Компания Texas Instruments разрабатывает всё новые чипы семейства усилителей мощности звука на основе цифровых технологий. Тут представлена схема ещё одного монофонического усилителя звука мощностью 100 Вт на базе новейшего чипа TPA3255, содержащего 4 конфигурируемых канала усилителя мощности с общими схемами переключения, отключения звука и защиты. УМЗЧ можно использовать, например, для подключения МП-3 плееров.
Схема усилителя на TPA3255
Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке. Микросхема TPA3255 (U1) работает в соответствии с даташитом. Он был сконфигурирован работающий в параллельной мостовой схеме (M1 = 0, M2 = 1). Помимо увеличения выходной мощности, такая конфигурация позволяет питать силовой оконечник от несимметричного напряжения, упрощая структуру источника питания и в то же время устраняя эффект «накачки» мощности, возникающий в системе СЭ.
Симметричный входной сигнал подается на каналы A/B. Выходной сигнал проходит фильтрацию нижних частот (катушки L1, L2 и емкости С1…С8) перед подачей на клеммы SA/SB. Из-за сильноточного и импульсного характера работы выбор фильтрующих элементов имеет решающее значение. В модели использованы катушки на порошковых сердечниках Coilcraft VER2923103KL, намотанные медной лентой, и металлизированные полипропиленовые конденсаторы MKP Epcos, что минимизирует потери и позволяет поддерживать очень хорошее качество сигнала.
Как и в любой импульсной цепи, а особенно в цепи где коммутируются большие мощности, требуется внимание при проектировании силового тракта и соответствующей его фильтрации, что здесь обеспечивается конденсаторами С9…С12, установленными непосредственно на выводах U1. Кроме того, конденсаторы СЕ1 и СЕ2 общей емкостью 2000 мФ составляют локальный буфер энергии.
Для усилителя требуется внешний источник питания подключенный к разъему PWR, с выходом по току, соответствующим нагрузке. Для версии 100 Вт/4 Ом питание должно находиться в диапазоне 36…45 В/3,5 А, а для версии 100 Вт/8 Ом – 45…55 В/2,5 А. В версии 4 Ом стоит увеличить общую емкость фильтрующих конденсаторов СЕ1 и СЕ2 до 2200 мФ/50 В. Также возможна работа с нагрузкой в диапазоне от 2-х Ом, но тогда нужно обратить внимание на допустимый рабочий ток дроссели L1 и L2 и хорошее рассеивание мощности.
КПД достигает 90%, но стоит конечно иметь некоторый запас мощности от блока питания. Для питания усилителя можно использовать импульсный блок питания с ограничением по току и минимальной мощностью 150 Вт или типовую мостовую выпрямительную схему на быстрых диодах с фильтрующей конденсаторной батареей минимальной суммарной емкостью 22 000 мФ, питаемую от тороидальный трансформатор мощностью более 200 ВА.
Микросхема U1 имеет радиаторную вставку в верхней части корпуса. Для работы очень важно обеспечить хороший отвод тепла. В прототипе это обеспечивается 3-мм медной шайбой, опосредующей отвод тепла к алюминиевому радиатору, к которому прикреплена пластина. Разумеется, места контакта следует промазать теплопроводной пастой или лучше использовать эластичные шайбы из теплопроводной ленты, которые также компенсируют механические напряжения. При принудительном охлаждении может быть достигнута мгновенная мощность, значительно превышающая номинальные 100 Вт (при условии, что источник питания имеет достаточный резерв). Это делает усилитель хорошим решением для сабвуфера или низкочастотного динамика в многополосном громкоговорителе. Если отвод тепла не обеспечен должным образом, система автоматически выключится после превышения температуры 150°С.
Для обеспечения внутреннего напряжения питания 12 В использовался стабилизатор U2 LM317HV. Резистор R13 ограничивает потери в U2. Каждая из цепей U1, требующая питания 12 В, фильтруется отдельным RC-элементом. Конденсатор CE5 обеспечивает соответствующий мгновенный выход по току источника питания 12 В. Напряжение 12 В также питает стабилизатор 3,3 В на основе стабилитрона DZ, который питает U3, генератор сигнала сброса MCP100T. Светодиод PWL показывает наличие питания на усилителе. Остальные конденсаторы фильтруют внутренние силовые цепи U1. Конденсаторы С13…С16 являются элементами цепей смещения силовых транзисторов полумоста.
Конденсатор C21 определяет время пускового разгона U1. Резистор R6 определяет рабочую частоту внутреннего генератора FREQADJ и подобран для минимальных помех местным АМ-станциям. Резистор R5 OCADJ определяет режим работы и токоограничение выходов U1. Тут ограничения 17 А, защита работает циклически, не допуская превышения установленного тока, например, при падении сопротивления громкоговорителя. При изменении значения R9 на 47 к ток ограничения сохраняется, но при его превышении схема автоматически выключится и вернется в работу после сигнала сброса, то есть после выключения/включения питания.
В используемой мостовой схеме входы сигнальных линий требуют симметричного сигнала для управления. Не допускается управление несимметричным сигналом и соединение любого входа INA..B с землей схемы. Входной сигнал, подключенный к разъемам INA/B, должен иметь амплитуду не более 4 Vpp. Перед усилением в U1 конденсаторы СЕ3 и СЕ4 отделяют постоянную составляющую, а элементы RC, состоящие из R8, R9 и конденсаторов С23, С24, фильтруют ВЧ помехи.
Сигналы состояния U1 выводятся на разъем ERR:
- CLI – перегрузка и перегрев,
- FLT – аварийное отключение схемы.
Усилитель смонтирован на двусторонней печатной плате — расположение элементов показано на рисунке. Сборка типичная. Первый запуск следует проводить запитав усилитель от лабораторного блока питания с ограничением по току. Схема УМЗЧ работает корректно от 18 В и от этого значения ее и следует проверить, предварительно подав на вход симметричный сигнал с регулируемым уровнем 1 кГц и нагрузив выход резистором 4…8 Ом.
