Мощный автомобильный усилитель мощности 70-150Вт с преобразователем напряжения (TDA7294, КР1114ЕУ4)
Напряжение бортовой сети ограничивает мощность автомобильного УМЗЧ, и это обстоятельство можно преодолеть применением импульсного преобразователя напряжения питания. В статье описана конструкция мощного двухканального УМЗЧ со встроенным мощным преобразователем на основе микросхемы КР1114ЕУ4.
В настоящее время на рынке автомобильной аудиоаппаратуры представлено много разнообразных моделей автомагнитол. Современные магнитолы обычно имеют четырехканальный усилитель, а выходная мощность, заявленная производителями, исчисляется десятками ватт. Но соответствуют ли надписи на лицевой панели, указывающие выходную мощность, например, 4x40, 4x50 Вт, общепринятому параметру? Чаще указывается ее пиковая выходная мощность (как правило, при питающем напряжении 14 4 В на нагрузке 4 Ом).
На практике номинальная выходная мощность автомагнитолы обычно составляет не более 10-12 Вт на канал [1].
Для реального повышения мощности используют УМЗЧ в мостовом включении Для более мощной нагрузки автомагнитолу дополняют усилителем мощности Исходя из того, что практически все автомобильные акустические системы и большинство АС широкого применения имеют электрическое сопротивление 4 Ом напряжение бортовой сети автомобиля оказывается недостаточным, поэтому для УМЗЧ необходимо использовать вторичные источники электропитания.
Описываемый здесь автомобильный двухканальный усилитель мощности объединен с импульсным блоком питания. Аппаратура отличается простым схемным решением и доступностью изготовления радиолюбителями.
Номинальная выходная мощность УМЗЧ с коэффициентом нелинейных искажений 0,5 % в режиме “Стерео" составляет приблизительно 2x70 Вт (2x4 Ом), в режиме “Моно” - около 150 Вт (8 Ом). Он почти не требует налаживания.
Усилитель мощности Усилитель выполнен на двух микросхемах DA1, DA2. Интегральная микросхема TDA7294 представляет собой усилитель мощности с высокими техническими характеристиками и сравнительно дешева.
Оконечный и предоконечный каскады TDA7294 построены на полевых транзисторах, имеют защиту от перегрева и от короткого замыкания на выходе При достижении температуры кристалла 145 °С блок защиты переводит микросхему в режим “MUTE” а при достижении 150 С - в режим “STAND-BY".
Благодаря широкому диапазону питающих напряжений микросхему TDA7294 можно использовать совместно с нагрузкой сопротивлением более 8 Ом без существенной потери выходной мощности. При использовании двух микросхем, включенных по мостовой схеме, верхняя граница сопротивления повышается до 16 Ом.
При оптимальном выборе напряжения питания ее максимальная выходная мощность на низкоомной нагрузке (4 Ом и ниже) ограничена лишь предельно допустимым током оконечного каскада, равным 10 А, и достигает 100 Вт. При коэффициенте гармонических искажений 0,5 % микросхема отдает в нагрузку мощность до 70 Вт. Более подробную информацию о микросхеме можно получить из [2] либо на сайте компании ST Microelectronics.
Принципиальная схема УМЗЧ
Принципиальная схема УМЗЧ без блока питания показана на рис. 1. В предложенной схеме функции “STAND-BY” и “MUTE” не используются, так как включение усилителя производится в блоке питания. Резисторы R1, R4 задают входное сопротивление УМЗЧ.
Рис. 1. Принципиальная схема мощного автомобильного усилителя мощности (УМЗЧ) на микросхемах TDA7294.
Пары элементов R1, С1 и R4, С4 образуют на входах обоих каналов ФВЧ, ограничивают полосу пропускания усилителя снизу Аналогично элементы R2, С2 и R5, С5 в цепи ООС определяют нижнюю границу полосы пропускания. Соотношения сопротивлений R3/R2, R6/R5 задают коэффициент усиления УМЗЧ. При указанных номиналах элементов R2, R3, R5, R6 коэффициент усиления по напряжению составляет 30 дБ.
Переключателем SA1 выбирают режим работы УМЗЧ “Стерео/Моно". В режиме “Стерео" микросхемы DA1 и DA2 работают как два независимых неинвертирующих усилителя, в режиме “Моно" усилитель DA2 превращается из неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления Кu = R6/R5 + 1 в инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления Положению SA1 на схеме соответствует режим “Стерео”. При использовании УМЗЧ в мостовом режиме вывод “+” АС подключают к выходу DA1, а вывод - к выходу DA2.
Принципиальная схема преобразователя напряжения
Преобразователь блока питания усилителя (рис. 2) построен в основном на микросхеме КР1114ЕУ4 - импортный аналог TL494CN фирмы Texas Instruments. Подробное описание микросхемы можно найти в [3], ее блок-схема показана на рис. 3.
Рис. 2. Принципиальная схема мощного преобразователя напряжения для автомобильного УМЗЧ.
Она включает в себя широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и цепи управления им. Микросхема предоставляет широкие возможности по управлению длительностью выходных импульсов. Так как микросхемы TDA7294 имеют собственные узлы защиты, отпадает необходимость их использования в самом блоке питания.
Микросхема КР1114ЕУ4 может работать как в двухтактных, так и в однотактных преобразователях; режим работы задается по входу OTC (вывод 13). В этом блоке питания вывод 13 подключен к источнику образцового напряжения +5 В и преобразователь работает в двухтактном режиме. Скважность импульсов может меняться в широких пределах.
Рис. 3. Блок-схема микросхемы КР1114ЕУ4 (TL494CN).
Выходы микросхемы можно подключить непосредственно через резисторы R16, R17 к базам мощных биполярных транзисторов VT1 и VT2 преобразователя благодаря большому предельному значению выходного тока (до 200 мА).
Поскольку у микросхемы преобразователя имеются выводы коллекторов и эмиттеров выходных транзисторов (выводы 8-11), их возможно включить по схеме с общим эмиттером либо с общим коллектором, в зависимости от структуры транзисторов VT1 и VT2. В описываемом блоке с транзисторами структуры n-p-n применен второй вариант. При использовании в качестве ключей полевых транзисторов (n-канальных ПТ) следует удалить резисторы R18 и R19.
В микросхему КР1114ЕУ4 встроен собственный генератор пилообразных импульсов. Элементы R8, С8 являются времязадающими, и частоту генерации можно определить по формуле 1 = 1/(R8С8). При работе в двухтактном режиме частота автогенератора микросхемы должна быть вдвое выше частоты на выходе преобразователя. Для указанных на схеме номиналах времязадающей цепи частота генератора - около 160 кГц, а частота импульсов на выходе - примерно 80 кГц
Стабильность работы преобразователя в широком диапазоне напряжения питания обеспечивает встроенный источник образцового напряжения (вывод 14) +5 В. Цепь R9С7 обеспечивает после включения питания плавное увеличение ширины выходных импульсов блока и мощности в нагрузке.
Диод VD1 предотвращает выход из строя блока при обратной полярности напряжения питания; в этом случае перегорит лишь предохранитель FU1.
Блок питания имеет стабилизацию напряжения на нагрузке благодаря обратной связи. Она осуществляется через резисторы R10-R15 с каждого плеча выпрямителя.
Эти резисторы образуют два делителя напряжения, через которые часть напряжения с выхода блока питания поступает на усилители ошибки (выводы 1,15) В качестве эталона напряжения, с которым сравниваются выходные напряжения блока питания, используется источник образцового напряжения (ИОН). Выходы усилителей ошибки внутри DA1 соединены вместе через диоды.
Вывод 3 предназначен для местной обратной связи, ограничивающей коэффициент усиления усилителей. В этом блоке вывод 3 использован для запуска преобразователя, а усилители работают как компараторы. С импульсного трансформатора Т1 напряжение выпрямляется диодами VD2-VD5 и сглаживается конденсаторами С11- С14.
Для уменьшения мощности рассеивания на микросхемах УМЗЧ DA1 и DA2 и увеличения максимальной выходной мощности усилителя нужно правильно выбрать выходное напряжение преобразователя, исходя из сопротивления нагрузки. Данный УМЗЧ рассчитан на работу совместно с нагрузкой 4 Ом в режиме “Стерео” и с нагрузкой 8 Ом в мостовом режиме. Рекомендуемое фирмой-изготовителем значение напряжения питания DA1, DA2 при заданном сопротивлении нагрузки составляет ±25...27 В, на это напряжение и рассчитан импульсный преобразователь.
Устройство запуска для преобразователя
В показанной на рис. 2 схеме блока питания для его включения нужен достаточно мощный переключатель. Зачастую такой способ включения оказывается неудобным или же неприемлемым. На рис. 4 показана схема устройства автоматического управления запуском преобразователя. Она обеспечивает включение УМЗЧ при подаче на резистор R20 постоянного напряжения более 1 В или при подаче на конденсатор С15 звукового сигнала с действующим значением напряжения не менее 0,6 В.
Рис. 4. Cхема устройства автоматического управления запуском преобразователя.
Первый вариант можно использовать, если автомагнитола имеет выход для управления внешними устройствами, например, электрической выдвижной антенной. Пригоден и другой вариант, если в автомобиле установлен сабвуфер.
Тогда конденсатор С15 подключают к одному из выходов УМЗЧ автомагнитолы, и теперь усилитель будет автоматически включаться при выходной мощности автомагнитолы более 0,15.. 0,2 Вт и отключаться при меньшей.
Недопустимо подключать к магнитоле одновременно два входа, так как это может вывести ее из строя. Конденсатор С16 одновременно сглаживает пульсации переменного напряжения и задерживает отключение усилителя после исчезновения сигнала на входе (с задержкой около 30 с). Диоды VD7, VD8 предотвращают влияние цепи включения на работу ШИ-модулятора. Также они устанавливают порог напряжения на коллекторе VT3, при превышении которого длительность импульсов на выходе DA3 начнет плавно сокращаться и при достижении 4 .4,5 В блок питания отключится.
Схема Фильтра НЧ для сабвуфера
Если этот усилитель использовать только для сабвуфера, понадобится узел, схема которого приведена на рис. 5.
Это ФНЧ второго порядка с частотой среза 80 Гц; его включают перед входом УМЗЧ. На схеме в скобках указаны выводы ОУ второго канала. В цепи питания установлены интегральные стабилизаторы напряжения DA2, DA3. Если усилитель планируется использовать только в мостовом режиме, вместо сдвоенных ОУ можно применить одиночный.
Рис. 5. Схема простого фильтра низких частот (ФНЧ) для сабвуфера.
Детали и конструкция
Детали и конструкция Все детали усилителя и блока питания, кроме переключателя SA 1 усилителя, предохранителя FU1 и входных и выходных разъемов (на схеме не показаны), смонтированы на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 2 мм. Чертеж платы и расположение на ней элементов показаны на рис. 6.
Рис. 6. Печатная плата для мощного автомобильного усилителя.
В качестве VD1 можно использовать диоды серий КД2997, КД2999 с любым буквенным индексом Диоды КД2997Б (VD2- VD5) возможно заменить на КД2997А, КД2999А, КД2999Б. Вместо транзисторов КТ898А (VT1, VT2) допустимо применить другие КТ890 с любым буквенным индексом, КТ896А, КТ896Б, КТ898Б, КП958А-КП958В, КП954А-КП954В. Можно применить импортные полевые транзисторы IRFZ48, IRFZ44, IRF540, IRF640, IRF530, BUZ11А, BUZ22 или их аналоги, удалив резисторы R18, R19.
Мощные транзисторы БП VT1, VT2 и микросхемы усилителя DA1, DA2 устанавливают на отдельные теплоотводы. Микросхемы допустимо установить на один теплоотвод без изоляции, но при этом изолировать его от корпуса усилителя так как металлическая подложка микросхем имеет напряжение -Uпит относительно общего провода.
Транзисторы устанавливать на один теплоотвод без изоляции недопустимо. В качестве изолирующего материала можно использовать слюду. При монтаже силовых элементов на теплоотводах желательно использовать теплопроводящую пасту КПТ-8, что позволит значительно облегчить тепловой режим работы данных элементов Диоды VD1-VD5 устанавливают перпендикулярно плате
Магнитопровод импульсного трансформатора Т1 составлен из трех склеенных вместе колец типоразмера К40х25х11 из феррита М2000НМ1. Обмотки I, II намотаны по 4 витка жгутом из пяти проводов ПЭВ-2 1,2 мм Обмотки III, IV намотаны по 10 витков жгутом из четырех проводов ПЭВ-2 0,8 мм. Обмотки I, II и III, IV должны быть симметричными.
Перед намоткой острые края склеенного кольца необходимо закруглить надфилем Между обмотками прокладывают изоляцию из фторопластовой ленты в три-четыре слоя. Трансформатор устанавливают в центре печатной платы с помощью прижимающей сверху прямоугольной или круглой пластины с отверстием в центре и винта М5 или М6 с гайкой.
В схеме управления запуском преобразователя в качестве VD1-VDЗ пригодны любые маломощные кремниевые диоды КТ3102А (VT1) заменяется транзистором с любым буквенным индексом из этой серии или КТ315. В ФНЧ (см. рис. 5) допустимо установить ОУ КР574УД2, КР140УД20, КР544УД4. Вместо стабилизаторов DA2, DA3 можно применить любые интегральные стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения на 15 В
Надо постараться подключить провода питания усилителя как можно ближе к аккумулятору автомобиля (на щиток предохранителей), чтобы исключить влияние других потребителей тока. Поскольку пиковый ток, потребляемый усилителем, может достигать 15 А, в цепи питания следует использовать провода большого сечения (3-5 мм ). При наличии устройства, критичного к ВЧ пульсациям напряжения в бортовой сети, нужно увеличить емкость С9 а если это не принесет желаемого эффекта то включить в цепь питания преобразователя высокочастотный фильтр.
Налаживание
При исправных элементах усилитель начинает работать сразу. В настройке нуждается только блок питания. Поэтому монтаж и настройку целесообразно проводить в два этапа следующим образом.
На печатной плате устанавливают только элементы блока питания (детали усилителя не впаивают). Далее выпаивают резистор Б14 и между общим проводом и положительным выходом блока питания подключают эквивалент нагрузки - проволочный резистор сопротивлением 6...7 Ом мощностью не менее 100 Вт. После включения питания замеряют напряжение на этом резисторе, оно должно находиться в пределах 26..28 В.
Далее сопротивление нагрузки увеличивают до 50 Ом. Вращением движка подстроечного резистора R13 добиваются такого же выходного напряжения блока питания, как и при 100-вагтной нагрузке. Затем R14 впаивают, а R12 выпаивают Настройка второй цепи стабилизации аналогична. По окончании настройки впаивают резистор R12.
Затем монтируют детали УМЗЧ и проверяют работоспособность устройства в сборе на эквиваленты нагрузки от генератора звуковой частоты. Устройство автоматического включения усилителя (см рис. 4) в настройке не нуждается, но если преобразователь запускается и при отсутствии входных сигналов, то уменьшают сопротивление R21 до значения, при котором напряжение на коллекторе УТ1 находится в интервале 6...6,5 В.
А. Колганов, г. Калуга. Р2001, 7.
Литература:
- Шихатов А. Автозвук устанавливаем сами. - Р2000, 1.
- Сырицо А. УМЗЧ на микросхеме TDA7294 - Р2000, 5.
- Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение.