Перейти к содержанию

Мостовое включение нагрузки (BTL)

Микросхема на 5 В выдаёт динамику 3 Вт, хотя с одного выхода на нагрузку 4 Ом от того же питания больше 0,8 Вт не снять. Секрет в мостовом включении: динамик стоит между двумя выходами, которые качаются навстречу друг другу.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Мостовое включение нагрузки (bridge-tied load, BTL) — схема, в которой динамик подключён не между выходом усилителя и землёй, а между двумя выходами, работающими в противофазе. Когда один выход идёт вверх, другой — вниз, и напряжение на нагрузке равно их разности. Так устроены почти все интегральные усилители класса D: TPA3116D2 даёт 2 × 50 Вт на 4 Ом BTL при 21 В, PAM8403 — 3 Вт на 4 Ом при 5 В. По сути это тот же H-мост, что управляет двигателем, только нагрузка — динамик.

Откуда берётся мощность

Однотактный выход от одного питания может качать напряжение лишь между нулём и питанием, поэтому его выход смещают на половину питания — как у LM386 — и подключают динамик через разделительный конденсатор. Амплитуда при этом не больше половины питания. В мостовой схеме размах на нагрузке вдвое больше, а мощность синусоиды P = U²/(2R) растёт вчетверо (наш расчёт):

Включение при 5 В, нагрузка 4 ОмАмплитуда, не большеМощность, не больше
однотактное, выход через конденсатор2,5 В≈ 0,78 Вт
мостовое (BTL)5 В≈ 3,1 Вт

Это идеальные значения без потерь в ключах; у PAM8403 по даташиту Diodes 3,2 Вт выходит уже при THD+N = 10 %, а при 1 % — 2,5 Вт. Есть и бонус: на обоих выходах одинаковая постоянная составляющая — половина питания, — и через динамик она не течёт, поэтому разделительный конденсатор не нужен.

PBTL — два моста параллельно

Стереоусилитель можно превратить в моно с большей мощностью, соединив выходы каналов параллельно. TI для TPA3116D2 описывает режим PBTL: входы левого канала замыкают на землю до включения, выходы OUTPR и OUTNR вместе идут к плюсу динамика, OUTNL и OUTPL — к минусу. Так получают до 100 Вт на нагрузку 2 Ом.

Ни один вывод динамика не земля

Главная практическая особенность BTL: оба провода динамика — выходы усилителя под напряжением, на каждом половина питания плюс сигнал.

  • Не соединяйте минус динамика с землёй и не объединяйте минусы двух каналов в общий провод, как это делают в однотактных схемах. Это короткое замыкание выхода; у TPA3116D2 оно приводит к срабатыванию защиты, выходы уходят в высокоимпедансное состояние, а FAULTZ сообщает об ошибке.
  • Не подключайте заземлённый щуп осциллографа к одному из выходов: его зажим «земли» соединён с землёй прибора и замкнёт выход. Сигнал на динамике измеряют дифференциальным пробником или двумя каналами в режиме разности.
  • Не ставьте готовый усилитель с BTL-выходом на вход другого усилителя через общий провод — для этого нужен линейный выход.

Практическая схема на LM386 и PAM8403 разобрана в статье «Усилитель на LM386», характеристики TPA3116D2 — на его странице.

Частые вопросы

Почему мостовой выход даёт вчетверо больше мощности?

Два выхода качаются в противофазе, поэтому размах напряжения на динамике удваивается. Мощность синусоиды на нагрузке P = U²/(2R), где U — амплитуда; удвоение амплитуды даёт (2U)²/(2R) = 4·U²/(2R), то есть вчетверо больше (наш расчёт). Например, при питании 5 В однотактный выход даёт амплитуду не больше 2,5 В — около 0,78 Вт на 4 Ом, мостовой — до 5 В и около 3,1 Вт.

Можно ли соединить минус динамика с землёй у BTL-усилителя?

Нет. В мостовой схеме ни один вывод динамика не земляной: оба — выходы усилителя, на каждом половина питания и сигнал. Соединение минуса с землёй замыкает один выход на землю; у TPA3116D2 это вызывает срабатывание защиты от короткого замыкания. По той же причине нельзя объединять минусы двух каналов и подключать обычный осциллографический щуп с заземлённым зажимом к одному из выходов.

Что такое PBTL?

Параллельное мостовое включение: два мостовых канала стереоусилителя соединяют параллельно и получают моно на низкоомную нагрузку. У TPA3116D2 по даташиту TI для этого входы левого канала замыкают на землю до включения, выходы OUTPR с OUTNR соединяют для плюса динамика, OUTNL с OUTPL — для минуса, и получают до 100 Вт на 2 Ом.

Источники

  1. Texas Instruments. TPA3116D2, TPA3118D2, TPA3130D2 15-W, 30-W, 50-W Filter-Free Class-D Stereo Amplifier Family With AM Avoidance (SLOS708G, April 2012, revised December 2017) — Features: 2 × 50 Вт на нагрузку 4 Ом BTL при 21 В, 2 × 30 Вт на 8 Ом при 24 В, 2 × 15 Вт на 8 Ом при 15 В; Description: до 100 Вт на 2 Ом в моно; разд. 7.4.1 Mono Mode (PBTL): INPL и INNL на землю без конденсаторов при включении, OUTPR с OUTNR — к плюсу динамика, OUTNL с OUTPL — к минусу, сигнал на INPR и INNR; разд. 7.3.8, табл. 4 Fault Reporting: перегрузка по току — замыкание выхода или замыкание на PVCC или GND, FAULTZ в низком уровне, выходы в высокоимпедансном состоянии, защёлка; разд. 7.3.10: сброс защёлки или автоматический перезапуск через FAULTZ
  2. Diodes Incorporated. PAM8403 Filterless 3W Class-D Stereo Audio Amplifier (DS36439 Rev. 2-3, September 2020) — Features: 3 Вт при THD 10 % на 4 Ом от 5 В; Electrical Characteristics: 3,2 Вт при THD+N 10 % и 2,5 Вт при 1 % (4 Ом, 5 В), выходы OUTL+/OUTL−, OUTR+/OUTR−; Application Note: при работе с LC-фильтрами динамик подключать до подачи питания, без фильтров — ферритовая бусина на проводе динамика
  3. Texas Instruments. LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier (SNAS545D, May 2004, revised August 2023) — Description: входы привязаны к земле, выход автоматически смещается на половину напряжения питания — однотактный выход, динамик подключают через разделительный конденсатор

Нашли ошибку?

Смотрите также