Как спроектировать и собрать усилитель с TDA2050

Как спроектировать и собрать усилитель с TDA2050

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ ДЛЯ ЭТОГО ПРОЕКТА ДОСТУПНЫ  ЗДЕСЬ .

Примечание. Это руководство также будет работать с TDA2030, если напряжение питания ниже ± 18 В.

TDA2050 - отличный чиповый усилитель с большой мощностью. В этом уроке я расскажу вам о процессе проектирования усилителя 25 ватт на микросхеме TDA2050. Сначала я покажу вам, как рассчитать требования к напряжению и току блока питания, и покажу, как найти радиатор надлежащего размера. Затем я покажу вам, как найти правильные значения для всех компонентов схемы. Я также покажу вам, как изменить усиление и как установить полосу пропускания усилителя. Наконец, я расскажу о дизайне печатной платы и подключении усилителя внутри корпуса.

Datasheet является хорошим справочным материалом для построения любого усилителя. Я рекомендую прочитать его перед началом работы над этим проектом:

Основы схемы PDF Icon TDA2050 Лист данных

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ!! ЭТОТ ПРОЕКТ ВКЛЮЧАЕТ ВЫСОКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, КОТОРЫЕ МОГУТ НАНЕСТИ СЕРЬЕЗНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЛИ СМЕРТЬ. ОБЯЗАТЕЛЬНО ИСПОЛЬЗУЙТЕ НАДЛЕЖАЩИЕ МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ, И НИКОГДА НЕ РАБОТАЙТЕ НАД ЦЕПЬЮ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ.

ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ ПЕРЕД НАЧАЛОМ

Прежде чем начать, вы захотите получить представление о том, сколько выходной мощности  вы хотите от усилителя. Вам также необходимо знать полное сопротивление ваших колонок и  входное напряжениевашего аудиоисточника. Обязательно ознакомьтесь с таблицей данных TDA2050, чтобы найти абсолютные максимальные значения этих параметров, и настройте свой усилитель так, чтобы он оставался в безопасных рабочих пределах.

Согласно техническому описанию, TDA2050 может выдавать 28 Вт на колонки 4 Ом с 0,5% искажением при напряжении питания 22 В. Я буду питать колонки 6 Ом с помощью моего усилителя, поэтому я буду стремиться к выходной мощности около 25 Вт. В качестве источника звука я буду использовать iPhone с выходным напряжением 1 В.

Первый шаг - выяснить, сколько напряжения и мощности вам нужно от блока питания, чтобы получить желаемую выходную мощность.

НАПРЯЖЕНИЕ И ТОК ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

TDA2050 может питаться от двухполярного источника питания или от однополярного источника. Выходная мощность усилителя будет выше при двухполярном питании, поэтому я этим и воспользуюсь.

НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ

Желаемая выходная мощность и полное сопротивление динамика будут определять, какое напряжение вам нужно от источника питания. Но прежде чем мы сможем рассчитать напряжение питания, нам нужно рассчитать пиковое выходное напряжение усилителя  (V opeak ) .

ПИКОВОЕ ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Пиковое выходное напряжение можно найти по следующей формуле:

Пиковое выходное напряжение моего усилителя мощностью 25 Вт с динамиками 6 Ом будет:

Таким образом, при выходной мощности 25 Вт максимальное напряжение на динамиках составит 17,3 В.

МАКСИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ

Теперь вы можете найти максимальное напряжение питания (V max supply ) , то есть напряжение, необходимое вашему усилителю для получения желаемой выходной мощности. Предел напряжения питания TDA2050 составляет ± 25 В, поэтому не превышайте его.

Формула для расчета максимального напряжения питания имеет вид:

Регулирование - это увеличение выходного напряжения трансформатора, когда нет нагрузки для потребления тока, это происходит, когда усилитель не воспроизводит музыку. Точное значение должно быть указано в спецификации вашего трансформатора. Трансформатор, который я буду использовать, имеет регулировку 6%, поэтому мое максимальное напряжение питания:

Таким образом, мой источник питания должен выдавать ± 24,9 В, чтобы мой усилитель мог управлять динамиками 6 Ом при 25 Вт. Символ ± означает, что положительное напряжение на шине равно +25 В, а отрицательное напряжение на шине равно -25 В.

МАКСИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЕМОЕ ТРАНСФОРМАТОРОМ

Цель состоит в том, чтобы найти трансформатор, который может выдавать максимальное напряжение питания, близкое к максимальному напряжению питания, необходимому для вашего усилителя.

Номинальное напряжение трансформатора говорит только о выходе переменного напряжения. Напряжение постоянного тока, которое вы получите после того, как мостовые выпрямители на блоке питания преобразуют переменный ток в постоянный, будет фактически выше в 1,41 раза. Вам также нужно будет учитывать скачки напряжения в сети и регулирование вашего трансформатора.

Максимальное напряжение питания, которое вы получите от трансформатора, можно рассчитать по следующей формуле:

Я начал с номинального трансформатора 15 В переменного тока, чтобы посмотреть, будет ли оно обеспечивать максимальное напряжение питания, необходимое для моего усилителя:

Таким образом, 15 В трансформатор даст мне максимальное напряжение питания 24,7 В постоянного тока после источника питания. Это очень близко к максимальному напряжению питания 24,9 В, необходимому для моего усилителя, но теперь давайте точно рассчитаем, какую выходную мощность я получу с ним…

ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ ОТ МАКСИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Это вычисление полезно, если у вас уже есть трансформатор, и вы хотите посмотреть, сколько выходной мощности будет генерировать ваш усилитель:

Максимальное напряжение питания от трансформатора 15 В составляет 24,7 В, поэтому выходная мощность, которую я получу от моего усилителя:

Трансформатор 15 В даст мне выходную мощность 24,6 Вт на колонки 6 Ом, и это достаточно близко к моим желаемым 25 Вт.

МОЩНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА, НЕОБХОДИМАЯ УСИЛИТЕЛЮ

Теперь мы можем определить, сколько мощности требуется трансформатору для питания усилителя. Мощность обычно указывается в номинальных характеристиках трансформатора. Для расчета минимальной мощности, мы сначала должны найти общее потребление усилителя.

Общая мощность зависит от максимального напряжения питания, которое вы получаете от трансформатора, пикового выходного напряжения усилителя, импеданса вашей колонки и тока покоя (QDC) TDA2050 (90 мА):

Таким образом, мой 15-вольтный трансформатор должен обеспечивать как минимум:

Теперь мы будем использовать полную мощность, чтобы найти минимальную номинальную мощность VA для вашего трансформатора…

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОБЩЕЙ МОЩНОСТИ В ТРАНСФОРМАТОР ВА

Чтобы найти минимальное значение VA для вашего трансформатора, общее правило заключается в умножении общей мощности в 1,5 раза.

Для моего трансформатора 15 В номинальное значение VA должно быть:

Это мощность на канал. Для стереоусилителя мы просто умножаем на два:

Формула

Таким образом, все, что выше трансформатора на 150 ВА, обеспечит мой усилитель достаточной мощностью. Это полезно знать, потому что, если ваш трансформатор будет сильно просаживать напряжение, усилитель может обрезать или искажать звук на более высокой громкости.

НАХОЖДЕНИЕ ПРАВИЛЬНОГО РАЗМЕРА РАДИАТОРА

Два канала моего усилителя подключены к радиатору:

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - собранные на теплоотводе печатные платы

TDA2050 необходимо прикрепить к радиатору, иначе он быстро перегреется и будет поврежден. Размер радиатора, который вам нужен, будет зависеть от вашего  максимального рассеивания мощности  и  тепловых сопротивлений на пути теплового потока от TDA2050.

МАКСИМАЛЬНАЯ РАССЕИВАЕМАЯ МОЩНОСТЬ

Максимальная рассеиваемая мощность (P dmax ) - это количество мощности, которое TDA2050 будет рассеивать в виде тепла на пределе своей работы. P dmax зависит от максимального напряжения питания, которое вы получаете с вашим трансформатором, и сопротивления ваших динамиков:

Согласно данным, абсолютный максимальный рейтинг TDA2050 для P dmax  составляет 25 Вт. Если P dmax вашей конструкции превышает 25 Вт, вам необходимо снизить напряжение питания или увеличить сопротивление динамика, чтобы предотвратить повреждение.

Для усилителя, который я собираю, максимальное напряжение питания, подаваемое моим трансформатором, составляет ± 24,7 В, и я использую динамики 6 Ом, поэтому мой P dmax  :

P dmax  20,6 Вт ниже абсолютного максимального значения TDA2050 в 25 Вт, так что пока все выглядит хорошо.

МАКСИМАЛЬНОЕ ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАДИАТОРА

Теперь мы можем определить максимальное тепловое сопротивление (в ° C / Вт) радиатора, необходимое для рассеивания всей мощности, производимой TDA2050. Но прежде чем мы сможем это сделать, нам нужно знать значения трех тепловых сопротивлений на пути теплового потока от TDA2050:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Диаграмма теплового сопротивления

θ jc : тепловое сопротивление от места соединения микросхемы (матрицы) с наружной стороной пластикового корпуса.

θ cs : тепловое сопротивление от корпуса чипа до радиатора.

θ sa : тепловое сопротивление от радиатора к окружающему воздуху.

Тепловыделение будет более эффективным, когда любой из них станет меньше. Мы ничего не можем сделать, чтобы получить меньшее θ jc , потому что это зависит от конструкции упаковки TDA2050. θ cs можно уменьшить, используя термопасту  между чипом и радиатором. Термическое сопротивление термопасты обычно составляет около 0,2 ° C / Вт, но проверьте таблицу данных, чтобы найти точное значение для используемого вами типа.

Наибольшее снижение теплового сопротивления произойдет при выборе радиатора (θ sa ). Тепловое сопротивление радиатора обычно указывается в таблице или в рекламных материалах в виде показателя ° C / W. Радиаторы с более низким тепловым сопротивлением будут рассеивать больше тепла.

Используйте эту формулу для расчета максимального теплового сопротивления радиатора, необходимого для рассеивания P dmax TDA2050 :

  • Θ cs  TDA2050 составляет 3 ° C / Вт.
  • T jmax  - максимальная температура перехода, или температура, при которой включена схема термического отключения. T jmax  для TDA2050 составляет 150 ° C.
  • T amb  - температура окружающей среды (в ° C) во время работы усилителя. Типичным значением является комнатная температура (25 ° C).

Максимальное тепловое сопротивление радиатора для моего усилителя с P dmax  20,6 Вт составляет:

Поэтому мне понадобится радиатор мощностью  не более 2,9 ° C / Вт, чтобы обеспечить рассеивание всей мощности, производимой моим усилителем.

РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ УСИЛИТЕЛЯ

Теперь, когда все требования к мощности и радиатору определены, давайте найдем наилучшие значения для компонентов в цепи. Я буду использовать схему ниже, которая в основном такая же, как в таблице данных, но с несколькими дополнительными компонентами, чтобы помочь отфильтровать шум:

Как спроектировать и построить усилитель звука TDA2050 - принципиальная схема

Если щелкнуть изображение, вы попадете в редактор схем EasyEDA, в котором вы сможете изменить схему и изменить значения компонентов.

Вот схема распиновки TDA2050 для вашей справки:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - схема распиновки TDA2050

МИНИМАЛЬНОЕ УСИЛЕНИЕ

Усиление TDA2050 должно быть установлено выше 24 дБ для поддержания стабильности, но также есть минимальное усиление, необходимое для получения желаемой выходной мощности. Это зависит от вашего входного напряжения, сопротивления динамика и желаемой выходной мощности в соответствии с этой формулой:

Я буду использовать iPhone в качестве источника звука для моего усилителя. Выходное напряжение iPhone составляет около 1 В, поэтому чтобы получить выходную мощность 24,6 Вт, мне нужно установить усиление как минимум:

Это выражается как  усиление напряжения  (V o / V i ) или как коэффициент усиления. Чтобы преобразовать усиление напряжения в усиление в децибелах, используйте следующую формулу:

Так что установка моего усиления выше 21,7 дБ обеспечит выходную мощность 24,6 Вт. Но минимальное усиление TDA2050 составляет 24 дБ, поэтому мне нужно установить его как минимум на 24 дБ.

УСТАНОВИТЬ УСИЛЕНИЕ

Значения резисторов R4 и R5 устанавливают коэффициент усиления TDA2050:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - R4 и R5 устанавливают усиление

Настройки с высоким усилением вызовут искажения, а настройки с низким усилением могут не обеспечивать достаточную громкость. Если минимальное значение усиления позволяет это сделать, хорошее усиление для домашнего прослушивания составляет от 27 до 30 дБ. Эта настройка недостаточно высока, чтобы вызвать искажения и даст вам хороший диапазон громкости.

Лучшие резисторы для R4 и R5 - это металлические пленки с жесткими допусками. Допуск 0,1% или менее является идеальным. Для установки усиления важно использовать резисторы с малым допуском, особенно если вы строите стереоусилитель. Если значения сопротивления между двумя каналами отключены на несколько Ом, усиления будут отличаться, и одна сторона будет громче, чем другая.

Усиление рассчитывается по этой формуле:

Я установлю усиление моего усилителя на 27 дБ. Я попробовал различные значения резисторов с формулой выше, и приблизился к желаемому усилению с R4 при 1 кОм и R5 при 22 кОм. Эти сопротивления установят мое усиление на:

Это будет нормально работать, поскольку 27,2 дБ выше минимального усиления, рассчитанного мной ранее, и выше минимума 24 дБ TDA2050.

СБАЛАНСИРОВАТЬ ВХОДНОЙ ТОК СМЕЩЕНИЯ

После установки усиления следующим шагом является балансировка тока смещения на входе вашего усилителя  . Входной ток смещения - это разница в токах, протекающих на неинвертирующий вход (контакт 1) и инвертирующий вход (контакт 2). Эту разницу в токе необходимо минимизировать, поскольку на входах будет создаваться постоянное напряжение, которое будет усиливаться как шум.

Ток на инвертирующем входе определяется сопротивлением R5. Ток на неинвертирующем входе определяется сопротивлениями R2 и R3 последовательно:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - балансировка входных токов смещения с R2, R3 и R5

Чтобы сделать токи на каждом входе одинаковыми, мы устанавливаем

R2 + R3 = R5

Для моего усилителя я уже нашел значение для R5, когда я установил усиление. Для R3 я начал с произвольного значения 1 кОм, а затем переставил формулу выше, чтобы найти значение для R2:

Таким образом, резистор 21 кОм для R2 и резистор 1 кОм для R3 будут уравновешивать входной ток смещения.

УСТАНОВИТЕ НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ НА ВХОДЕ

Конденсатор C1 предотвращает попадание постоянного тока аудиоисточника на вход усилителя. Если постоянному току разрешено достигать входа, он будет усиливаться вместе со звуковым сигналом и создавать шум.

C1 также формирует фильтр верхних частот резистор-конденсатор (RC)  с R2, который определяет нижний предел полосы пропускания усилителя:

Завершите конструкцию и конструкцию усилителя TDA2050 - установите низкочастотную обрезку на входе усилителя

A фильтра частота среза (Р с ) частота , на которой фильтр начинает работать. В фильтре верхних частот частоты ниже частоты среза отключаются.

Частота среза этого фильтра может быть найдена с помощью этого уравнения:

Мы уже нашли значение для R2, когда уравновесили входные токи смещения. Чтобы найти значение для C1, нам просто нужно определить частоту среза. Поскольку нижний предел человеческого слуха составляет 20 Гц, F c  должен быть значительно ниже 20 Гц, чтобы слышимые низкие частоты не были приглушены.

Вышеприведенное уравнение F c можно изменить, чтобы найти значение для C1 на определенной частоте среза:

Я использовал F c 3,5 Гц для моего усилителя, но вы можете использовать чуть более высокие или более низкие значения, если хотите. Может потребоваться некоторое экспериментирование, чтобы найти идеальное значение для ваших ушей, но просто убедитесь, что он намного ниже нижнего предела человеческого слуха (20 Гц), иначе низкочастотный отклик вашего усилителя будет слабым.

При F c 3,5 Гц значение моего C1 составляет:

C1 находится непосредственно на пути входного сигнала, так что это повлияет на качество звука вашего усилителя. Для лучшего звучания используйте полипропиленовую металлическую пленку или полипропиленовую металлическую пленку в масляном конденсаторе.

УСТАНОВИТЕ НИЖНИЙ ПРЕДЕЛ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ В ПЕТЛЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

C3 и R4 образуют еще один фильтр верхних частот в контуре обратной связи:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - установка низкочастотного среза контура обратной связи

Частота среза этого фильтра должна быть установлена ​​в 3-5 раз ниже, чем частота среза входного фильтра верхних частот. Если частота среза этого фильтра выше, чем фильтр на входе, низкие частоты будут передаваться в фильтр контура обратной связи, которые находятся ниже его частоты среза. Это создаст постоянное напряжение на С3, которое появится на инвертирующем входе и усилится как шум.

Несмотря на то, что входной фильтр устанавливает нижний предел полосы пропускания усилителя, C3 по-прежнему влияет на низкие частоты. Меньшие значения C3 приведут к более мягким басам с меньшим ударом, а более высокие значения сделают низкие частоты более сильными и более сильными.

Используйте формулу ниже в качестве отправной точки, чтобы найти идеальное значение для C3:

Я уже рассчитал значения R2, R3, R4 и C1, поэтому мой C3 должен быть больше чем:

Будет трудно найти конденсатор на 68 мкФ, поэтому я округлю до 100 мкФ. Давайте посмотрим, какая частота среза будет с этим:

Теперь давайте проверим, находится ли 1,59 Гц в 3–5 раз ниже 3,5 Гц F c  моего входного фильтра:

Это в 2,2 раза ниже, поэтому, возможно, мы сможем добиться большего успеха с конденсатором 220 мкФ. F c  с конденсатором 220 мкФ составляет 0,72 Гц.

Таким образом, значение 220 мкФ для C3 устанавливает частоту среза петлевого фильтра обратной связи в 4,9 раза ниже, чем частота среза входного фильтра. Это будет хорошо, вот что я буду использовать.

УСТАНОВИТЕ ВЕРХНИЙ ПРЕДЕЛ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ

R1, R3 и C2 формируют низкочастотный RC-фильтр на входе усилителя, который определяет верхний предел полосы пропускания усилителя:

Завершите конструкцию и конструкцию усилителя TDA2050 - установите высокочастотную обрезку на входе усилителя

В фильтре нижних частот частоты выше среза отключены. Этот фильтр имеет две функции. Во-первых, он устанавливает верхний предел полосы пропускания усилителей, а во-вторых, он фильтрует высокочастотные радио- и электромагнитные помехи от аудиовхода.

Частота среза этого фильтра должна быть больше верхнего предела 20 кГц человеческого слуха. Он также должен быть ниже, чем любые частоты радиовещания, которые могут быть уловлены входными проводами и трассировками.

Самая низкая частота радиовещания в США - AM на 535 кГц. Я выбрал частоту среза 350 кГц, которая значительно ниже 535 кГц и намного выше верхнего предела 20 кГц человеческого слуха.

Чтобы найти значение C2 с F c 350 кГц, я изменил формулу частоты среза, чтобы найти для C2:

227 пФ не является общим значением конденсатора. Тем не менее, 220 пФ даст частоту среза 362 кГц, так что он будет отлично работать в качестве замены.

СЕТЬ ЗОБЕЛЯ

Сеть Зобеля помогает предотвратить колебание , которое может произойти из паразитной индукции акустических проводов. Он также действует как фильтр, предотвращающий попадание радиопомех, вызванных проводами динамика, на инвертирующий вход через контур обратной связи.

C4 и R6 образуют сеть Zobel на выходе усилителя:

Полное проектирование и строительство усилителя TDA2050 - The Zobel Network

Поскольку конденсаторы имеют очень низкий импеданс на высоких частотах, радиочастоты замыкаются на землю через C4. R6 ограничивает ток высокой частоты, поэтому нет прямого короткого замыкания на землю, которое может превысить предел тока TDA2050. Относительно низкочастотный звуковой ток блокируется C4, поэтому он направлен на динамики.

Частота среза сети Zobel может быть рассчитана с помощью:

Таблица данных дает значения для R6 = 10 Ом и C4 = 100 нФ, что дает F c  :

159 кГц выше предела 20 кГц человеческого слуха и значительно ниже радиочастот, поэтому эти значения будут работать нормально.

Если усилитель колеблется, R6 будет передавать большие токи на землю, поэтому его мощность должна быть не менее 1 Вт. В идеале C4 должен представлять собой металлический пленочный конденсатор с низким ESR и номинальным напряжением, превышающим размах выходного напряжения между контактами.

КОНДЕНСАТОРЫ РАЗВЯЗКИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - развязывающие конденсаторы блока питания

C5 - C10 - развязывающие конденсаторы блока питания. Они действуют как резервуар тока, который может быть быстро подан на усилитель при необходимости. Для каждого вывода напряжения питания имеется один набор развязывающих конденсаторов.

Конденсаторы с большим значением (C9 и C10) обеспечивают резервный ток в течение длительных периодов низкочастотного выхода. Большие значения улучшат басовые характеристики усилителя.

Разъединяющие конденсаторы меньшего значения (C6 и C5) могут быстро подавать резервный ток в течение периодов интенсивного высокочастотного выхода. Они также фильтруют высокочастотный шум и электромагнитные помехи от источника питания.

Разъединяющие конденсаторы также компенсируют индуктивность и сопротивление проводов питания и следов, ведущих к микросхеме. Индуктивность и сопротивление препятствуют протеканию тока, и, поскольку основной источник питания находится относительно далеко от TDA2050, эффект может быть значительным. Расположение развязывающих конденсаторов как можно ближе к контактам микросхемы максимизирует протекание тока к микросхеме.

Лучшие типы конденсаторов для использования будут иметь меньшее  эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и  эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) .

ЗАЗЕМЛЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ

Заземление является одним из наиболее важных аспектов конструкции усилителя. Плохое заземление может быть основным источником шума и шума. Хорошая схема заземления позволяет отделить низковольтный аудиовход и сигнальное заземление от сильноточного источника питания и заземления динамика. Если допускается пропускание высоких токов через заземление с низким током, в проводах с низким током будет развиваться постоянное напряжение, которое будет отображаться на входе и усиливаться как гул.

Чтобы разделить разные территории, мы создадим несколько разных сетей:

  • Заземление аудиовхода : для провода заземления кабеля аудиовхода
  • Заземление сигнала : для входной цепи: R2, C2 и C3
  • Заземление динамика: для обратных проводов динамика
  • Заземление : для развязки конденсаторов и сети Zobel

Эти заземления будут подключаться к группе терминалов, называемых заземлением основной системы. Заземление основной системы подключено к цепи защиты контура заземления (об этом я расскажу позже), которая затем подключается к проводу заземления через металлическое шасси.

Основное заземление системы должно быть расположено как можно ближе к емкостным конденсаторам на источнике питания:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема заземления

Заземляющие сети подключены к заземлению основной системы в определенном порядке, так что высокие токи протекают через заземляющие только на очень короткое расстояние. Как показано на рисунке выше, соединение цепи защиты контура заземления находится ближе всего к конденсаторам резервуара, а соединение заземления входа - самое дальнее.

МАКЕТ И ДИЗАЙН ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Я спроектировал печатную плату для моего усилителя, используя   онлайн-программное обеспечение EasyEDA для проектирования печатных плат. EasyEDA - это полный пакет программного обеспечения / услуг по разработке и изготовлению печатных плат, который можно бесплатно использовать и предлагает отличные цены на изготовление печатных плат на заказ. Для редактирования макета, изменения посадочных мест компонентов и заказа печатной платы, нажмите на изображение ниже:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - компоновка печатной платы

Метки компонентов на печатной плате совпадают с метками на схеме.

Эта печатная плата предназначена для одного канала, поэтому, если вы строите стереоусилитель, вам нужно собрать две платы. Если вы хотите получить советы по проектированию печатных плат и руководство по использованию EasyEDA, ознакомьтесь с нашей статьей Как изготовить печатную плату .

ЗАКАЗ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Если вы нажмете кнопку «Производство» в окне редактора печатной платы, вы попадете на страницу, где вы можете заказать печатную плату . Вам также будет предоставлен выбор по толщине меди, толщине печатной платы, цвету, количеству заказа и другим параметрам:

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - Заказ печатной платы

Я заказал 5 печатных плат, и стоимость составила 17,10 долларов США. Изготовление и доставка заняли около 10 дней. Доски вышли великолепно. Следы направляются точно, и вся печать очень четкая. Вот одна из плат после изготовления:

Complete TDA2050 Конструкция и изготовление усилителя - верхняя часть печатной платыПолное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - днище печатной платы

СОВЕТЫ ПО ДИЗАЙНУ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Существует четыре основных принципа, которые я учел при разработке этой печатной платы:

  • Ток, протекающий через проводник, создает магнитное поле, которое может генерировать ток в параллельном проводнике
  • Ток, протекающий в проводящей петле, создает магнитное поле, а магнитное поле генерирует ток в проводящей петле. Величина тока пропорциональна площади внутри петли
  • Индуктивность препятствует протеканию тока. Длинные, тонкие следы имеют большую индуктивность, чем короткие, толстые следы
  • Конденсатор последовательно с индуктором создает резонансный контур

Трассы, ведущие к неинвертирующей петле входа и обратной связи, были проложены далеко от трассы источника питания и аудиовыхода, чтобы предотвратить возникновение сильных токов в слаботочных трассах. Если прокладка трассы с малым током вблизи трассы с сильным током неизбежна, используйте их под углом 90 °, но никогда не параллельно. Если вы разместите клеммы для цепей с высоким и низким током на противоположных сторонах печатной платы, их будет проще расположить далеко друг от друга.

Любое пространство между следами одной и той же цепи создаст проводящую петлю, которая восприимчива к приему или передаче магнитных полей. Чтобы избежать этого, я проложил положительные и отрицательные следы электропитания близко друг к другу, и использовал заземления в нижней части платы. Когда трассы проложены над земной плоскостью, ширина петли уменьшается до толщины печатной платы.

Поскольку заземление питания и сигнальное заземление необходимо хранить раздельно, на нижней стороне печатной платы есть две плоскости заземления, которые не связаны электрически. Одна земля заземления несет заземление питания, а другая земля заземления несет заземление сигнала. На верхней стороне печатной платы трассы источника питания, выход и сеть Zobel проложены через плоскость заземления. Трассировки контуров входа и обратной связи проходят через плоскость заземления сигнала.

Конденсатор последовательно с индуктором создает резонансный контур, который может вызывать колебания. Индуктивность также препятствует протеканию тока. Чтобы уменьшить влияние индуктивности, лучше, чтобы все следы были как можно короче. Это особенно важно для развязывающих конденсаторов блока питания, контура обратной связи и сети Zobel. Все они размещены как можно ближе к контактам чипа, чтобы сократить длину трассы.

СБОРКА УСИЛИТЕЛЯ

Сборка печатной платы довольно проста. Вот компоненты и печатная плата перед пайкой:

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - Усилитель в разобранном виде

Обычно проще сначала спаять меньшие компоненты, а затем перейти к более крупным компонентам. Я использую замазку под названием  Sticky-Tac,  чтобы удерживать компоненты на верхней части печатной платы при пайке с нижней стороны.

Если вы можете, используйте эвтектический припой 63/37 вместо 60/40 оловянно-свинцового припоя. Эвтектический припой имеет меньший диапазон плавления, что ускоряет схватывание паяной связи и дает более прочную связь. Диапазон плавления припоя 60/40 довольно широк, и он становится пастообразным в нижней части диапазона. Если компонент перемещается в пастообразной фазе, соединение будет слабым и может образовать соединение холодного припоя.

Также неплохо использовать мелкозернистую наждачную бумагу, чтобы удалить любые окисления из проводов компонентов перед пайкой.

Вот один канал моего усилителя после пайки компонентов:

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - Собранный усилитель

КОРПУС УСИЛИТЕЛЯ / ШАССИ

Металлические корпуса являются наиболее часто используемыми, поскольку они обеспечивают наилучшую защиту от флуоресцентного света, радиочастот и помех от сотовых телефонов. Это может быть трудно найти тот, который подходит, хотя. Я рекомендую корпуса от Hi-Fi 2000, итальянской компании, которая предлагает красивые корпуса различных размеров. www.modushop.biz Веб-сайт на итальянском, но вы можете изменить язык на английский. Они также делают заказную печать, гравировку и сверление. Я заказал корпус Galaxy 330 мм х 280 мм с передней панелью из анодированного алюминия 10 мм, и он выглядит великолепно:

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - шасси усилителя

Но если у вас ограниченный бюджет, их экономическая линия тоже выглядит очень хорошо. Модель  Economica 280 мм x 250 мм а также подходит для стереофонического усилителя TDA2050:

Полная конструкция и конструкция усилителя TDA2050 - шасси

ПРОВОДКА УСИЛИТЕЛЯ

На приведенной ниже схеме показано, как я подключил усилитель к корпусу:

Как спроектировать усилитель звука Hi-Fi с TDA2050 - мастер схема

Чтобы избежать помех от магнитных полей, старайтесь держать чувствительные входные и сигнальные провода вдали от проводов источника питания, выходных проводов динамика, трансформатора, проводов переменного тока и выпрямительных диодов на источнике питания.

Чтобы свести к минимуму площадь петли, следующие провода должны быть плотно скручены на максимально возможном расстоянии:

  • Переменный ток и нейтральные провода переменного тока к трансформатору
  • Провода 0 В и вторичного напряжения от трансформатора к источнику питания
  • V +, V- и провода заземления от источника питания к плате усилителя
  • Выход динамика и земля динамика
  • Аудио вход и аудио вход земля

Три провода питания (положительный, отрицательный и заземление) проходят к каждой плате усилителя. Эти провода должны быть толстыми и максимально короткими, чтобы минимизировать индуктивность. Я использовал 14 AWG, но все, что больше 18 AWG, должно подойти.

Аудиовходы и провода заземления сигнала не пропускают большой ток, поэтому они могут быть тонкими. Solid core 22 AWG работает очень хорошо и его легко скрутить.

Для защиты от короткого замыкания провод заземления должен быть прикреплен к шасси болтом, контргайкой и кольцевой клеммой. Обязательно удалите с корпуса любую краску или анодированный материал, чтобы получить хорошее электрическое соединение. Все металлические части (например, радиаторы) также должны быть электрически подключены к шасси.

Заземление аудиовхода и заземление динамика подключены непосредственно от клемм на корпусе к заземлению основной системы.

Аудио входные кабели от источника могут улавливать случайные электромагнитные помехи. Чтобы отфильтровать это, вы можете установить конденсатор 1 нФ на каждой входной клемме от положительной стороны до земли.

СХЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Полное проектирование и изготовление усилителя TDA2050 - Печатная плата защиты контура заземления в сборе

Контур заземления - это ток, который течет от источника звука к усилителю через заземляющий экран входных аудиокабелей. Этот ток будет улавливаться на входе усилителя и вызывать раздражающий гул. Вы можете использовать дополнительную цепь, расположенную между заземлением основной системы и соединением шасси, чтобы отключить ток контура заземления:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема защиты от замыкания на землю

ПРИМЕЧАНИЕ: ЭТА ЦЕПЬ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ЮРИДИЧЕСКОЙ В ВАШЕЙ ОБЛАСТИ. ПОЖАЛУЙСТА, ПРОВЕРЬТЕ ЛОКАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОДЫ ИЛИ ОБРАТИТЕСЬ К ЭЛЕКТРИКУ, ПРЕЖДЕ ЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ НАЗЕМНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕТЛИ

При нормальных условиях работы токи контура заземления низкого напряжения протекают через резистор (R1). Резистор уменьшает этот ток и разрывает контур заземления. В случае сильного короткого замыкания ток короткого замыкания может протекать через диодный мост к земле. Конденсатор фильтрует любые радиочастоты, улавливаемые шасси.

Заземление основной системы подключается к цепи защиты контура заземления на клемме «PSU 0V». Затем цепь защиты контура заземления подключается к шасси от клеммы «Шасси». Соединение с шасси может осуществляться с помощью того же болта, где соединяется провод заземления, или в другом месте.

Если вы используете цепь защиты контура заземления, обязательно изолируйте все входные и выходные разъемы от корпуса. В противном случае будет прямой путь от заземления основной системы к шасси, и цепь защиты контура заземления будет полностью обойдена.

Схема защиты контура заземления может быть жестко смонтирована, но немного сложнее установить компоненты на печатную плату:

Как спроектировать усилитель Hi-Fi аудио с LM3886 - Схема платы защиты заземления

Нажмите на изображение, чтобы отредактировать макет, изменить посадочные места компонентов и заказать печатные платы.

КАК ЭТО ЗВУЧИТ?

В целом усилитель звучит великолепно. Бас, средние и высокие частоты очень четкие и хорошо сбалансированные. У этого также есть много власти. В моей гостиной более чем достаточно громкости для прослушивания. При включенном усилителе и включенном в него источнике нет гула или шума.

Хотя качество звука TDA2050 может не соответствовать нашему проекту усилителя Hi-Fi LM3886 , оно все равно звучит очень хорошо. Если это ваша первая сборка усилителя, я бы посоветовал начать с наших  проектов стереофонических или мостовых усилителей TDA2003,  поскольку их довольно легко собрать.