Это первый из трех запланированных мной (и гугл-транслейтом) переводов статей сайта circuitbasics.com. На сайте выложены очень интересные статьи про создание усилителей. Мне язык оригинала не мешает, но хотелось бы добавить в русскоязычные анналы истории эти замечательные статьи в противовес к надуванию щек на вегалабе и других сайтах, где невозможно добиться комментария по какому-либо элементу выбранной схемы.

В статье используются авторские (с оригинального сайта) реферальные ссылки на внешние источники. Я умышленно их оставляю нетронутыми, чтобы таким образом поблагодарить автора за его очень нужный труд.

Ссылка на оригинальную статью : http://www.circuitbasics.com/complete-guide-to-build-a-10w-amplifier-with-the-tda2003/

Примечание: для этого проекта доступны печатные платы стереофонических и мостовых усилителей.

TDA2003 - это недорогая микросхема усилителя звуковой частоты, которая может издавать действительно приятные звуки. Обычно она используется для автомобильных аудиоусилителей, но она также отлично работает в качестве усилителя для спальни или в любом другом месте, где вам нужен хороший звук без излишней мощности.

В этом уроке я покажу вам, как построить два разных усилителя на базе TDA2003. Первый - это стереоусилитель, который будет выдавать 7 Вт на канал. Второй - мостовой усилитель, который может выдавать 14 Вт на канал.

Если у вас его еще нет, я рекомендую скачать и прочитать даташит для TDA2003. На самом деле есть два разных даташита. Спецификация ST Microelectronics является исходной таблицей производителя, но в спецификации Contek есть дополнительные схемы для мостового усилителя:

Даташит ST Microelectronics TDA2003

Даташит Contek TDA2003

Вот схема распиновки TDA2003:

Пины:

  • источник напряжения
  • Выход
  • Земля
  • Инвертирующий вход
  • Неинвертирующий вход
    Площадка подсоединена к 3 пину

Усилитель стерео TDA2003

Этот стереоусилитель будет выдавать около 7 Вт на канал на 2-омные громкоговорители с источником питания 12 В, но при большем напряжении питания можно получить больше мощности.

БОНУС: Загрузите мой список деталей, чтобы увидеть компоненты, которые я использовал, чтобы получить действительно хорошее качество звука от этих усилителей.

Посмотрите короткое видео, где я объясняю некоторые принципы проектирования и подключаю его, чтобы вы могли услышать, как это звучит:

Видео переводить не буду :)

Схема усилителя стерео

схема усилителя TDA2003
схема усилителя TDA2003

Эта схема аналогична той, что приведена в даташите, но в ней есть пара дополнительных элементов, которые помогают снизить уровень шума:

  • Конденсаторы C15 и C17: уменьшают гул, вызванный радиочастотными помехами.
  • Резисторы R9 и R10: Предотвратить громкий гудящий звук, когда источник не подключен.

Настройка усиления

Усиление левого канала устанавливается резисторами R1 и R2, а усиление правого канала - R6 и R7. Усиление установлено на отношение Vo (Выходное напряжение) / Vi (Входное напряжение) = 101 на обоих каналах, но вы можете изменить его, используя разные значения для R1 и R6. Используйте формулу ниже, чтобы найти значения сопротивления для желаемого усиления:

Левый канал:

\(
R1 = (G_{v} - 1) \times R2
\\G_{v}= Коэффициент\ усиления\ по\ напряжению,\ \frac{V_{o}}{V_{i}}
\)

Правый канал:

\(
R6 = (G_{v} - 1) \times R7
\)

Коэффициент усиления по напряжению можно рассматривать как коэффициент усиления или во сколько раз усиливается входной сигнал.

Вы можете рассчитать усиление, которое вы получите с определенным набором резисторов, по следующей формуле:

Левый канал:

\( G_{v}= \frac{R1+R2}{R2} \)

Правый канал:

\( G_{v}= \frac{R6+R7}{R7} \)

Важно использовать резисторы с малым допуском для R1, R2, R6 и R7. Если их сопротивления не точны, усиление будет различным для каждого канала и сделает одну сторону громче другой. Лучшим выбором будут металлопленочные резисторы точностью 0,1%.

Настройка полосы пропускания

Полоса пропускания усилителя определяет, какие частоты усиливаются, а какие игнорируются. TDA2003 имеет фильтр нижних частот резистор-конденсатор (RC фильтр) на выходе, который отфильтровывает все частоты выше определенной частоты среза (Fc). Все частоты ниже частоты среза передаются на динамики.

Фильтр нижних частот сформирован C6 и R4 в левом канале и C11 и R5 в правом канале. Вы можете рассчитать частоту среза с помощью этого уравнения:

\(
F_{c}= \frac{1}{2 \pi RC} \\F_{c} = частота\ среза\ в\ Гц \\R= сопротивление\ R4\ или\ R5\ в\ Омах \\C = Емкость\ С6\ или\ С1\ в\ Фарадах
\)

Например, если усилитель имеет C6 и C11 = 39 нФ; и R4 и R5 = 39 Ом. Частота среза составит:

\(
F_{c}= \frac{1}{2 \times \pi \times 39 \Omega \times 0.000000039 F}
\\=\frac{1}{0.0000096}
\\=104,638 \ Hz
\)

Таким образом, все частоты выше 104,6 кГц отфильтровываются, а частоты ниже 104 кГц выводятся на динамики. Если вы хотите поэкспериментировать с более высокими или более низкими частотами среза, приведенное выше уравнение можно изменить, чтобы определить значение резистора или конденсатора в зависимости от желаемой частоты отсечки.

Конденсаторы развязки источника питания

Конденсаторы C7 и C3 в левом канале и C9 и C10 в правом канале являются блокирующими конденсаторами источника питания. Они обеспечивают быструю и длительную подачу тока к микросхеме в периоды высокой мощности, а также фильтруют электромагнитные помехи в источнике питания. Вы можете использовать другие значения, отличные от показанных на схеме, но каждая микросхема должна иметь, по крайней мере, один конденсатор малого значения между 1 мкФ и 100 нФ и один конденсатор большего значения больше, чем примерно 47 мкФ.

Уровень басов

TDA2003 обладает отличной высокочастотной характеристикой, но в текущей схеме бас может быть немного слабым на вкус некоторых людей. Один из способов выровнять ачх на басах - увеличить размер выходных конденсаторов (C4 и C12). (С4 и С12 тут - фильтр нижних частот и защита от постоянки - прим.перев.) Вы можете поднять значения до 2000 мкФ или 4700 мкФ и даже выше, если позволяет пространство.

Также, чтобы получить лучший отклик низких частот (при большой басовой атаке - прим.перев.) нужно увеличить размер бОльших разделительных конденсаторов, C7 и C10. Эти конденсаторы действуют как резервуар энергии в периоды продолжительного непрерывного звучания звуков низких частот, поэтому более высокие значения позволят усилителю лучше справляться с тяжелыми басами.

Макет печатной платы

Ниже я объясню некоторые концепции, которые вошли в дизайн печатной платы, которую я использовал для моего стереофонического усилителя TDA2003.

Печатная плата была разработана с помощью онлайн-инструмента EasyEDA для редактирования печатных плат. EasyEDA - это полный пакет программ и услуг по разработке / изготовлению печатных плат, который можно использовать бесплатно и предлагает отличные цены на изготовление печатных плат на заказ. Нажмите на изображение ниже, чтобы редактировать компоновку, компоненты и порядок печатных плат:

Примечание. Метки компонентов на печатной плате соответствуют меткам на схеме выше.

Заказ печатной платы

Чтобы заказать печатную плату в EasyEDA, нажмите кнопку «Производство» в окне редактора печатной платы. Это приведет вас на страницу, где вы можете настроить такие параметры, как толщина печатной платы и меди, цвет и установить количество:

Я (автор статьи - прим.перев.) заказал 5 печатных плат за 17,10 долларов США, и они прибыли примерно через 10 дней. Качество отличное. Все следы проходят точно, и печать очень четкая. Вот печатная плата после изготовления:

Советы по дизайну печатной платы

Разделительные конденсаторы блока питания расположены прямо напротив контакта напряжения питания TDA2003 (контакт 5). Это должно уменьшить длину дорожек, соединяющих конденсаторы с чипом. Более длинные дорожки имеют большую паразитную индуктивность , которая препятствует протеканию тока.

Паразитная индуктивность также может вызвать самовозбуждение усилителя, когда конденсатор соединен длинной дорожкой. Самовозбуждение создаст шум на выходе усилителя и может привести к его перегреву. Вы можете избежать этого, держа компоненты близко к чипу и используя короткие дорожки.

Работа с TDA2003 может быть немного сложнее, когда дело доходит до заземления. Плохо спроектированные схемы заземления являются распространенным источником шума и гула. Чтобы свести к минимуму шум, заземление сильноточного источника питания и выхода должно быть отделено от заземления входа и контура обратной связи. Это может быть достигнуто с использованием разводки земли звездой . Я использовал разводку земли звездой на земляном полигоне на нижнем слое печатной платы. В разводке заземления звездой каждый логический элемент имеет отдельный путь к центральной точке заземления. На этой печатной плате клемма, к которой подключен отрицательный вход постоянного тока, служит центральной точкой заземления.

Земляные полигоны помогают уменьшить шум, потому что они защищают цепь от радиочастот.

Дополнительные советы по дизайну печатных плат можно найти в нашей статье «Как изготовить печатную плату на заказ» .

Вот компоненты стерео усилителя TDA2003 и PCB перед пайкой:

Вот усилитель после пайки компонентов:

TDA2003 мостовой усилитель

В мостовой конфигурации два чипа усилителя питают один динамик. Выход одной микросхемы управляет положительным проводом динамика, а другой чип - отрицательным проводом динамика. Выход одной микросхемы не совпадает по фазе с другой микросхемой на 180 °, поэтому, когда выходное напряжение одной микросхемы положительное, выходное напряжение другой микросхемы отрицательное. Это приводит к удвоению выходного напряжения и удвоению выходной мощности в динамике с удвоенным сопротивлением. Например, в приведенном выше стереоусилителе мы получили 7 Вт на канал с источником питания 12 В и динамиками 2 Ом. В мостовом режиме мы получили бы 14 Вт на динамик 4 Ом с тем же источником питания.

Посмотрите видео с кратким описанием сборки и узнайте, как звучит готовый усилитель:

Схема мостового усилителя

Настройка усиления

Резисторы R2 и R5 устанавливают коэффициент усиления усилителя. Используя ту же формулу, которую мы использовали для расчета усиления стереоусилителя, усиление этого усилителя составляет:

\(
G_{v}= \frac{R2+R5}{R5}
\\=\frac{200 \Omega + 16 \Omega}{16 \Omega}
\\= 13.5 \ \frac{V_{o}}{V_{i}} \)

Вы можете увеличить или уменьшить усиление, изменив значение R2, но я обнаружил, что 13,5 Vo / Vi - хорошая настройка усиления для прослушивания в спальне.

Настройка ширины пропускания

Как и стереоусилитель, мостовой усилитель имеет RC-фильтр низких частот на выходе. R6 и C6 образуют фильтр. Частота среза рассчитывается так же:

\(
F_{c}=\frac{1}{2 \pi RC}
\)

При R6 = 10 Ом и C6 = 100 нФ частота среза этого фильтра составляет:

\(
F_{c}=\frac{1}{2 \pi RC} \\=\frac{1}{2 \times \pi \times 10 \Omega \times 0.0000001F}
\\=\frac{1}{0.00000628}
\\=159,155 \ Hz
\)

Таким образом, все частоты ниже 159 кГц будут передаваться на динамик.

Макет печатной платы

Вот мостовая схема усилителя для одного канала. Для мостового стереоусилителя вам просто нужно создать отдельную печатную плату для каждого канала:

Метки компонентов на печатной плате соответствуют меткам на схеме выше.

Нажмите на изображение выше, чтобы редактировать компоновку, изменять посадочные места компонентов и заказать печатные платы .

Вот плата, которую я заказал для мостового усилителя:

Это компоненты усилителя и печатной платы перед пайкой:

Вот усилитель после сборки:

Выбор компонентов

Компоненты, которые вы используете в своем усилителе, будут иметь большое влияние на качество звука. Информация ниже должна помочь вам получить лучшее звучание.

Резисторы

Металлопленочные резисторы - лучший выбор для аудио. Они менее шумные, чем стандартные углеродные (кремниевые) резисторы, и доступны в более низких допусках. Лучшие резисторы будут иметь меньший допуск и более низкие температурные коэффициенты. Более дорогие аудиорезисторы, такие как серии Vishay-Dale PTF или Welwyn RC, хороши, но вы, вероятно, не заметите большой разницы с более дешевыми металлическими пленками от TE Connectivity или KOA Speer.

Конденсаторы

Конденсаторы могут быть очень дорогими, если вы выбираете высококачественные аудиофильские бренды. Тем не менее, вы все равно можете получить отличный звук от менее дорогих. Для конденсаторов небольшого размера менее 1 нФ полистирол - ваш лучший выбор. Для значений от 1 нФ до 4 мкФ лучше всего подходят полипропиленовые пленочные конденсаторы. Полипропиленовые конденсаторы Wima MKP хороши (и дешевы) для развязывающих конденсаторов 100 нФ. Для конденсаторов с большим значением электролиты являются единственным вариантом. Серия Panasonic FC - отличное соотношение цены и качества, но на шаг впереди - более дорогие конденсаторы Nichicon KZ или Elna Silmic II.

Источник питания

TDA2003 требует не менее 8 В постоянного напряжения и может справиться с питанием вплоть до 18 В постоянного напряжения на одну микросхему. Более высокое напряжение даст вам больше выходной мощности. На рисунке 3 в таблице приведены кривые выходной мощности и напряжения питания для данного полного сопротивления динамика:

Я использовал блок питания 12 В, 400 мА, который взял от старой электробритвы, и он отлично работает:

При таком источнике питания стереоусилитель TDA2003 будет выдавать около 7 Вт на колонки с сопротивлением 2 Ом, а мостовой усилитель - около 14 Вт на колонки с сопротивлением 4 Ом.

Отвод тепла

Каждый чип TDA2003 должен быть прикреплен к радиатору для рассеивания выделяемого тепла. Без радиатора микросхема очень быстро очень сильно нагревается и становится необратимо поврежденной. Алюминиевый радиатор около 150 х 60 х 25 мм должен хорошо работать для двух чипов.

Металлический язычок на задней панели TDA2003 соединен с контактом заземления (контакт 3). Если вы подключаете две микросхемы к одному и тому же радиатору, лучше всего изолировать их электрически с помощью изолирующей шайбы и прокладки, чтобы предотвратить гул. Для лучшего отвода тепла используйте термопасту на обратной стороне чипа, изолирующую прокладку и радиатор.

Для стереоусилителя я использовал радиатор процессора, спасенный от старого персонального компьютера Dell, который я нашел в специализированном магазине:

Это мостовой усилитель, подключенный к другому радиатору, спасенному с того же компьютера:

Совет для профессионалов: Старые персональные компьютеры содержат множество полезных компонентов, которые вы можете использовать в сборке усилителя, что сэкономит вам деньги. Один компьютер может иметь до четырех радиаторов, изолирующих шайб, пару вентиляторов, разъем IEC и шнур питания, а также множество крепежных элементов.

Корпус

Установка готового усилителя в корпус или коробку - хороший способ сделать его более удобным для пользователя, и он будет выглядеть намного приятнее. Вы можете использовать любой тип коробки в зависимости от того, что вы можете найти, но металлические корпуса предпочтительнее, поскольку они обеспечивают защиту от помех, вызываемых флуоресцентными лампами, радиоприемниками и сотовыми телефонами.

Мой любимый источник для корпусов - Hi-Fi 2000. У них есть несколько очень доступных и привлекательных корпусов, которые подходят для стереофонического и мостового усилителя, например, их экономичная модель 180 x 150 мм :

Для более презентабельного корпуса их шасси Galaxy размером 124 x 170 также подходят для любого усилителя:

Как они звучат?

Оба усилителя звучат великолепно. Средние частоты очень детализированы, а максимумы совсем не резкие. Басу не хватает панча, но общий звук очень хорошо сбалансирован. Стереоусилитель звучит немного чище, чем мостовой усилитель, но мостовой усилитель обладает заметно большей мощностью. Однако оба усилителя имеют более чем достаточно мощности для прослушивания в спальне. Это отличный проект, если вы никогда не создавали усилитель.

Если вы хотите что-то немного более мощное, чем эти усилители, ознакомьтесь с нашим руководством «Как проектировать и построить усилитель с TDA2050», где мы собираем стереофонический усилитель TDA2050 мощностью 25 Вт.

Если вы ищете качественный аудиофильский звук, у нас также есть руководство по сборке усилителя Hi-Fi LM3886 мощностью 40 Вт . Эти усилители немного сложнее, чем TDA2003, поэтому, если это ваш первый проект на микросхемных усилителях, я определенно рекомендую начать с TDA2003.

Что ж, спасибо за чтение и надеюсь, что вы получили что-то из этой статьи. Если у вас есть какие-либо вопросы, обязательно сообщите нам об этом в комментариях …

Я, конечно, съежился (вместе с гугл-транслейтом), переводя про то, как звучат средние частоты. (подробнее об этом - в моей статье “Зачем замерять усилители”). Но в целом, статья полезная. В следующих статьях автор раскрывает гораздо больше деталей и логики создания усилителя. Я надеюсь, что создам на базе этой статьи усилитель, обязательно замеряю его характеристики и выложу тут.