Усилитель мощности звуковой частоты D- класса на микросхеме PAM8610 (2×10 W) — интересное, но не универсальное решение
Обзор посвящен одноплатному стереофоническому мостовому усилителю мощности звуковой частоты (УМЗЧ, УНЧ) класса D на основе микросхемы PAM8610 номинальной мощностью 2 x 10 Вт (в микросхемах усилителей PAM последние две цифры в наименованиях — это и есть мощность на канал). В технической документации указана возможность работы и с мощностью выхода 2 x 15 Вт на нагрузке 4 Ом, но с обязательным теплоотводом (радиатором).
Усилители класса D получили популярность благодаря своему КПД, достигающему 90% и даже выше; что свойственно и этой микросхеме.
Теоретически, микросхема PAM8610 — сплошной позитив: она допускает работу и без выходных фильтров, и без теплоотвода. Тем не менее, среди радиолюбителей она имеет крайне противоречивую репутацию: одним она категорически нравится, другим — категорически нет.
Противники этой микросхемы жалуются, например, что она будто бы много шумит и мешает приёму FM- станций. Так ли это? В этих вопросах тоже будем разбираться!
В обзоре будут приведены технические характеристики микросхемы усилителя низкой частоты PAM8610 , кратко разобраны особенности схемотехники тестируемого одноплатного усилителя, показаны осциллограммы работы усилителя, а также сделаны полезные выводы и критические замечания.
Купить плату усилителя на основе микросхемы PAM8610 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора — около $ 4 с учётом доставки (недорого).
(Двухканальный мостовой усилитель низкой частоты на PAM8610 ; изображение с официального сайта AliExpress , реальное изображение будет иметь отличия)
Схема подключения платы усилителя — достаточно простая и очевидная. Тонкости работы будут изложены далее в обзоре.
Далее перечислены характеристики микросхемы PAM8610 «как таковой», без привязки к данной конкретной плате:
Усилитель D- класса PAM8610 — технические характеристики:
| Максимальная выходная мощность н а канал ( RMS ) * | 10 Вт /канал (VS = 13 V, RL = 8 Ohm ) / 15 Вт /канал (VS = 1 3 V, RL = 4 Ohm ; требуется теплоотвод) |
| Номинальное напряжение питания | 7. 15 В |
| Рекомендуемая частота собственного генератора | 250 кГц (устанавливается внешними элементами) |
| Коэффициент нелинейных искажений | 1 % (VS = 1 2 V, PO = 5 W , RL = 8 Ohm ) |
| Отношение сигнал/шум на выходе (20 Гц — 22 кГц) | 80 дБ (при максимальной выходной мощности) |
| Ток покоя | 20 mA ( тип. ) / 30 mA ( макс. ) / |
Примечание:
* RMS (Rated Maximum Sinusoidal) — Максимальная (предельная) синусоидальная мощность — мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа без физического повреждения. Обычно именно она указывается как номинальная «приличными» производителями (а не пиковая — PMPO).
Полностью все характеристики и типовые схемы включения PAM8610 указаны в техническом описании ( datasheet) PAM8610 (PDF, 330 KB ).
Типовая схема подключения PAM8610 выглядит так (взята из datasheet) :
Схема подключения получается не очень простой из-за обилия навесных элементов; хотя большинство из них — разделительные и блокировочные конденсаторы. Исключение — RC- цепочка 120K и 200 pF , это — времязадающая цепь встроенного генератора импульсов.
Тем не менее, использовать эту микросхему в «голом» виде для самостоятельного монтажа не рекомендуется, хотя бы из-за очень малого шага между контактами (около 0.5 мм).
Теперь — углубимся в практику и обратимся к внешнему виду тестируемого усилителя.
Внешний вид и конструкция одноплатного стерео усилителя класса D на микросхеме PAM8610 с однополярным питанием
Никакой документации в комплекте усилителя не было, но обозначений на самой плате достаточно для её правильного подключения.
По традиции посмотрим сначала на плату усилителя в двух наклонно-диагональных ракурсах:
(кликнуть для увеличения, откроется в новом окне)
Размеры платы — 48*43 мм, высота платы с элементами — 20 мм.
Все внешние соединения осуществляются с помощью клеммников и разъёмов, пайка не требуется, если только сам владелец не осуществит соединения пайкой для лучшей надёжности.
Здесь обратим внимание на несколько деталей.
Первая деталь — чёрный прямоугольный диод D1 чуть левее большого электролита. Этот диод выполняет классическую роль «защиты от дурака» (от переполюсовки питания).
Этот диод — с виду хороший, диод Шоттки (с малым падением напряжения в прямом направлении). Но, к сожалению, он — недостаточно мощный, и при работе усилителя на максимальной мощности падение напряжения оказывается довольно значительным (0.8 — 0.9 В); и сам диод при этом греется весьма существенно. Лучше его закоротить (при условии, что владелец обязуется никогда не перепутывать полярность питания).
Вторая интересная деталь — светодиод D 2, тоже расположенный рядом с электролитом. Он только индицирует факт подачи питания, но и это тоже полезно. Цвет свечения — синий, без излишней яркости.
Вид с противоположной диагонали:
Большой электролитический конденсатор имеет номинал 2200 мкФ*25 В, что вполне разумно и достаточно.
Номинал переменного резистора регулировки громкости — 10 кОм.
На этой фотографии видна ручка регулятора громкости и крепёж для него же (всё это тоже было в комплекте поставки).
На плате заметно, что разъём питания и переменный резистор (регулятор громкости) припаяны слегка кривенько. При наличии паяльника и опыта работы с ним это — поправимо, но я махнул на это рукой: «И так сойдёт!». 🙂
На плате предусмотрены 4 отверстия для её фиксации в каком-либо устройстве. Это — очень мило со стороны производителя. Бывает, что производители забывают об этой «мелочи», и тогда вертишь в руках плату и думаешь: «Куда же тебя засунуть?!» В смысле: «Как же тебя закрепить?» 🙂
Ещё одна крайне интересная деталь: переменный резистор регулятора громкости — не обыкновенный (т.е. одинарный), а сдвоенный.
Казалось бы, всё соответствует логике вещей: раз усилитель — двухканальный (стерео), то и регулятор должен быть сдвоенным?! Но мир — не прост!
На самом деле этот в этом одноплатном усилителе используется электронная регулировка громкости (в микросхеме есть ответственный за это контакт), и для этого используется только половина этого сдвоенного резистора (дальняя от края платы).
Зачем производитель установил в таком случае сдвоенный резистор?! Сильно подозреваю, что просто для повышения механической прочности его крепления на плате (он удерживается не тремя контактами, а шестью).
На плате имеется белый двухконтактный разъём с наименованием «Short Mute». Наименование, как нельзя лучше, объясняет и его назначение, и способ управления.
Теперь пришла пора посмотреть на плату снизу:
Здесь, в общем-то, нет ничего интересного.
Можно только отметить, что металлизация на нижней стороне — почти сплошная и соединена с «Землёй», что весьма полезно для защиты от помех.
Испытания УНЧ класса D на микросхеме PAM8610
При измерениях использовались: импульсный лабораторный блок питания на 30 В (обзор), DDS- генератор сигналов FY6800 (обзор) и осциллограф Hantek DSO5102P ( обзор).
Сначала был замерен ток покоя усилителя. Он составил 26 мА при напряжении питания 12 В (здесь и далее имеется в виду напряжение после диода «защиты от дурака»).
Нагрев усилителя в состоянии покоя — очень небольшой, едва заметный на ощупь.
Было проверено минимальное напряжение работоспособности микросхемы, оно составило 5.9 В (после диода «защиты от дурака»). Естественно, это не может гарантироваться для всех экземпляров микросхемы; лучше ориентироваться на значение 6.5 В и выше.
При снятии осциллограмм звуковых сигналов для подавления сигналов ШИМ (широтно-импульсной модуляции) использовалась RC- цепочка с постоянной времени 10 мкс (1 кОм + 10 нФ). При боевом использовании усилителя эта цепочка не нужна.
Шумы усилителя оказались заметны, но только при установке уровня громкости на максимум, и если ухо вплотную придвинуть к динамику.
При этом в шуме была заметна некоторая систематическая составляющая (легкий призвук, промежуточный между шумом и свистом на частоте нескольких кГц). Зарегистрировать её форму на осциллографе не удалось, так так её уровень был ниже уровня проникновения ШИМ через фильтр.
В целом уровень шума можно оценить, как незначительный и не мешающий прослушиванию даже тихой музыки.
Осциллограммы выходного напряжения «как есть» (без RC- фильтра)
1. Осциллограмма при нулевом сигнале на входе (сигнал снимался не относительно земли, а между плечами выхода):
(здесь и далее — кликнуть для увеличения)
В состоянии покоя на выход подаются взаимоуравновешивающиеся импульсы от положительного и отрицательного плеча.
2 . Осциллограмма при сигнале на входе синус 20 кГц, амплитуда на выходе
40 % от максимума:
В течение каждого полупериода исходного синусоидального сигнала возникает соответствующий «частокол» положительных или отрицательных импульсов.
Чтобы импульсы ШИМ на попадали на колонки, на выходе мощных усилителей обычно ставят LC- фильтры. А в маломощных усилителях роль фильтра выполняет звуковая катушка динамиков; именно так и работает тестируемый усилитель.
Кстати, если в звуковой колонке, кроме обычных динамиков, будут и пьезоизлучатели (бывают в очень дешевых колонках), то могут быть разные неприятные эффекты; в том числе с дымом и/или «бабахом». 🙂
Испытания на мощность и передачу формы сигнала
1. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (8 Ом):
(кликнуть для увеличения)
Выходная мощность составила 8.1 Вт, КПД — 91.5%, что следует оценивать исключительно позитивно.
Однако же нагрев микросхемы стабилизировался на уровне около 72 градусов, что довольно много, если учесть, что нагружен был только один канал.
Тем не менее, поскольку в реальном звуковом сигнале средняя мощность намного ниже пиковой, использование микросхемы с нагрузкой 8 Ом без радиатора можно считать допустимым.
2. Прямоугольник 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда
0.5 от максимальной, нагружен один канал (8 Ом):
На прямоугольнике оказалась лучше заметна «бахрома» от ШИМ-а, прошедшая таки сквозь фильтр. Но в целом сигнал довольно благопристойный.
Посмотрим на передний фронт этого же сигнала:
К сожалению, оценить качество фронта по этой картинке невозможно — он слишком растянут фильтром. А иначе (без фильтра) вообще ничего нельзя было бы увидеть, кроме частокола импульсов ШИМ.
3. Треугольник, пила и обратная пила на частоте 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда
0.5 от максимальной, нагружен один канал (8 Ом):
Теперь, для порядка, проведём короткий по времени тест с нагрузкой 4 Ом.
Короткий — потому, что работа с такой нагрузкой приводит к быстрому нагреву микросхемы, что опасно для её здоровья и жизни (вспомним, что, согласно datasheet , работа с такой нагрузкой требует радиатора, которого на плате нет) .
1. Синус 1 кГц, напряжение питания 12 В, амплитуда — максимальная (на грани клиппинга), нагружен один канал (4 Ом):
Выходная мощность составила 12.8 Вт, а КПД снизился до 81.3%; из-за чего мощность, выделяемая на этой маленькой микросхеме, оказалась значительной, а нагрев — очень быстрым.
Но, поскольку весь эксперимент уложился в 5 секунд, ничего плохого не случилось. Чисто теоретически, микросхема имеет защиту от перегрева, но насколько успешно она работает, не проверялось.
Работа регулировки громкости в усилителе на PAM8610
Как уже упоминалось выше, в микросхеме работает встроенная регулировка громкости. То есть, внутри микросхемы имеется блок, осуществляющий преобразование напряжения в коэффициент усиления, а напряжение на управляющем входе задаётся переменным резистором. В этом случае на переменный резистор подаётся некое опорное напряжение, а резистор его регулирует и подаёт на управляющий вход микросхемы.
Более традиционная схема регулировки громкости — это когда на сам переменный резистор подаётся напряжение сигнала, а переменный резистор выступает в качестве делителя.
Согласно datasheet , регулировка громкости в усилителе PAM8610 — не плавная, а ступенчатая. Количество ступеней — 32, они регулируют усиление в пределах от минус 75 дБ до +32 дБ.
В качестве опорного напряжения для переменника регулировки громкости используется напряжение 5 В, которое берётся с выхода AVDD микросхемы (контакт 3).
Для проверки регулировки громкости на вход подавался синусоидальный сигнал 1 кГц, а к выходу был подключен осциллограф с медленной разверткой (0.4 с/деление). При этом я по возможности равномерно вращал ручку регулировки громкости в сторону увеличения.
И вот что получилось на осциллографе:
Равномерного движения оси переменника у меня не получилось, но картина на все 100% подтверждает наличие именно ступенчатой регулировки громкости.
При прослушивании монотонного сигнала (синуса) ступенчатость регулировки хорошо заметна, но при прослушивании реальной музыки она становится практически незаметной.
При этом обнаружилась проблема (видимо, решаемая): уровень максимальной громкости достигается раньше, чем ручка регулировки доходит до конца области вращения.
В результате примерно на последней четверти области вращения оси не происходит никакого изменения громкости (вращение вхолостую, т.к. максимум уже достигнут). Такая работа регулятора создаёт некоторый психологический дискомфорт в процессе регулировки (ручку вращаешь, а ничего не меняется!).
Возможные варианты решения проблемы:
1. Снизить опорное напряжение на переменнике, доработав плату вручную и добавив дополнительный резистор.
2. Просто установить громкость на максимум, а реально регулировать громкость с помощью внешнего сдвоенного переменника по «традиционной» схеме.
Амплитудно-частотная характеристика УНЧ на PAM8610
Амплитудно-частотная характеристики снималась методом подачи на вход сигнала с линейно-нарастающей частотой от 10 Гц до 3 0000 Гц; при этом записывалась осциллограмма в режиме медленной развёртки (8 с/деление).
И вот что получилось:
Один цикл прохождения полосы частот 10 Гц — 3 0 кГц обведён красной рамкой, он и представляет собой АЧХ в данном диапазоне.
АЧХ получилась превосходной, особенно в полосе до 20 кГц.
Небольшой завал в области высоких частот связан, видимо, не столько со свойствами усилителя, сколько с работой установленного на время снятия характеристик RC- фильтра.
Что касается характеристики в области низких частот, то полоса пропускания на уровне -3 дБ начиналась от 15 Гц, что очень неплохо.
Проверка на радиопомехи
Для этой проверки был проведён очень простой тест: к усилителю был подключен плеер с проверенным уверенным приёмом FM- станций.
Проверка подтвердила, что усилитель создаёт значительные помехи приёму FM- станций. Подавляющее большинство станций при этом стали работать с неприемлемым качеством звука.
Итог: усилитель не рекомендуется применять в комплексе с радиоприёмниками.
Окончательный диагноз одноплатного усилителя мощности звуковой частоты на микросхеме PAM8610
Протестированный одноплатный усилитель класса D на чипе PAM8610 показал себя с хорошей стороны, и его можно признать пригодным для применения в недорогих бытовых устройствах.
Он имеет неплохое звучание, отличную АЧХ, и, как и у всех усилителей класса D , высокий КПД.
В то же время применение в данном усилителе выходного каскада без LC- фильтров может сделать его источником радиопомех. Их максимальная интенсивность приходится на диапазоны длинных и средних волн; но спектр гармоник от импульсов с крутыми фронтами настолько широк, что они могут доходят и до диапазона FM.
В последнем случае они могут мешать приёму станций, особенно — с низким уровнем сигнала (удалённых от передающей станции).
Уровень помех можно снизить, если соединительные кабели до звуковых колонок сделать по возможности короче. А если динамики расположены в том же корпусе, что и усилитель, то ещё лучше (но вместе с приёмниками всё равно лучше не применять; для этого случая есть масса однокристалльных усилителей класса AB) .
В целом же можно сказать, что не надо пугаться применения этого усилителя; но желательно учитывать его особенности, вскрытые в ходе тестирования (в том числе нюансы регулировки громкости).
Работу усилителя с нагрузкой 4 Ом без установки дополнительного теплоотвода можно считать допустимой только при пониженном напряжении питания (ориентировочно до 9 В).
Купить плату усилителя на основе микросхемы PAM8610 можно на Алиэкспресс, например, здесь. Цена на дату обзора — около $ 4 с учётом доставки (недорого).
Обзоры других усилителей класса D — здесь.
Обзоры усилителей класса AB — здесь.
Весь раздел «Сделай сам! ( DIY) » — здесь.
Вступайте в группу SmartPuls.Ru 
Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Искренне Ваш,
Доктор
11 августа 2021 г.
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Источник