TDA2030A — усилитель мощности звука на 18 Вт

Распиновка TDA2030A

Металлический фланец соединён с выводом 3. При двухполярном питании на нём −Vs, поэтому радиатор нельзя без изолирующей прокладки прикручивать к шасси, соединённому с общим проводом: минусовое плечо питания окажется замкнутым на общий провод. При однополярном питании вывод 3 и фланец — это общий провод. Диаметр монтажного отверстия во фланце — 3,65–3,85 мм, масса микросхемы — 2 г (рис. 31 даташита).

Предельные режимы

Табл. 3 (Absolute maximum ratings) и табл. 2 (Thermal data) даташита. Работа на этих значениях не гарантируется — это границы, за которыми микросхема может выйти из строя, подробнее — в статье «Предельные режимы».

Электрические характеристики

Табл. 4 (Electrical characteristics): испытательная схема рис. 3, питание ±16 В, температура 25 °C, если не указано иное.

Ток покоя 50 мА при ±16 В — это около 1,6 Вт тепла уже без сигнала: 32 В · 0,05 А, а при наибольших 80 мА — около 2,6 Вт. Усиление 26 дБ в испытательной схеме (рис. 3) задают резисторы 13 кОм и 680 Ом: 1 + 13 000 / 680 ≈ 20,1, то есть 26 дБ. Пересчёт разов в децибелы — в калькуляторе децибел.

Схема включения с двухполярным питанием

Рекомендованная ST схема — рис. 17 даташита (она же рис. 1 на первой странице), а табл. 7 объясняет назначение каждой детали и что будет, если номинал изменить.

Как соединено. Сигнал через C1 приходит на неинвертирующий вход (вывод 1), резистор R3 соединяет этот вход с общим проводом. С выхода (вывод 4) на инвертирующий вход (вывод 2) идёт резистор обратной связи R1, а от вывода 2 на общий провод — R2 последовательно с C2. Плюс питания — на вывод 5, минус — на вывод 3; по табл. 7 каждое плечо блокируют конденсаторами 100 мкФ (C5, C6) и 0,1 мкФ (C3, C4). Диод D1 включён от выхода к +Vs, D2 — от −Vs к выходу. С выхода на общий провод — цепочка R4 и C7, параллельно ей динамик; разделительный конденсатор на выходе не нужен.

Усиление считается так же, как у неинвертирующего усилителя на ОУ:

Требование ST — больше 24 дБ, то есть больше 15,8 раза. При R1 = 22 кОм это значит, что R2 не должен превышать примерно 1,5 кОм. Конденсатор C2 развязывает R2 по постоянному току, и по постоянному напряжению каскад усиливает в единицу.

Нижняя граничная частота задаётся двумя RC-цепями: C2 с R2 — 1 / (2π · 680 Ом · 22 мкФ) ≈ 10,6 Гц, C1 с R3 — 1 / (2π · 22 кОм · 1 мкФ) ≈ 7,2 Гц. Спады обеих цепей складываются, и вместе они ослабляют сигнал на 3 дБ около 14 Гц — выше каждой частоты по отдельности. Другие номиналы удобно пересчитать калькулятором RC-фильтра.

Верхнюю границу полосы задают R5 и C8: они включены последовательно, параллельно R1 (на рис. 17 нарисованы пунктиром). B в формуле для C8 — нужная полоса: например, для 20 кГц при R1 = 22 кОм получается около 360 пФ, а R5 ≈ 3 · 680 Ом ≈ 2 кОм.

Схема включения с однополярным питанием

Рис. 4 даташита (Single supply amplifier). Вывод 3 здесь соединён с общим проводом, а на входы подаётся половина напряжения питания, поэтому выход находится под постоянным напряжением около половины питания и динамик подключают через конденсатор.

Усиление этой схемы — 1 + 100 / 4,7 ≈ 22,3, или около 27 дБ. Снизу полосу ограничивают две цепи: 2,2 мкФ с 4,7 кОм в обратной связи — 1 / (2π · 4,7 кОм · 2,2 мкФ) ≈ 15,4 Гц — и выходной конденсатор 2200 мкФ с динамиком 4 Ом — 1 / (2π · 4 Ом · 2200 мкФ) ≈ 18 Гц. Вместе они дают спад на 3 дБ около 26 Гц. С динамиком 8 Ом частота выходной цепи вдвое ниже, около 9 Гц, но общая граница опускается только до 19 Гц: теперь её держит цепь обратной связи.

Выходная мощность и напряжение питания

Все значения — при искажениях 0,5 %, усилении 26 дБ и частотах 40–15 000 Гц. На рис. 6 по оси отложено полное напряжение питания: 32 В соответствуют ±16 В из табл. 4. Значения со знаком «≈» сняты с графика.

Кривая для 4 Ом на рис. 6 доведена только до 36 В. Больше мощности ST получает другими схемами:

• С внешней комплементарной парой BD907/BD908 (рис. 15, табл. 5) TDA2030A работает как драйвер мощных транзисторов. При однополярном питании 36 В на 4 Ом это 28 Вт при искажениях 0,5 % и 35 Вт при 10 %, при 39 В — 35 и 44 Вт. Усиление этой схемы — 20 дБ, питание — до 44 В. Подробнее о таких парах — в статье «Комплементарная пара».
• Две микросхемы в мостовой схеме (рис. 19): динамик 8 Ом включён между выходами, мощность — 34 Вт при ±16 В.

Защита от короткого замыкания и перегрева

Короткое замыкание. Схема защиты ограничивает ток выходных транзисторов так, чтобы их рабочая точка оставалась в области безопасной работы; ST называет это ограничением пиковой мощности, а не простым ограничением тока. Формулировка осторожная: защита уменьшает вероятность повреждения при случайном замыкании выхода на общий провод, но не обещает, что микросхема выдержит его всегда.

Тепловая защита. Кристалл не нагревается выше 150 °C (по табл. 4 отключение срабатывает около 145 °C): когда температура доходит до предела, защита снижает рассеиваемую мощность и ток потребления. По словам ST (разд. 7.2), поэтому даже постоянная перегрузка выхода или слишком горячий воздух не повреждают микросхему, а радиатор можно рассчитывать с меньшим запасом, чем для схемы без такой защиты. Защита при этом снижает мощность, поэтому в примере ниже кристалл всё же держим на 15 °C ниже порога.

Расчёт радиатора

Тепло идёт от кристалла через корпус и радиатор в воздух, и тепловые сопротивления на этом пути складываются. Отсюда наибольшее допустимое тепловое сопротивление радиатора — так его считает Texas Instruments в даташитах своих усилителей LM3886 (уравнение 6) и LM1875 (раздел о радиаторе):

где θ_jc = 3 °C/Вт — тепловое сопротивление кристалл–корпус TDA2030A по табл. 2, θ_конт — термопаста или изолирующая прокладка между фланцем и радиатором (из даташита прокладки), P — мощность, которую рассеивает микросхема.

Прямые на рис. 10 даташита ST — допустимая мощность в зависимости от температуры воздуха — с этой формулой совпадают, если взять кристалл 150 °C и θ_jc = 3 °C/Вт. 20 Вт из табл. 3 — это (150 − 90) / 3 при корпусе, нагретом до 90 °C. С радиатором 4 °C/Вт при 25 °C получается (150 − 25) / (3 + 4) ≈ 17,9 Вт, с радиатором 8 °C/Вт — около 11,4 Вт, и так же идут прямые на графике.

Сколько рассеивает микросхема. ST этого для самой TDA2030A не приводит: рис. 14 относится к схеме с транзисторами BD907/BD908. Поэтому возьмём оценку не от ST, а из даташитов другого производителя — TI для LM1875 и LM3886. Для резистивной нагрузки и синусоидального сигнала наибольшая мощность, которую рассеивает микросхема:

где U_п — полное напряжение питания (32 В при ±16 В), R_н — сопротивление нагрузки, P_пок — мощность покоя. TI прямо оговаривает, что это приближение для идеального выходного каскада класса B. Наибольшее тепло выделяется не на полной громкости: по уравнению 3 из даташита LM3886 — при амплитуде выходного напряжения U_п / π. Это выходная мощность около 4/π² ≈ 0,4 от идеальной U² / (2R_н), где U — напряжение одного плеча: при ±16 В на 4 Ом идеальная мощность — 32 Вт, а самый тяжёлый для нагрева режим — около 13 Вт на выходе.

Пример: ±16 В, 4 Ом.

• Выходной каскад: 32² / (2π² · 4) ≈ 13,0 Вт.
• Мощность покоя — по наибольшему току покоя из табл. 4, как в примере TI: 32 В · 0,08 А ≈ 2,6 Вт. Всего около 15,5 Вт.
• Воздух внутри корпуса усилителя — 40 °C. Кристалл держим не выше 130 °C, на 15 °C ниже порога тепловой защиты.
• Радиатор вместе с прокладкой должен иметь тепловое сопротивление не больше (130 − 40) / 15,5 − 3 ≈ 2,8 °C/Вт.

Динамик 8 Ом считайте так же, как нагрузку 4 Ом. С резистором 8 Ом получилось бы около 6,5 + 2,6 ≈ 9 Вт, но динамик — не резистор. TI в даташите LM1875 приводит правило: нагрузка 8 Ом с фазовым сдвигом 60° — худший случай для динамика — греет усилитель примерно как резистор 4 Ом, равный её активной части. Поэтому и для динамика 8 Ом при ±16 В нужен радиатор не хуже примерно 2,8 °C/Вт. Свои значения подставьте в калькулятор радиатора.

Типичные ошибки

Табл. 7 даташита прямо называет, при каких отступлениях от рекомендованной схемы появляется опасность возбуждения — генерации на высоких частотах.

• Нет цепочки R4–C7 на выходе. 1 Ом и 0,22 мкФ с выхода на общий провод ST относит к устойчивости на высоких частотах и предупреждает: с R4 больше рекомендованного возможна генерация с индуктивной нагрузкой. Динамик и есть индуктивная нагрузка.
• Слишком малое усиление. Сноска к табл. 7: усиление с обратной связью должно быть больше 24 дБ. Включить TDA2030A повторителем, как обычный ОУ, нельзя.
• Сэкономили на конденсаторах питания. Меньше 0,1 мкФ и 100 мкФ на каждом плече — по ST, опасность возбуждения.
• R5 меньше примерно 3 · R2 в цепи ограничения полосы R5–C8 — тоже опасность возбуждения.
• Нет диодов D1 и D2. По табл. 7 они защищают микросхему от выбросов напряжения на выходе: диоды включены с выхода на шины +Vs и −Vs и отводят в них такие выбросы.
• Фланец на общем шасси при двухполярном питании. Фланец соединён с −Vs: без изолирующей прокладки это замыкание минусового плеча.
• Напряжение нестабилизированного источника посчитали под нагрузкой. В примере ST (табл. 6) обмотка 24 В даёт под током 1 А 31 В, без нагрузки — 36,2 В, а при сети на 20 % выше — 43,2 В на холостом ходу, почти предел 44 В. Считать нужно по наибольшему напряжению сети и без нагрузки.

TDA2030A, LM386 и PAM8403

Значения для LM386 и PAM8403 — из карточки LM386 и PAM8403.

Мощность в даташитах указана при разных искажениях: у TDA2030A — при 0,5 %, у LM386 — при 10 %, когда сигнал уже заметно ограничен, у PAM8403 — при 10 % и при 1 %. Различаются они и назначением: TDA2030A встречается в усилителях на ватты с питанием ±12…±20 В от трансформатора — в ремонте и при повторении таких схем эта карточка и нужна, — а LM386 и PAM8403 ставят в небольшие устройства с питанием от 5 В, аккумулятора или батареек.