-47в 6,8 мкФ 25В (в кладовке завалялся... С такой емкостью даже без конденсатора С3 частота среза по цепи ООС получается 20 Гц - там, где не нужно глубоких басов, одного такого конденсатора вполне достаточно). Однако я рекомендую все конденсаторы использовать типа К73-17. Использование дорогих "аудиофильских" я считаю неоправданным экономически, а дешевые "керамические" дадут худший звук (это по идее, в принципе - пожалуйста, только помните, что некоторые из них выдерживают напряжение не более 16 вольт и в качестве С7 их использовать нельзя). Электролиты подойдут любые современные. На плате нанесена полярность подключения всех электролитических конденсаторов и диода. Диод - любой маломощный выпрямительный, выдерживающий обратное напряжение не менее 50 вольт, например 1N4001-1N4007. Высокочастотные диоды лучше не использовать.

В углах платы предусмотрено место для отверстий крепежных винтов М3 - можно крепить плату только за корпус микросхемы, но все же надежнее еще и прихватить винтами.

Микросхему обязательно установить на радиатор площадью не менее 350 см2. Лучше больше. В принципе в нее встроена тепловая защита, но судьбу лучше не искушать. Даже если предполагается активное охлаждение, все равно радиатор должен быть достаточно массивным: при импульсном тепловыделении, что характерно для музыки, тепло более эффективно отбирается теплоемкостью радиатора (т.е. большая холодная железка), нежели рассеиванием в окружающую среду.

Металлический корпус микросхемы соединен с "минусом" питания. Отсюда возникают два способа установки ее на радиатор:
Через изолирующую прокладку, при этом радиатор может быть электрически соединен с корпусом.
Напрямую, при этом радиатор обязательно электрически изолирован от корпуса.

Первый вариант рекомендуется, если вы собираетесь ронять в корпус металлические предметы (скрепки, монеты, отвертки), чтобы не было замыкания. При этом прокладка должна быть по возможности тоньше, а радиатор - больше.

Второй вариант (мой любимый) обеспечивает лучшее охлаждение, но требует аккуратности, например не демонтировать микросхему при включенном питании.

В обоих случаях нужно использовать теплопроводящую пасту, причем в 1-м варианте она должна быть нанесена и между корпусом микросхемы и прокладкой, и между прокладкой и радиатором.

Вот какой у меня получился усилитель в разобраном виде:

Повесил 2 канала на радиатор от CPU, вентилятор подключил через резистор для уменьшения оборотов. Даже небольшого обдува вполне достаточно. Эквалайзера 5-ти полосного снял с магнитофона. Еще очень удобный нюанс - сделал небольшую плату соединений, в случае надобности можно легко отсоединить и снять любой блок. Сам сабвуфер очень удобно использовать в качестве тумбочки)) как видите разобраный усилок на нем и фотографировал. Статья о самодельном сабвуфере описана здесь.

На даный момент усилитель нагружен одним каналом на сабвуфер, а вторым на одну колонку S90. Статься о доработке S90 будет готова в скором времени, и ознакомиться можно будет здесь Доработка колонки S90.

Назад