Усилитель на TDA2040 — от автомобильного аккумулятора и от двухполярного питания

TDA2040 при питании ±16 В отдаёт на 4 Ом 22 Вт (типовое значение; минимум 20 Вт), на 8 Ом — 12 Вт (типовое). Условия по даташиту ST: искажения 0,5 %, частота 1 кГц, температура корпуса 60 °C. Допустимое питание — от ±2,5 до ±20 В.

От автомобильной сети 12–14,4 В с одним плечом питания мощность скромная: по оценке около 2,5 Вт на 4 Ом. Если нужна полная мощность, берите двухполярный блок на 2×16 В и радиатор побольше.

TDA2040 — старшая сестра TDA2030A: та же короткая обвязка, класс AB, защита от короткого замыкания на выходе и тепловая защита.

Ниже — параметры с условиями, схема с одним источником питания, расчёт мощности от 12 В и радиатора, детали и типовые ошибки.

Что умеет микросхема

Данные — из даташита ST на TDA2040 (редакция сентября 2003 года). Условия: питание ±16 В, температура 25 °C, если не сказано иное. В таблице указано, какое число минимальное, типовое или максимальное.

Параметр	Значение
Питание	±2,5…±20 В (то есть одним плечом — до 40 В)
Мощность на 4 Ом (искажения 0,5 %, 1 кГц, корпус 60 °C)	20 Вт мин., 22 Вт тип.
То же на 8 Ом	12 Вт тип.
Мощность на 4 Ом, 15 кГц	15 Вт мин., 18 Вт тип.
Коэффициент гармоник, 4 Ом, 0,1–10 Вт	0,08 % тип. (40–15 000 Гц), 0,03 % тип. (1 кГц)
Усиление (1 кГц)	29,5 дБ мин., 30 дБ тип., 30,5 дБ макс.
Ток покоя	при ±4,5 В — до 30 мА макс.; при ±20 В — 45 мА тип., 100 мА макс.
Входное сопротивление	0,5 МОм мин., 5 МОм тип.
КПД	66 % (12 Вт на 8 Ом), 63 % (22 Вт на 4 Ом)
Допустимая мощность рассеяния	25 Вт при температуре корпуса 75 °C
Температура срабатывания тепловой защиты	145 °C

В более новых редакциях даташита ST указано 25 Вт на 4 Ом при ±17 В; значения в обзоре усилители НЧ на микросхемах приведены по ним. Для расчётов ниже взяты цифры редакции 2003 года, где режим ±16 В.

Пять выводов: 1 — неинвертирующий вход, 2 — инвертирующий, 3 — минус питания (или земля при однополярном питании), 4 — выход, 5 — плюс питания.

Однополярная схема для автомобиля

В даташите есть схема с двухполярным питанием (рисунок 10) и схема с одним плечом питания (рисунок 12). Подпись рисунка 12 («Amplifier with Split Power Supply») не соответствует самой схеме: на ней один плюс питания и выходной конденсатор, то есть это вариант для одного источника.

Номиналы совпадают со схемой даташита. Работает она так.

• 
  Усиление.K = 1 + R5/R4 = 1 + 22 000/680 ≈ 33, то есть около 30 дБ, как и заявлено в даташите. Даташит требует усиление не ниже 24 дБ. C4 убирает усиление по постоянному току.
• 
  Смещение.R1 и R2 делят питание примерно пополам, чтобы выход держался около середины напряжения и мог качаться вверх и вниз. C2 сглаживает пульсации, которые иначе попали бы на вход.
• 
  Выход.C7 отсекает постоянную составляющую. На 8 Ом ёмкость 2200 мкФ даёт нижнюю границу около 9 Гц, на 4 Ом — 18 Гц.
• 
  Цепь Цобеля.R6 и C6 (4,7 Ом и 0,1 мкФ) успокаивают усилитель на высоких частотах при индуктивной нагрузке.

Нижняя граница считается по формуле f = 1 / (2π · R · C): для 4 Ом и 2200 мкФ получается около 18 Гц.

Сколько мощности будет от 12 В

Цифры из таблицы верны для ±16 В, то есть для 32 В между шинами. От бортовой сети, 12–14,4 В, размах на выходе в разы меньше.

Оценка (условная): при ±16 В на 4 Ом мощность 22 Вт даёт амплитуду √(2 · 4 · 22) ≈ 13,3 В, то есть до шины остаётся около 2,7 В потерь. При одном питании 14,4 В середина — 7,2 В, амплитуда около 4,5 В, и мощность P = U² / (2 · R) ≈ 2,5 Вт на 4 Ом, около 1,3 Вт на 8 Ом.

Точные цифры смотрите на графиках зависимости мощности от питания в даташите. Цифра «12 Вт на 8 Ом» верна только для режима ±16 В.

Радиатор и монтаж

Радиатор обязателен. КПД по даташиту при 22 Вт на 4 Ом — 63 %, значит, в тепло уходит около 22 / 0,63 − 22 ≈ 13 Вт. По формуле P = 2 · Vs² / (π² · RL) для ±16 В получается то же самое, около 13 Вт.

Тепловое сопротивление радиатора считают по формуле RθSA = (Tк − Tокр) / P − RθCS, где Tк — температура корпуса, RθCS — сопротивление прокладки. Пример (условный): корпус до 75 °C (по таблице даташита), воздух 40 °C, прокладка 0,5 °C/Вт: (75 − 40) / 13 − 0,5 ≈ 2,2 °C/Вт. Тепловое сопротивление кристалл–корпус — не более 3 °C/Вт.

Конденсатор C5 (100 нФ) припаивайте прямо у выводов питания: иначе усилитель может свистеть на высокой частоте. При двухполярных ±16 В электролиты по шинам питания берите на 25 В. Микросхему крепят через термопасту. По даташиту при одиночном питании изолировать корпус от радиатора не нужно, при двухполярном — нужно, потому что корпус связан с минусом питания.

Питание

Для двухполярного режима нужен блок 2×16 В: трансформатор 2×12 В даёт после выпрямления около ±16 В. Питание выше ±20 В — предельное значение: после выпрямителя на холостом ходу напряжение выше расчётного.

Ток шины оценивают по формуле I = U / (π · RL): при 22 Вт и 4 Ом амплитуда 13,3 В, ток около 1,06 А по каждой шине. Блок берут с запасом по току.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

TDA2040 продаётся до сих пор и удобна для замены в старой технике, но её место в новых конструкциях занимают модули класса D и более современные микросхемы вроде TDA7294. Полезная работа для TDA2040 — активный сабвуфер или домашние колонки, где нужен простой усилитель на 20 Вт без наладки.

Что в итоге

Подходит: для простого домашнего усилителя до 20 Вт на канал, ремонта колонок, учебной сборки. Не подходит: как усилитель «на все случаи» от автомобильного аккумулятора — там мощность скромная, и разумнее взять специализированную автомобильную микросхему или готовый модуль.

Сравнение микросхемных усилителей и порядок выбора — в обзоре усилители НЧ на микросхемах. Рядом по классу — усилитель на TDA2030A и усилитель 2×60 Вт на LM4780; питание — источник питания 30 В 3 А на LM723.

Частые вопросы

Сколько ватт даёт TDA2040?

При ±16 В на 4 Ом и искажениях 0,5 % — не менее 20 Вт, типовое значение 22 Вт; на 8 Ом — 12 Вт (типовое). На частоте 15 кГц на 4 Ом — 15 Вт мин., 18 Вт тип.

Мощность зависит от питания: смотрите условия в таблице.

Можно ли питать TDA2040 от автомобильного аккумулятора?

Да, по однополярной схеме из даташита: питание допустимо до 40 В одним плечом. Но от бортовой сети 12–14,4 В мощность по оценке около 2,5 Вт на 4 Ом.

Если нужно громче, возьмите двухполярный блок на 2×16 В или готовый автомобильный модуль.

Какой радиатор нужен TDA2040?

При 22 Вт на 4 Ом микросхема рассеивает около 13 Вт. Для воздуха 40 °C и корпуса 75 °C с прокладкой — около 2,2 °C/Вт.

Подойдёт радиатор от процессора старого компьютера; ставьте микросхему через термопасту.

Чем TDA2040 отличается от TDA2030A?

TDA2040 выдерживает ±20 В вместо ±22 В у TDA2030A, но на 4 Ом при ±16 В даёт типовое значение 22 Вт против 18 Вт. Корпус и выводы одинаковые.

Обвязка частично отличается: цепь Цобеля у TDA2030A — 1 Ом и 220 нФ, у TDA2040 — 4,7 Ом и 100 нФ. Детали берите по даташиту нужной микросхемы.

Какие электролиты поставить?

На выходной конденсатор в однополярной схеме — 2200 мкФ; на питание — с запасом: 16 В годится для бортовой сети лишь впритык, надёжнее 25 В.

Такие электролиты продаются в российских магазинах радиодеталей.

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
• Сечение провода и кабеляМинимальное сечение по допустимому току и по падению напряжения