Усилитель на TDA2003 — 6 Вт от 12 вольт в корпусе размером со спичечный коробок

TDA2003 отдаёт на 4 Ом 6 Вт (типовое значение; минимум 5,5 Вт) при искажениях 10 %, питании 14,4 В и частоте 1 кГц. На 2 Ом — 10 Вт (минимум 9 Вт). Условия по даташиту ST, рабочее питание — 8–18 В.

Для чистого звука ориентируйтесь на 4–4,5 Вт: до такой мощности на 4 Ом искажения по даташиту около 0,15 % (типовое значение). Усиление в схеме — 40 дБ (около 100 раз), на входе для 6 Вт нужно примерно 55 мВ.

TDA2003 делали для автомагнитол, и это чувствуется: она переносит переполюсовку питания, короткое замыкание выхода и «плавающую» массу. Отечественный К174УН14 — её аналог по назначению и выводам, так что схема ниже подходит и для него.

Ниже — параметры с условиями, схема, радиатор, питание (в том числе от аккумуляторов), защиты и типовые ошибки.

Что умеет микросхема

Данные — из даташита ST на TDA2003 (редакция октября 1998 года). Условия: питание 14,4 В, температура 25 °C, нагрузка 4 Ом, если не сказано иное. В таблице указано, какое число минимальное, типовое или максимальное.

Параметр	Значение
Рабочее питание	8…18 В; выдерживает 28 В постоянного и 40 В импульсом (50 мс)
Мощность на 4 Ом (искажения 10 %, 1 кГц)	5,5 Вт мин., 6 Вт тип.
Мощность на 2 Ом	9 Вт мин., 10 Вт тип.
Мощность на 3,2 Ом и на 1,6 Ом	7,5 Вт тип. и 12 Вт тип.
Коэффициент гармоник, 4 Ом, 0,05–4,5 Вт	0,15 % тип.
Полоса по уровню −3 дБ (1 Вт, 4 Ом)	40…15 000 Гц тип.
Ток покоя	44 мА тип., 50 мА макс.
Усиление	39,3 дБ мин., 40 дБ тип., 40,3 дБ макс.
Входное сопротивление	70 кОм мин., 150 кОм тип.
Подавление пульсаций питания (100 Гц)	30 дБ мин., 36 дБ тип.
КПД	69 % (6 Вт на 4 Ом), 65 % (10 Вт на 2 Ом)
Допустимая мощность рассеяния	20 Вт при температуре корпуса 90 °C
Тепловое сопротивление кристалл–корпус	не более 3 °C/Вт
Выходной ток	до 3,5 А (повторяющийся)

Оговорка про «10 % искажений»: это уже сильный клиппинг, на слух он неприятен. Для чистого звука берут 4–4,5 Вт.

Выводы Pentawatt: 1 — вход, 2 — цепь обратной связи, 3 — общий (минус), 4 — выход, 5 — плюс питания.

Схема

Номиналы совпадают с типовым включением из даташита. Каждый узел делает своё дело.

• 
  Вход.C1 отсекает постоянную составляющую источника. Входное сопротивление микросхемы 70 кОм (мин.) и 150 кОм (тип.) нагружает даже слабый источник — телефон, плеер — мягко.
• 
  Усиление.Его задают R1 и R2: K = 1 + R1/R2 = 1 + 220/2,2 = 101, то есть 40 дБ. C2 убирает усиление по постоянному току, поэтому выходное напряжение — около половины питания (по даташиту 6,9 В тип. при 14,4 В).
• 
  Выход.Питание однополярное, поэтому динамик подключён через C4. На 4 Ом ёмкость 1000 мкФ даёт срез около 40 Гц. R3 с C5 не даёт усилителю возбуждаться на высоких частотах при длинном проводе к динамику.
• 
  Срез сверху.Цепочка Rx–Cx нужна, чтобы ограничить полосу: Rx ≈ 20 · R2, Cx = 1 / (2π · B · R1), где B — желаемая верхняя частота. Без неё усилитель тоже работает, но чувствительнее к наводкам.

Для полной мощности 6 Вт на 4 Ом нужно по даташиту около 55 мВ на входе; на 0,5 Вт — 14 мВ. Линейный выход телефона отдаёт заметно больше, и громкость придётся ограничивать регулятором.

Радиатор

Микросхема сама уменьшает мощность при перегреве и не сгорает, но играть будет тише. Оценим нагрев по формуле для однополярного каскада P = Vs² / (2π² · RL): 14,4² / (2 · 9,87 · 4) ≈ 2,6 Вт. С током покоя 14,4 · 0,044 ≈ 0,6 Вт получается около 3,3 Вт.

Тепловое сопротивление радиатора считают по формуле RθSA = (Tк − Tокр) / P − RθCS. Пример (условный): корпус до 80 °C, воздух 40 °C, изоляции нет: (80 − 40) / 3,3 ≈ 12 °C/Вт. Температура кристалла при этом около 80 + 3,3 · 3 ≈ 90 °C.

На практике хватит пластины из алюминия площадью порядка нескольких десятков квадратных сантиметров с термопастой. По даташиту электрическая изоляция между корпусом и радиатором не требуется; но радиатор окажется соединён с общим проводом усилителя, и если он касается шасси — учтите это.

Питание

От автомобильной сети или свинцового аккумулятора 12 В усилитель работает без изменений. От сетевого блока подойдёт нестабилизированный источник на 12–15 В и ток от 1 А: микросхема подавляет пульсации (36 дБ тип. на 100 Гц).

Ток считают по формуле I = P / (η · Vs): для 6 Вт, КПД 69 % и 14,4 В это около 0,6 А. Блок берут с запасом.

Два литиевых аккумулятора от старых телефонов дают 7,4 В номинальных и 8,4 В заряженными. Это на границе гарантированных 8 В: оценка мощности (условная) при амплитуде около 0,48 от питания даёт около 2 Вт на 4 Ом. Три банки (11,1 В номинальных) — нормальный режим.

Защиты и их пределы

В микросхеме встроено несколько защит. Они не отменяют внимательности при монтаже.

• 
  Короткое замыкание на выходе.Постоянное — допустимо при питании до 16 В.
• 
  Перегрев.При избыточной температуре микросхема снижает мощность и ток покоя; повреждения нет.
• 
  Выбросы питания.Импульсы до 40 В (50 мс) допустимы; выше нужен LC-фильтр. Постоянное напряжение до 28 В микросхема выдерживает, но рабочее — до 18 В.
• 
  Обрыв «земли».Защитные диоды внутри предотвращают повреждение при случайном обрыве общего провода.

Для индуктивной нагрузки внутри есть защитный диод между выводами 4 и 5.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Готовые платы на PAM8403 или TPA3116 дешевле, компактнее и экономичнее по питанию, и брать их для переносной колонки разумнее. TDA2003 остаётся хорошим выбором, когда усилитель нужно починить или повторить в старой автомагнитоле, активной колонке или радиоприёмнике, где она уже стоит.

Что в итоге

Подходит: для самодельной колонки к телефону, простого усилителя в мастерскую, учебной сборки. Не подходит: для громкой музыки на 8 Ом и мощности от 10 Вт на канал — тогда смотрите TDA2030A или TDA2040 в двухполярном питании.

Сравнение микросхемных усилителей и порядок выбора — в обзоре усилители НЧ на микросхемах. Родственные схемы — усилитель на TDA2005 и усилитель на TDA2030A; для питания из сети см. источник питания 12 В 15 А.

Частые вопросы

Сколько ватт даёт TDA2003?

При 14,4 В, 1 кГц и искажениях 10 %: на 4 Ом не менее 5,5 Вт (типовое 6 Вт); на 2 Ом не менее 9 Вт (типовое 10 Вт). Для чистого звука берите 4–4,5 Вт, где искажения около 0,15 %.

На 8 Ом даташит значения не даёт.

Какое питание нужно TDA2003?

Рабочее от 8 до 18 В; постоянное напряжение до 28 В микросхема выдерживает без повреждений. От автомобильной сети 12–14,4 В она работает штатно.

В российской машине бортовая сеть именно такая; для дома подойдёт блок 12–15 В.

Можно ли питать TDA2003 от двух литиевых аккумуляторов?

Работает, но на границе диапазона: 7,4–8,4 В дают по оценке около 2 Вт на 4 Ом, и звук тише с большими искажениями. Три банки (11,1 В) — нормальный режим.

Банки 18650 из ноутбуков распространены в России; не забудьте защиту от переразряда.

Какой радиатор нужен TDA2003?

При 14,4 В и 4 Ом микросхема рассеивает около 3,3 Вт; для корпуса 80 °C и воздуха 40 °C получается около 12 °C/Вт. На практике хватает алюминиевой пластины в несколько десятков квадратных сантиметров.

Изоляция корпуса от радиатора по даташиту не нужна.

Чем заменить TDA2003 и К174УН14?

К174УН14 — отечественный аналог по назначению и выводам; в схеме из статьи она подходит без изменений. Номиналы всё равно сверяйте с паспортом.

Для большей мощности смотрите TDA2030A или TDA2040 в двухполярном питании.

Калькуляторы для аудио

• Радиатор для транзистора и стабилизатораНужное тепловое сопротивление радиатора и нужен ли он вообще
• Децибелы: напряжение, мощность, дБм, дБu, дБВОтношения в дБ и обратно, абсолютные уровни дБм/дБu/дБВ
• RC-фильтр НЧ и ВЧЧастота среза, подбор R или C, ослабление на заданной частоте