• Мостово свързване на усилвател

    В тази статия ще отговорим на въпросите какво е мостово свързване; защо се налага свързването на две стъпала в мост; какви са предимствата и недостатъците на това свързване; начини на свързване на две стъпала в мост и кои от тях в какви случай се предпочитат.

    Когато се каже, че един стерео усилвател може да бъде свързан "мостово", това означава, че в него е заложена някаква възможност (чрез малка промяна в схемата му) да се ползват двата канала заедно, за да се получи един моно усилвател или "моноблок" с мощност до 3-4 пъти по-голяма от номиналната тази на всеки канал поотделно за даден товар.

    На практика не винаги получаваме четири пъти по-висока мощност. Това е защото при мостово свързване на 8-омов товар всеки от каналите "вижда" половината, или 4 ома, което предизвиква удвояване на изходния ток. При 4-омов товар всеки канал работи еквивалентно на 2 ома и т.н. Завишеният изходен ток предизвиква завишени загуби в усилвателя.

    Друго интересно следствие от мостовото свързване е, че "дъмпинг фактора" (съотношението между товарното и изходното съпротивление) става два пъти по-малък. Ако ползвате усилвател, който работи добре с товар 4 ома на канал, то той би работил добре и в мостово свързване с 8 омов товар.

    Трябва да се отчете и влиянието на собствената схема за защита на усилвателя. Схеми, които разчитат на обикновени стопяеми предпазители за защита, са най-подходящи за мостово свързване. Схеми на защита, които ограничават изходният ток, могат да се задействат преждевременно при мостова конфигурация, което причинява изкривявания.

    Разбира се, че до BRIDGE режим на 2 усилвателя прибягваме когато искаме да повишим мощността на даден усилвател.

    Замостяването на дадени 2 канала на усилвател става само ако и двата са еднакви (по еднакви схеми, с еднакви елементи и параметри). Обикновено говорителя се свързва към усилвателя на изхода спрямо маса (GND). Тогава максималния размах на напрежението върху товара не може да прехвърли захранващото напрежение, дори е по ниско от него, най-често с 5-6V. Това само по себе си ограничава изходната мощност, която е произведение от тока и напрежението върху товара. Например, ако имаме 20Vrms и говорител 8 ома мощността се изчислява по следната формула:

    P = V2/R = 202/8 = 400/8 = 50W

    Пиковото напрежение върху товара (на върха на синусоидата) е x1,414 от rms стойността, или: 20*1,414 = +/-28V. В такъв случай захранващото напрежение е поне +/-33, 35V. Единия вариант да повишим мощността е ако намалим товара и той от 8ома стане 4ома. Вариантите за това са няколко и са известни (два говорителя в паралел по 8ома или друг говорител 4ома). Тогава ще имаме мощност 2пъти по голяма от предишната, а именно 100W. Ако обаче и това не ни удовлетвори може да повдигнем захранващото напрежение. Този вариант не е за препоръчване, тъй като режимите на усилвателната схема са вече други, работните точки на транзисторите се изместват и това може да доведе до повреда в стъпалата. Този метод също е немислим, ако имаме фабричен усилвател, който не искаме да модифицираме.

    Варианта да се повиши мощността безопасно е двете стъпала да са вързани в мостов режим. По този начин говорителя се свързва вече не към маса, а между двата изхода на двете стъпала, като управляващото е с OUT+, а управляваното с OUT-. Самите канали се конфигурират така, че да получават един и същ входен сигнал, а изходните им сигнали са в противофаза. Ползата от мостовото свързване е, че върху говорителя се получава два пъти по-високо напрежение, защото напреженията от двата канала подадени на говорителя се сумират. Мощността се определя от квадрата на напрежението, следователно при два пъти по-високо напрежение ще имаме четири пъти по-висока мощност.



    В този случай за примера по горе мощността ще бъде следната:

    P = Vизх2/R = 402/8 = 1600/8 = 200W

    Недостатъкът тук се изразява в това, че тъй като напрежението върху говорителя се е удвоило, значи и тока се е удвоил. Това означава, че всеки от каналите трябва да може да издържа на половината от импеданса на товара (в случая 4 ома за канал). Внимавайте ако свързвате 2 стъпала на мост и говорителя е 4ома, тогава всяко стъпало „вижда” половината от него, т.е. 2 ома и има вероятност да се повреди.

    За да сте сигурни, че двата канала на усилвателя ще се товарят точно толко колкото и в стерео режим, когато свързвате в мост ползвайте два пъти по голям товар. Ако в стерео режим е бил 4 ома, то в мост трябва да е 8 ома.

    Важно е при ползването на външни схеми за свързване на мост двата входни канала от стерео сигнала да се сумират, ако ще ползваме само един канал за слушане. Ако пък замостяваме без сумиране то трябва да са 4 стъпала за да станат 2х2 на мост (така се запазва стерео сигнала). Това не важи ако ще ползваме bridge усилвателя за суб-уфер с неговите активни филтри защото ниските честоти на музиката не носят стерео ефекта, тоест и по двата входни канала сигналът е аналогичен.

    Ако даден усилвател няма вградена възможност за мостово свързване, това може да се постигне с допълнително звено на входа на единият му канал, което обръща фазата на входния сигнал (инвертиращ повторител на напрежение). Основният канал получава директен сигнал от същият източник.

    Ето и предложение на такова схемно решение от Mr. Rod Elliott:


    Единият ОУ повтаря входния сигнал, а другия измества фазово синусоидата на 180 градуса.
    Eто и едно мое pcb решение правено по тази схема:



    За горната схема е необходимо захранващо напрежение от +/-15V за операционните усилватели.

    В някои случаи такова напрежение не е достъпно. Тогава може да изпълните следната схема:



    Под схемата има и обяснение за рускоговорящите. Ясно е обяснено, кое от къде се взима, като аналогия на по горната схема.

    Ето и едно предложение на г-н. Ангел Деспотов дадено в някоя от темите на форума.



    На пръв поглед може да ви се стори "усложнена" схемата, но си струва.

    Може да й се подава небалансиран сигнал, като се замаси вход In2, примерно. Ползата от тази схема е, че премахва синфазни сигнали, в т.т. и постояннотоков офсет, като се доближава максимално до поведението на "балансиращ" трансформатор и изработва точни огледални сигнали в двата си изхода. Използваният ОУ е без значение, например NE5532 или TL072. Входното съпротивление е около 5к, а ако е нужно по-високо, всяка входна линия може да се буферира с не инвертиращ повторител, с по още един ОУ.

    Ето и моето предложение за платка на тази схема



    Разбира се, има и специализирани чипове, които вършат същата работа, като например THAT1646. При липса на THAT1646 може да се използва и DRV134 / DRV135 на Texas Instruments (Burr-Brown) с аналогични параметри и цена. Може да се ползва и SSM2142 на ANALOG DEVICES. Въпрос на вкус и предпочитания е коя ИС ще изберете.

    Другия вариант, който аз много придпочитам пред останалите, е така наречения начин "с резистора и ключето". Харесва ми защото свързването в мост става само и единствено с един резистор. Този метод може да се ползва само при определени стъпала със стандартна ОВ показана на следващата фигура:



    В този случай едното стъпало е управляващо (master), а другото управлявано (slave). На управляващото стъпало се взима сигнал от изхода му през резистор със стойност колкото е стойността на резистора в ОВ. За горния пример колкото R5=100k и се подава на –in на управляваното стъпало. Обърнете внимание, че на управляваното стъпало +in се дава към маса. Eто и една проста схема по този метод. Тя е валидна за всички петкракови чипове с ОВ изпълнена по този начин (LM1875, LM3886, TDA2050, TDA7294 и производните им).



    Говорителя се свързва между OUT+ и OUT-.
    На същата схема по долу съм показал къде се свързва ключе, в случай че искаме да го изведем на задния панел на усилвателя и само с един клик да преминаваме между стерео и мостов режим:



    Ето и един пример на такова свързване на изцяло транзисторно стъпало (за примера P3A на Rod Elliott):



    Кондензатора от 1uF е хитрост, която премахва влиянието на изходния офсет на горното стъпало спрямо долното. Така офсетите на двете стъпала не се сумират в Bridge режим. Този кондензатор може да се приложи при горната схема на свързването на интегрални усилватели.

    Мисля, че повече примери на други схеми не са необходими. Свързването става по аналогичен начин.

    Източници и други полезни материали по темата:

    1.Мостово свързване
    2.Bridging Adapter For Power Amplifiers
    3.Мостово свързване на P3A Rod Elliott
    4.2xTDA7294 стерео в мост