Усилитель 2×60 Вт на LM4780 — стерео на одной микросхеме с двухполярным питанием ±35 В

LM4780 при питании ±35 В на нагрузке 8 Ом отдаёт на канал 60 Вт (типовое значение; минимум 50 Вт) при искажениях THD+N 0,5 % и частоте 1 кГц. Условия по даташиту TI (редакция National Semiconductor, июль 2003). Суммарное питание — от 20 до 84 В.

Цена этой мощности — двухполярный блок питания ±35 В и радиатор: по формуле даташита рассеяние микросхемы в худшей точке около 62 Вт, радиатору нужно около 0,8 °C/Вт. Усиление в схеме — 21 раз (26 дБ); для 60 Вт на 8 Ом нужен около 1 В на входе.

LM4780 — усилитель из серии Overture, которую National Semiconductor (сейчас Texas Instruments) делала для домашней техники. В корпусе два независимых усилителя, защита SPiKe от перегрузки и плавное отключение звука (mute) без щелчков.

Ниже — параметры с условиями, схема, mute, расчёт питания и радиатора, типовые ошибки.

Что умеет микросхема

Данные — из даташита (редакция июль 2003, DS200586). Условия: питание ±35 В, нагрузка 8 Ом, температура 25 °C, если не сказано иное. В таблице указано, какое число минимальное, типовое или максимальное.

Параметр	Значение
Питание (сумма плеч)	20…84 В (при сигнале)
Мощность на канал, 8 Ом, ±35 В (THD+N 0,5 %, 1 кГц и 20 кГц)	50 Вт мин., 60 Вт тип.
То же, 6 Ом, ±30 В	50 Вт мин., 55 Вт тип.
То же, 4 Ом, ±25 В	50 Вт мин., 55 Вт тип.
THD+N при 30 Вт на канал, 20 Гц – 20 кГц, усиление 26 дБ	0,03 % (8 Ом), 0,05 % (6 Ом), 0,07 % (4 Ом), тип.
Подавление пульсаций питания	85 дБ мин.
Разделение каналов (10 Вт, 1 кГц)	70 дБ тип.
Ослабление в режиме mute	80 дБ мин., 110 дБ тип.
Отношение сигнал/шум (1 Вт, A-взвешенный)	97 дБ тип.
Ток покоя (обе секции)	110 мА тип., 170 мА макс.
Скорость нарастания	8 В/мкс мин., 19 В/мкс тип.
Ограничение выходного тока (±20 В, 10 мс)	7 А мин., 11,5 А тип.

Предельные значения: сумма напряжений питания — 84 В при сигнале и 94 В без сигнала, мощность рассеяния — 125 Вт, температура кристалла — 150 °C. Тепловое сопротивление кристалл–корпус — 0,8 °C/Вт.

Мощность по таблице гарантируется для трёх сочетаний: ±35 В на 8 Ом, ±30 В на 6 Ом и ±25 В на 4 Ом. На 4 Ом при ±35 В данных нет.

Схема

Схема совпадает с типовым включением из даташита. Узлы такие.

• 
  Усиление.Av = 1 + Rf / Ri = 1 + 20 000 / 1 000 = 21, то есть около 26 дБ. Даташит допускает усиление от 10 до 50: ниже 10 возможна неустойчивость, выше 50 растут шум и искажения.
• 
  Вход.RB1 и RB2 по 1 кОм не дают току попасть на неинвертирующий вход при отключении питания. Ri с Ci образуют фильтр: fi = 1 / (2π · Ri · Ci) = 1 / (2π · 1000 · 47 · 10⁻⁶) ≈ 3,4 Гц.
• 
  Питание.Конденсаторы Cs ставят у выводов микросхемы: электролит 470 мкФ и более плюс керамика 0,1 мкФ. Без этого возможны «motorboating» и высокочастотная неустойчивость.
• 
  Mute.Резистор RM и переключатель S1 (следующий раздел).

Для 60 Вт на 8 Ом выход √(60 · 8) ≈ 22 В, делённое на 21 — получаем около 1,05 В на входе. Линейный выход компьютера или телефона это обеспечивает.

Mute

Вывод mute (по одному на секцию) управляется током. Когда переключатель S1 разомкнут или переведён на землю, ток из выводов mute к минусу питания не течёт, и усилитель заглушен. Когда S1 замкнут на минус питания через RM, усилитель работает.

Резистор RM рассчитывают по формуле RM ≤ (|VEE| − 2,6 В) / I, где I — не менее 0,5 мА на вывод. Даташит советует брать 1 мА на вывод: при двух соединённых выводах нужно 2 мА.

Для ±35 В: RM ≤ (35 − 2,6) / 2 мА ≈ 16 кОм. Значение 10 кОм из схемы даёт ток (35 − 2,6) / 10 кОм ≈ 3,2 мА на оба вывода, то есть около 1,6 мА на вывод, и укладывается в условие.

Питание

Двухполярный блок на ±35 В: трансформатор с двумя вторичными обмотками, мост и электролит на каждое плечо. Две обмотки по 25 В переменного дают без нагрузки около ±34 В (25 В · √2 минус падение на диодах); под нагрузкой напряжение ниже.

Ток считают по формуле I = U / (π · RL), где U — амплитуда на нагрузке. Для 60 Вт и 8 Ом амплитуда √(2 · 8 · 60) ≈ 31 В, ток около 1,2 А на канал.

При двух каналах на полной мощности это около 2,5 А по каждой шине. Отсюда «2–3 А» из перечня деталей.

Мощность блока на полной синусе: 2 · 35 · 2,5 ≈ 175 Вт; на музыке потребление заметно ниже.

Сумма напряжений по даташиту не должна превышать 84 В при сигнале. ±35 В (70 В) оставляют запас, потому что без нагрузки напряжение выпрямителя выше расчётного. Минус питания должен быть не выше −9 В, а разность V+ и V− — больше 14 В: иначе защита от пониженного напряжения не отключится.

Радиатор и изоляция

Корпус TO-220 (TA27A) не изолирован: металлическая пластина и радиатор, к которому она прижата, соединены с минусом питания (V−). Если слюдяной прокладки нет, радиатор оказывается под −35 В относительно земли.

Ставьте слюдяную прокладку и изолируйте радиатор от шасси; тепловое сопротивление при этом вырастет.

Мощность рассеяния по даташиту: для каждой секции PDMAX = Vcc² / (2π² · RL), где Vcc — суммарное напряжение питания. Для ±35 В (Vcc = 70 В) и 8 Ом: 4900 / (2 · 9,87 · 8) ≈ 31 Вт на секцию, 62 Вт на микросхему. Это теоретическая худшая точка; реальную кривую даёт график рассеяния в даташите.

Тепловое сопротивление радиатора считают по формуле RθSA = [(150 − Tокр) − PD · (RθJC + RθCS)] / PD. Пример (условный): воздух 40 °C, RθJC = 0,8 °C/Вт, RθCS = 0,2 °C/Вт (с термопастой): [110 − 62 · 1,0] / 62 ≈ 0,77 °C/Вт.

С прокладкой RθCS больше, и радиатор нужен ещё лучше. Радиатор нужен большой, с запасом; тепловая защита срабатывает при температуре кристалла 150 °C.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Для домашней акустики на 30–60 Вт LM4780 — понятная одноплатная сборка. Из недостатков: две секции в одном корпусе (если одна повреждена, менять надо всё) и необходимость двухполярного источника.

Для тех, кому нужно стерео на 12 В, есть TDA1554 и подобные автомобильные микросхемы. У поставщиков встречается статус «последняя закупка»: наличие уточняйте заранее.

Что в итоге

Подходит: домашний усилитель для колонок по 8 Ом, простая сборка без наладки. Не подходит: питание от однополярного источника и малый радиатор.

Сравнение микросхемных усилителей и порядок выбора — в обзоре усилители НЧ на микросхемах. Для меньшей мощности есть усилитель на TDA2040, а питание для такого усилителя описано в материале про источник питания 30 В 3 А на LM723. Для сабвуферного канала смотрите активный сабвуфер.

Частые вопросы

Сколько ватт даёт LM4780?

На канал при ±35 В, 8 Ом и THD+N 0,5 % (1 кГц): не менее 50 Вт, типовое значение 60 Вт. При ±30 В на 6 Ом — 50 Вт мин., 55 Вт тип.; при ±25 В на 4 Ом — то же.

Данные по мосту и параллельному включению — в даташите, рисунки 2 и 3.

Какое питание нужно LM4780?

Двухполярное, сумма напряжений — от 20 до 84 В при сигнале. Типовой режим — ±35 В; для него подойдёт трансформатор с двумя обмотками по 25 В.

Тороидальные трансформаторы с такими обмотками продаются в российских магазинах радиодеталей; берите на мощность не менее 150–200 ВА.

Какой радиатор нужен LM4780?

По даташиту — расчёт по формуле θSA; для ±35 В, 8 Ом и воздуха 40 °C получается около 0,8 °C/Вт (теоретическая худшая точка). Корпус не изолирован и соединён с V−.

Используйте большой алюминиевый радиатор со слюдяной прокладкой; такие радиаторы продаются в России в магазинах радиодеталей.

Как работает mute на LM4780?

Когда выводы mute подключены к минусу питания через резистор RM, усилитель работает; если ток прерван (S1 разомкнут или на земле), он заглушен. RM ≤ (|VEE| − 2,6 В) / I, где I ≥ 0,5 мА на вывод.

Для ±35 В и двух соединённых выводов RM ≈ 16 кОм или меньше.

Можно ли включить LM4780 мостом?

Да: даташит показывает мостовое включение (рисунок 2) для 120 Вт на моно-канал. Рассеяние микросхемы при этом в четыре раза выше, чем в одиночном включении.

Радиатор рассчитывают по той же формуле, с рассеянием ×4.

Калькуляторы для аудио

• Радиатор для транзистора и стабилизатораНужное тепловое сопротивление радиатора и нужен ли он вообще
• Сечение провода и кабеляМинимальное сечение по допустимому току и по падению напряжения
• Децибелы: напряжение, мощность, дБм, дБu, дБВОтношения в дБ и обратно, абсолютные уровни дБм/дБu/дБВ