Усилитель Hi-Fi своими руками: схема на микросхеме TDA7294

Содержание статьи:

1. Основные параметры усилителя
2. Схема и её описание
3. Источник питания своими руками
4. Печатная плата и сборка
5. Отладка усилителя
6. Видео с методом сборки

Усилитель, сборку которого мы сегодня будем описывать, несмотря на относительную простоту, обеспечивает довольно высокие параметры. Конечно, у «микросхемных» приборов есть ряд ограничений, поэтому усилители на «рассыпухе» могут обеспечить более высокие показатели. В то же время, выбранная нами схема имеет ряд преимуществ:

• она довольно простая;
• стоит дешевле;
• практически не нуждается в наладке;
• быстро собирается (буквально за вечер);
• по качеству превосходит многие усилители 70-х–80-х годов, и её вполне достаточно для большинства применений (да и современные системы до 300 долларов могут ей уступить);
• такой вариант усилителя универсален (подходит и начинающему, и опытному радиолюбителю).

В любом случае, плохо сделанный и неправильно настроенный усилитель на «рассыпухе» будет звучать хуже микросхемного. А наша задача — сделать очень хороший прибор. Надо отметить, что звучание описываемого усилителя очень хорошее (если его правильно сделать и правильно питать). Есть информация, что какая-то фирма выпускала Hi-End усилители на микросхеме TDA7294. Поверьте, наш вариант будет ничуть не хуже!

• Смотрите характеристики микросхемы TDA2030 — какие устройства можно создать на её основе

Основные параметры усилителя Hi-Fi на микросхеме TDA7294

Сразу отметим, что микросхема устойчиво работала на активную нагрузку 2–24 Ома, на активное сопротивление 4 Ома, при ёмкостной нагрузке +/- 15 мкФ, а также при индуктивной нагрузке +/- 1,5 мГн. Причем на емкостной и индуктивной нагрузках искажения оставались малыми. Стоит сказать, что величина искажений сильно зависит от источника питания (особенно на емкостной нагрузке).

Непосредственно с результатами измерений вы можете ознакомиться в приведённой ниже таблице:

Усилитель Hi-Fi на микросхеме TDA7294: схема и её описание

Подробная схема усилителя Hi-Fi на микросхеме TDA7294

Схема данного 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.

Сразу отметим — никаких 80–ти ватт (и тем более 100 Вт) от нее не получишь. Реально 40–60, но зато это будут честные долговременные ватты. В кратковременном импульсе можно получить гораздо больше, но это уже будет РМРО мощность, кстати, тоже честная (80–120 Вт). В «китайских» ваттах это будет несколько тысяч. Если кого интересует — тысяч пять. Тут все сильно зависит от источника питания.

• Читайте также об управляемой плате регулятора на 1,2–35 В

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. 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 ёмкости, 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:

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:

Это почти равно оптимальному значению 30 дБ. Менять коэффициент усиления можно, изменяя резистор R3. Учтите, что делать Ку меньше 20 нельзя, ведь микросхема может самовозбуждаться. Больше 60 его также делать не стоит, потому что 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.

• Как сделать миниатюрный датчик света на микроконтроллере

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-процентную 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:

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 (50 В), 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 напряжение на нем увеличивается (выходное напряжение усилителя 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, при этом нельзя однозначно утверждать, что случится со звуком: улучшится он или ухудшится. Напомним, что 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 нам попадались экземпляры микросхем, которые без этой цепи работали хуже. Конденсатор С7 должен быть рассчитан на напряжение не ниже, чем напряжение питания.

• Смотрите также схему кодового замка на микросхеме

Конденсаторы С8 и С9 осуществляют так называемую вольтодобавку. Через них часть выходного напряжения поступает обратно в предоконечный каскад и складывается с 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, ведь 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:

1. С выхода усилителя через нагрузку на землю протекает большой ток.
2. 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»).
3. 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=IхR), которое сложится со входным.
4. 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 нас 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».

Источник питания для усилителя на микросхеме TDA7294 своими руками

Усилитель питается двухполярным напряжением (то есть это два одинаковых источника, соединенных последовательно, а их общая точка подключена к земле).

Минимальное напряжение питания по даташиту +/- 10 Вольт. Можно попробовать запитать микросхему от +/-14 вольт. Работать она будет. Но стоит ли так делать? Проблема в том, что выходная мощность получается мизерной!

Максимальное напряжение питания зависит от сопротивления нагрузки (это напряжение каждого плеча источника). Ниже в таблице представлено соотношение между сопротивлением и предельным напряжением питания:

Эта зависимость вызвана допустимым нагревом микросхемы. Если микросхема установлена на маленьком радиаторе, напряжение питания лучше снизить. Максимальная выходная мощность, получаемая от усилителя, приблизительно описывается формулой:

Мощность блока питания должна быть Ватт на 20 больше, чем выходная мощность. Диоды выпрямителя рассчитаны на ток не менее 10 Ампер. Ёмкость конденсаторов фильтра не менее 10 000 мкФ на плечо (можно и меньше, но максимальная мощность снизится, а искажения возрастут).

Нужно помнить, что напряжение выпрямителя на холостом ходу в 1,4 раза выше, чем напряжение на вторичной обмотке трансформатора, поэтому не спалите микросхему. Ниже можно скачать простую, но довольно точную программу для расчета блока питания.

Файлы для скачивания: powersup.zip

И не забывайте, что для стереоусилителя нужен вдвое более мощный блок питания (при расчете по предлагаемой программе все учитывается автоматически).

От импульсного источника схема тоже работает, но тут высокие требования предъявляются к самому источнику: малые пульсации, возможность отдавать ток до 10 ампер без проблем, сильных «просадок» и срывов генерации. Помните, что высокочастотные пульсации подавляются микросхемой гораздо хуже, поэтому уровень искажений может повыситься в 10–100 раз, хотя «на вид» там все в порядке. Хороший импульсный источник, пригодный для Hi-Fi аудио, это сложное и недешевое устройство, поэтому изготовить «старомодный» аналоговый блок питания будет зачастую проще и дешевле.

Печатная плата и сборка усилителя на микросхеме TDA7294

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 данной экспериментальной плате мы установили 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, ведь так надёжнее.

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 1х1 мм, то не страшно. Всё равно проводник не оборвётся. Кроме того, широкий проводник лучше держит тяжелые детали (а тонкий может просто отклеиться от платы).

Дорожки рекомендуется облудить — и сопротивление меньше, и коррозии они не так подвергаются.

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

При монтаже применялись такие важные компоненты:

• резисторы мощностью 0,12 Вт (кроме R9);
• конденсаторы С9, С10, С12 К73-17 63В;
• конденсаторы С4 К10-47в 6,8 мкФ 25В.

Использование дорогих «аудиофильских» деталей мы считаем неоправданным экономически, а дешевые «керамические» элементы дадут худший звук (хотя можно применять и их, 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 задействовать.

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

Микросхему обязательно установить на радиатор площадью не менее 350 см2. Лучше больше. В принципе в неё 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 теплоёмкостью радиатора (то есть большая холодная железка), нежели рассеиванием в окружающую среду.

Металлический корпус микросхемы соединен с «минусом» питания. Отсюда возникают два способа установки её на радиатор:

1. Через изолирующую прокладку. При этом радиатор может быть электрически соединен с корпусом.
2. Напрямую, при этом радиатор обязательно электрически изолирован от корпуса.

Первый вариант рекомендуется в том случае, 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 обеспечивает лучшее охлаждение, но требует аккуратности (например, нельзя демонтировать микросхему при включенном питании).

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

Печатную плату в формате Sprint-Layout 4.0, схему в формате pdf и расположение деталей на плате в формате gif вы найдете в архиве ниже:

hifi7294.zip

Отладка усилителя Hi-Fi на микросхеме TDA7294

Как показывает практика, 90 % всех проблем с аппаратурой составляет её «неналаженность». То есть, спаяв очередную схему, и не сумев ее наладить, радиолюбитель ставит на ней крест, и во всеуслышание объявляет схему плохой. Поэтому наладка — это самый важный (и зачастую самый сложный) этап создания электронного устройства.

Правильно собранный усилитель в налаживании не нуждается. Но, поскольку никто не гарантирует, что все детали абсолютно исправны, при первом включении нужно соблюдать осторожность.

Первое включение проводится без нагрузки и с отключенным источником входного сигнала (лучше вообще закоротить вход перемычкой). Хорошо бы в цепь питания (и в «плюс», и в «минус» между источником питания и самим усилителем) включить предохранители порядка 1А. Кратковременно (примерно 0,5 сек.) подаем напряжение питания и убеждаемся, что ток, потребляемый от источника, небольшой (предохранители не сгорают). Удобно, если в источнике есть светодиодные индикаторы. При отключении от сети светодиоды продолжают гореть не менее 20 секунд: конденсаторы фильтра долго разряжаются маленьким током покоя микросхемы.

Если потребляемый микросхемой ток большой (больше 300 мА), то причин может быть много:

• КЗ в монтаже;
• плохой контакт в «земляном» проводе от источника;
• перепутаны «плюс» и «минус»;
• выводы микросхемы касаются перемычки;
• неисправна микросхема;
• неправильно впаяны конденсаторы С11, С13;
• неисправны конденсаторы С10-С13.

Убедившись, что с током покоя все в порядке, смело включаем питание и измеряем постоянное напряжение на выходе. Его величина не должна превышать +/- 0,05 В. Большое напряжение говорит о проблемах с С3 (реже с С4) или с микросхемой. Бывали случаи, когда «межземельный» резистор либо был плохо пропаян, либо вместо 3 Ом имел сопротивление 3 кОм. При этом на выходе была постоянка в 10–20 Вольт. Подключив к выходу вольтметр переменного тока, убеждаемся, что переменное напряжение на выходе равно нулю (это лучше всего делать с замкнутым входом или просто с неподключенным входным кабелем, иначе на выходе будут помехи).

Наличие на выходе переменного напряжения говорит о проблемах с микросхемой или цепями С7R9, С3R3R4, R10. К сожалению, зачастую обычные тестеры не могут измерить высокочастотное напряжение, которое появляется при самовозбуждении (до 100 кГц), поэтому лучше всего здесь использовать осциллограф.

Если и тут всё в порядке, подключаем нагрузку, ещё раз проверяем на отсутствие возбуждения уже с нагрузкой и всё — можно слушать!

Но лучше все же провести еще один тест. Дело в том, что самым мерзким видом возбуждения усилителя является «звон» (когда возбуждение появляется только при наличии сигнала, причем при его определенной амплитуде). Главная проблема в том, что его трудно обнаружить без осциллографа и звукового генератора (да и устранить непросто), а звук портится колоссально из-за огромных интермодуляционных искажений. На слух это обычно воспринимается как «тяжелый» звук, то есть без всяких дополнительных призвуков (так как частота очень высокая), поэтому слушатель и не знает, что у него усилитель возбуждается. Просто послушает и решит, что микросхема «плохая», и «не звучит». При правильной сборке усилителя и нормальном источнике питания такого быть не должно.

Графическое изображение «звона» усилителя

Однако иногда подобные искажения бывают, и цепь С7R9 как раз и борется с ними. Но в нормальной микросхеме все хорошо и при отсутствии С7R9. Нам попадались экземпляры микросхемы со звоном. В них проблема решалась введением цепи С7R9 (поэтому мы её и применяем, хоть в даташите её и нет). Если подобная гадость имеет место даже при наличии С7R9, то можно попробовать ее устранить, «поиграв» с сопротивлением (его можно уменьшить до 3 Ом), но мы бы не советовали использовать такую микросхему. Это однозначно какой-то брак, и кто его знает, что в ней еще вылезет.

Как мы отмечали выше, «звон» можно увидеть только на осциллографе, а это оборудование есть далеко не у всех радиолюбителей. Хотя если хотите хорошо заниматься радиоэлектроникой, постарайтесь такие приборы заиметь или хотя бы где-то ими пользоваться. Чтобы всегда получать качественный звук, нужно обязательно проверяться на приборах. Помните, «звон» — это коварнейшая вещь, которая может испортить звучание тысячей способов.

Просмотреть ещё один метод сборки усилителя Hi-Fi на микросхеме TDA7294 вы можете в приведённом ниже видео: