Что такое мостовая схема усилителя. Мостовой усилитель. Подключение акустических проводов
В предыдущих постах мы рассматривали структурные схемы усилителей низкой частоты и методы повышения их выходной мощности. Мы увидели, что максимальная амплитуда напряжения сигнала на нагрузке не может превысить половины напряжения питания усилителя и его выходная мощность ограничена соотношением
Pвых = (Eп / 2)2 / (2 х Rн) = Eп2 / (8 х Rн),
Где Eп – напряжение питания усилителя, Rн – сопротивление нагрузки (динамика).
Это огрничение вытекает из законов физики и его в рассмотренных схемах нельзя преодолеть.
Увеличить выходную мощность возможно, используя два одинаковых усилителя, работающих на одну и ту же нагрузку. Причем усилители надо включить так, чтобы один усилитель был подключен к одному ее выводу, а другой – ко второму, сами усилители должны работать в противофазе.
При этом, когда на выходе правого усилителя напряжение будет снижаться, на выходе левого – повышаться. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на выводах нагрузки будет равна всему напряжению питания усилителей, и на ней будет выделяться мощность
Pвых = Eп2 / (2 х Rн) – в четыре раза больше, чем при использовании одиночного усилителя.
Такая схема усилителя называется мостовой и позволяет при низком напряжении питания усилителя получить большую мощность.
Для обеспечения ее нормальной работы внутренняя схема стабилизации поддерживает одинаковыми постоянные напряжения на выходах усилителей, что исключает протекание постоянного тока через нагрузку.
Хочу отметить, что в этой схеме выходные транзисторы работают в более тяжелом режиме, так как ток в нагрузке в два раза больше, чем в нагрузке одиночного усилителя. Соответственно, они должны его выдержать.
В качестве фазоинвертора можно использовать либо каскад на одиночном транзисторе
либо на дифференциальном усилителе
Мостовая схема очень часто применяется в усилителях с низким (в основном, батарейным) напряжением питания. Например на нагрузке 4 Ом при напряжении питания 3 В можно получить мощность более 0,5 Вт, при 12 В – 12,5 Вт.
Такие усилители выпускаются для широкого диапазона питающих напряжений и выходных мощностей. Большим их преимуществом является отсутствие выходных конденсаторов и минимальная обвязка. Ниже приведена схема включения усилителя TDA7050 из ее Datasheet-а.
При напряжении питания 3 В он отдает 0,14 Вт на нагрузку 32 Ома (корпус DIP8 или SO8)), аналогичный усилитель TDA7052 – 1,2 Вт на нагрузку 8 Ом при напряжении питания 6 В (DIP8).
А у TDA7052А (DIP8, SO8) даже встроен электронный регулятор громкости. То же, но при больших выходных мощностях у TDA7053A (2 x 1 Вт при 6 В, DIP16) и TDA7056A (5Вт при 12 В).
Наибольшее распространение мостовые усилители получили в автомобильных приемниках, когда при низком напряжении – 14,4 В (напряжение в автомобильной сети) нужно получить большую мощность.
Например четырехканальная микросхема TDA 7385 позволяет получить по 15Вт мощности на канал при коэффициенте нелинейных искажений 1% (до 35 Вт при 10%),
Усилитель мощности низкой частоты класса Hi-Fi, выполненный по мостовой схеме с применением двух интегральным микросхем TDA7294. Позволяет получить на выходе до 170 Ватт мощност, отлично подойдет для сабвуфера.
Технические характеристики
- Выходная мощность на нагрузке 8 Ом и питании ±25V - 150 W;
- Выходная мощность на нагрузке 16 Ом и питании ±35V - 170 W.
Принципиальная схема
В усилителе предусмотрена защита выходного каскада от короткого замыкания, термозащита (переключение на пониженную мощность в случае перегрева, возникающего при больших нагрузках), защита от бросков напряжения, режим отключения (Standby), режим включения/отключения входного сигнала (Mute), а также защита от «щелчка» при включении/выключении. Все это уже реализовано в интегральных микросхемах TDA7294.
Рис. 1. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 - мощный мостовой усилитель НЧ.
Детали и печатная плата
Рис. 2. Печатная плата для мостового варианта включения микросхем TDA7294.
Рис. 3. Расположение компонентов для мостового варианта включения микросхем TDA7294.
Для питания такого усилителя мощности необходим источник питания с трансформатором мощностью не менее 250-300 Ватт. В схеме выпрямителя желательно установить электролитические конденсаторы по 10000мкФ и более на каждое плечо.
Мостовая схема включения из даташита
Рис. 4. Мостовая схема включения двух микросхем TDA7294 (из даташита).
В мостовом режиме работы, сопротивление нагрузки должно быть не менее 8 Ом, иначе микросхемы сгорят от перегрузки по току!
Печатная плата
Универсальная печатная плата для двухканального и мостового вариантов усилителя мощности.
Мостовая схема включения УМЗЧ - это два одинаковых канала, в одном из которых вход сигнала подключен на землю, а вход обратной связи (ножка 2) подключен через резистор 22К к выходу второго канала.
Также 10-е ножки микросхем (Mute) и 9-е ножки (Stand-By) нужно подключить к схеме управления режимами, собранной на резисторах и конденсаторах (рисунок 6).
Рис. 5. Печатная плата для усилителя мощности на микросхемах TDA7294.
В платах есть небольшие отклонения (в лучшую сторону) от схемы из даташита:
- На входах микросхем (ножка 3) установлены конденсаторы на 4мкФ, а не 0,56мкФ;
- Между резистором 680 Ом (что идет к ножке 2) и землей подключен конденсатор 470мкФ;
- Конденсаторы между ножками 6 и 14 - 470мкФ, а не 22мкФ;
- По питанию вместо конденсаторов 0,22мкФ предложено установить 680нФ (0,68мкФ);
В мостовом включении выводы 10 и 9 соединяются вместе соответственно и подключаются к схеме управления режимами.
Рис. 6. Простая схема управления режимами Standby-Mute для микросхем TDA7294.
Чтобы включить микросхемы (вывести из тихого и энергосберегающего режимов), контакты "VM" и "VSTBY" достаточно подключить к положительному выводу питания +Vs.
Эта печатная плата является универсальной, ее можно использовать как для двухканального, так и для мостового режимов работы усилителя на микросхемах TDA7294. Здесь очень хорошо выполнена разводка земли (GND), что улучшит надежность и помехоустойчивость УМЗЧ.
Литература:
- Даташит на микросхему TDA7294 - Скачать (7-Zip архив, 1,2МБ).
- FAQ по TDA7294 - cxem.net/sound/amps/amp129.php
Мостовой УНЧ на TDA2030 - 150 Вт.
Принципиальная схема мостового усилителя на микросхемах TDA2030A:
Как видите на схеме, усилитель состоит из двух одинаковых каскадов, в которых каждая микросхема TDA2030 на выходе имеет пару транзисторов, за счет которых и происходит умощнение, и эти каскады соединены в мостовую схему, за счет чего мощность еще удваивается. Не плохие результаты данный усилитель показал при использовании его в качестве усилителя для сабвуфера.
Печатная плата мостового усилителя на микросхемах TDA2030 с транзисторами умощнения показана ниже:
Крепление микросхем и транзисторов к радиатору выполнено через изолирующие прокладки с применением пасты типа КПТ. Болты крепления элементов так же имеют изолирующие шайбы.
Внешний вид платы усилителя в сборе для сабвуфера показан на следующих изображениях:
●●● Прямая ссылка на скачивание файла архива в формате RAR, содержащего в себе принципиальную схему усилителя, а так же печатную плату в формате LAY , появится после клика по любой строке рекламного блока ниже, кроме строки “Оплаченная реклама”. Размер файла архива – 0,2 Mb.
Транзисторы широкого применения большой мощности, например, типа КТ903 и КТ812 с различными буквенными индексами могут обеспечить выходную мощность бестрансформаторного каскада до 100-120 Вт. Дальнейшее увеличение выходной мощности требует параллельного включения двух или трех однотипных транзисторов или применения принудительного воздушного охлаждения теплоотводов. Все это усложняет конструкцию и эксплуатацию усилителей.
Давно известен способ увеличения выходной мощности усилителей, заключающийся в использовании двух идентичных усилителей мощности, включенных таким образом, что входной сигнал подается на их входы в виде двух колебаний, равных по амплитуде, но противоположных по знаку, а нагрузка включается непосредственно между выходами усилителей. Такие усилители называются балансными мостовыми. В разные годы на страницах радиолюбительских журналов СССР, ГДР, Польши и других стран появлялись описания подобных усилителей, правда, на мощность не более 10 Вт.
На рисунке приведена принципиальная схема балансного мостового усилителя мощности низкой частоты на 250 Вт при коэффициенте гармонических искажений около 2% в полосе частот от 30 Гц до 16 кГц. Основой конструкции являются два идентичных усилителя низкой частоты (А и Б), собранные на биполярных кремниевых транзисторах. Устройство защиты оконечных транзисторов и дифференциальный входной каскад отсутствуют. Изменение фазы входного сигнала, поступающего к гнезду Гн1, производится с помощью фазоинвертора на транзисторе Т8, собранного по схеме с разделенной нагрузкой. Коэффициент передачи такого каскада для коллекторной нагрузки равен -1, для эмиттерной +1. Это значит, что напряжения сигнала, подаваемые с выходов каскада на транзисторе Т8, равны по амплитуде, но противоположны по знаку, что и требуется для нормальной работы усилителя по мостовой схеме. Источник питания (общий для усилителей А и Б) выполнен по двухполупериодной схеме на понижающем трансформаторе Тр1 и двух диодах Д1, Д2. Фильтрующая цепь состоит из трех электролитических конденсаторов 2500 мкФх100 В, включенных параллельно. Сопротивление нагрузки 12-15 Ом. Нагрузка включается непосредственно между выходами обоих усилителей. Повторение конструкции возможно при использовании отечественных кремниевых высоковольтных транзисторов типа КТ626В (Т1), КТ801А (Т3), КТ312А (Т2), КТ802А (Т4), КТ903А (Т6, Т7), КТ626В (Т5). Диоды Д1 и Д2 должны быть рассчитаны на ток до 10 А, например, типа Д242Б. Все электролитические конденсаторы, кроме С1, могут быть на рабочее напряжение 60 В. ТрансформаторТр1 имеет сердечник Ш50х70. Первичная обмотка содержит 218 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,1 мм, вторичная – 120 витковс отводом от середины, проводом ПЭВ-2 диаметром 1,9 мм.
Для обеспечения нормальной работы усилителя транзисторы Т3-Т7 должны иметь эффективные теплоотводы. Можно применить простейшие пластинчатые теплоотводы из листового черненого дюралюминия. Размеры теплоотводов, как указано в первоисточниках, должны быть следующими: для транзисторов Т6 и Т7 – 3х160х160 мм; для транзисторов Т4 и Т5 – 2х60х60 мм; для транзистора Т2 – 2х15х15 мм. Если в качестве Т2 применить транзистор КТ602А, то дополнительного теплоотвода не потребуется.
Налаживание собранного усилителя начинают с проверки монтажа и соединений. Затем включают питание и устанавливают режимы работы каждого из каналов усилителя в отдельности при отключенном сигнале и нагрузке. Сначала переменным резистором R 9 устанавливают ток, потребляемый каналом Б, равный 60 мА. Далее переменным резистором R 5 добиваются того, чтобы постоянное напряжение на выходе канала Б было 30 В. Потом аналогичные операции производят с каналом А.
Затем включают нагрузку и замеряют постоянное напряжение на ней. Допускается, чтобы это напряжение было не более ±0,3 В. В противном случае переменным резистором R5 каналов А и Б вновь производят коррекцию так, чтобы постоянное напряжение на нагрузке вошло в норму. И только после этого можно испытывать усилитель с источником сигнала.
Конечно, в большинстве случаев любительской практики выходная мощность 250 Вт не требуется. Но описанный выше принцип построения балансных мостовых усилителей мощности низкой частоты может оказаться полезным при создании усилителей меньшей мощности (на 40-50 Вт) на базе двух усилителей малой мощности. Необходимо только, чтобы оба исходных усилителя были одного типа, имели одинаковые характеристики, а источник питания позволял получать требуемую мощность. В среднем можно считать, что мощность выпрямителя и трансформатора должна быть по крайней мере вдвое больше максимальной выходной мощности усилителя в целом.
В заключение необходимо указать, что качество работы любого усилителя мощности низкой частоты во много зависит от источника усиливаемого сигнала, предшествующих регулирующих и корректирующих каскадов, от самой электроакустической установки, в которой используется данный усилитель, а также от мощности, входного сопротивления и качества работы громкоговорителя (или громкоговорителей, если их несколько).
Мостовое включение - подключение усилителя к громкоговорителям, при котором каналы стереоусилителя работают в режиме моноблочных усилителей мощности. Они усиливают один и тот же сигнал, но в противофазе. При этом громкоговоритель включается между двумя выходами каналов усиления.
Мостовое включение позволяет значительно увеличить мощность усилителя.
Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 1,5 - 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.
Наряду с достоинством - большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки.
В первую очередь - повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно - выходные сопротивления усилителей сложились.
Один из способов увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания - включить его по мостовой схеме . Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Громкоговоритель подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и нагрузке выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов. Возможность мостового включения предусматривается практически во всех моделях дополнительных усилителей.
Наряду с достоинством - большей выходной мощностью, мостовым усилителям свойственны и недостатки. В первую очередь - повышенный примерно в 1,2-1,7 раза по сравнению с исходными усилителями коэффициент гармоник и вдвое худший коэффициент демпфирования (при неизменном сопротивлении нагрузки). Теоретически коэффициент гармоник изменяться не должен, но на практике увеличение происходит из-за различия характеристик реальных (даже одинаковых) усилителей. Ухудшение демпфирования также понятно - выходные сопротивления усилителей сложились.
Выходы встроенных усилителей головных аппаратов имеют потенциал Uпит/2 относительно массы. Поэтому случайное замыкание нагрузки на массу приводит к выходу усилителя из строя, если он не имеет систем защиты. Впрочем, к звуку это уже имеет весьма отдаленное отношение, об этом нужно помнить при монтаже. Однако это свойство можно использовать. Так, входы высокого уровня дополнительных усилителей нередко оборудованы датчиком напряжения, и постоянное напряжение на выходе головного устройства используется как сигнал включения дополнительного усилителя.
