Analizando amplificador con TPA3116 2D en placa XH-M543

Y vamos ingresando al mundo de los amplificadores clase D, con estas pequeñas placas chinas para reemplazar esos veteranos amplificadores con los legendarios 3055, con gran disipador. El tema es probar realmente como suenan estos módulos clase D, y si sirven a mí entender.

Bueno, lo primero fue elegir el módulo, conseguí por MercadoLibre un par estéreo y otro mono. Vienen con el consabido TPA3116, que parece ser un estándar, ya que desde hace años está en el mercado.

Mirando en el foro busque datos interesantes sobre su comportamiento, alguna mejora o las características, no sé si busque bien, pero lo que encontré no me dio las respuestas que buscaba. Entonces manos a la obra y posiblemente a descubrir la pólvora…

El modelo es la placa XH-M543 estéreo de color azul (la XH-M544 es la mono de color rojo).

Primer parada: hoja de datos del TPA3116 D2, segunda: googlear por referencias y experiencias. En internet hay para entretenerse, mucho en YouTube con pruebas donde más que nada, logran saturar el micrófono de la cámara y dar algunas indicaciones del uso. Pero poca electrónica.

Del circuito pude conseguir varios especímenes, todos parecidos, es un modelo muy fabricado y prácticamente todos son similares. El mismo circuito de aplicación con algunas variaciones en los componentes. Les muestro uno tomado de referencia.

Schematic_tpa3116d2-xh-m543_Sheet_1 reducida.jpg

Circuito 1: esquema con datos de ganancias del TPA.

Este está mal dibujado porque faltan las resistencias de 20K en la realimentación de los opamps de entrada, pero en fin, es lo que hay.

La placa es esta:

Amp D 100+100 board.jpg

Placa típica del amp estéreo XH-M543

Aquí hay otro circuito similar:

XH-M543_Schematic.jpg

Empezamos:

La entrada del TPA es diferencial por lo que tiene la entrada - a masa y la + al pre, acopladas con un capacitor de 1 uF porque la tensión de continua a la entrada es de 3V.

El preamplificador con TL074 consta de dos etapas, un amplificador inversor con ganancia de 20 dB o sea 10 veces (20k / 2K) y un seguidor no inversor.

Trae una pequeña fuente que entrega 12V de alimentación y la tensión media de 6V para polarizar los opamps.

Según mi criterio esta etapa está mal implementada, no sé de dónde lo sacaron pero está al revés. O sea el seguidor con alta impedancia de entrada debería estar al principio y el amplificador por 10 luego, o sea invertidos.

Cómo me encontré con esta, a mi entender, chanchada, me dije vamos a medir, a ver si anda tan mal como me imagino.

La impedancia de entrada del primer amplificador es de 2K y el modulo que compre trajo capacitores de 2.2uF (en los diagramas aparecen de 1uF). Lo que no me gusto y haciendo los cálculos para comprobarlo vi que corta en unos 36 Hz. Un polo a esa frecuencia estropea la fase de los ultra bajos además de no ser plano en respuesta hasta por lo menos 20hz, como sería deseable.

Otro ítem es el corte en frecuencias a la entrada del TPA, cuya impedancia de entrada varía con la ganancia. He visto en internet que se sugiere cambiar la ganancia para mejorar el ruido porque parece que algunos módulos traen el máximo posible de 36 dB. Pero este lo medí y da 20 veces o sea 26dB. Lo que está bien.

Entonces no son todos iguales y esas resistencias que fijan la ganancia varían en otros módulos de otros orígenes, como muestra y recomienda el primer circuito que puse.

Hice el cálculo de la frecuencia de corte para los 30 Kohms que corresponden a los 26 dB de ganancia del TPA y con el capacitor de 1Uf corta en 5,3 Hz, lo que creo que está bien.

Ahora sin vemos la respuesta total encontré que cae a -3 dB en 20 Hz. O sea estos chinos dijeron: “la frecuencia de corte es 20 Hz” lo que suena bien para la teoría pero la fase se va a los caños, y ni se te ocurra tener buenos bajos.

Soluciones:

1) Cambiar los capacitores de entrada a 10 uF, lo que baja la frecuencia de corte a 8 Hz, y zafamos.

2) Cambiar la resistencia de entrada por una de 10 Kohms, pero baja la ganancia y la sensibilidad de entrada.

3) Meter mano a la plaqueta y rehacer las conexiones a cómo deberían ir. Como entrar por la pata + y mandar la entrada a tierra, etc.

4) No usar el pre y entrar directamente al TPA, o sea al cap. de 1uF.

Elegí originalmente la primera instancia, la 1). Y el cambio fue notable. Aunque la 3 sería la deseable. Y si tengo bastante señal de entrada la 4 también… para elegir!

Al tener un potenciómetro de 10K y una carga de 2K la impedancia de entrada del módulo varía entre 10 K al mínimo y 1,66 K al máximo. Otra mala praxis.

Como en vez de los potes de la plaqueta, que son más que nada presets de calibración, voy a usar unos exteriores como Dios manda, con la etiqueta Volumen. Tener un equipo que varié así la impedancia de entrada no es lo ideal.

Además al tener una carga tan chica el potenciómetro originalmente lineal se comporta como pseudo logarítmico, dando al máximo el 100%, pero al 75% de recorrido atenúa al 50% (o sea la mitad de volumen en un cuarto de vuelta). A la mitad del recorrido atenúa al 22% y a un cuarto el 17%. Ni se te ocurra poner logarítmicos en la entrada porque la escala sería peor. Otra impericia.

Con respecto a las altas frecuencias encontré un pequeño pico a los 18Khz, pero llega bien a los 20K. Listo por acá no toco nada. Tiene una pequeña señal residual de 400Khz que recomiendan variar si hay interferencias en radios de AM. No toco nada, eso no sé hasta qué punto será molesto.

Para la fuente de alimentación rescate una vieja fuente de Macbook, de esas Magsafe 85 W blancas chiquitas, y como es de las “alternativas” que en vez de la parafernalia de componentes, son de lo más sencillas. Como tiene dos niveles de regulación con un TL431 y un zener de 24V de protección, y también para no toquetear mucho, la deje en 24V, con unos 4 Amp. Está bien, alcanza.

Como el módulo tiene un diodo en serie en la entrada de alimentación por protección, que le resta casi 1V, quedan unos 23V reales sobre el TPA.

Solo le agregué a la salida de esa fuente una bobina de choque y un cap. de 2200/25 para reducir el ruido de la fuente al mínimo (<50 mVrms).

Con respecto a la ganancia, con los 23V de alimentación me entrega 16V cargado con 8 ohms, lo que corresponde a 32W reales y unos 66 W pico por canal, nada mal.

Para los 16V de salida, ganando 20 veces requiere 800 mV a la entrada del TPA, y si sumamos el pre que gana 10 veces quedan 80 mV de sensibilidad máxima. Ahora poniendo el pote a la mitad, y por lo que comenté antes, requiere 360 mV para máxima potencia. También está dentro de lo normal.

Lo que me gustó es que casi no calienta el pequeño disipador que trae, solo calentó algo en altas frecuencias durante las pruebas, pero trabaja frio, ni la fuente se mosquea. Bien por acá.

Les muestro una fotografía del proyecto, aun sin terminar, para ver lo pequeño que quedará, lo que me entusiasma. El gabinete lo tomé de un cable modem Cisco óbito.



20210324_103857.jpg

Como conclusión les comento que hasta ahora en las pruebas iniciales me gustó el chiche y me dio tranquilidad la estabilidad que hasta ahora le veo.

Luego atacaré el modulo mono para un subwoofer activo!
 
Y si dispones de osciloscopio, no vendria mal unas capturas, y ver qué tanto ruido pasa al parlante, la distorsion, etc...
Excelente laburo, y me encanta esa placa (aunque nunca la escuché)
 
Llegue a la conclusión que la modificación 3 es la más conveniente, por lo que le monté los dos condensadores de 2,2 uF que le cambié, sobre la entrada (+) y mandé a tierra los potes de la entrada (-) del primer opamp. No sé qué consecuencias podrá tener el invertir la fase del módulo, pero no he visto ninguna hasta ahora. Les paso una imagen de como quedo el módulo y el circuito. También cambiaré los de entrada al TPA por 10uF. Esta configuración es un buen compromiso, da alta impedancia de entrada y mantiene la ganancia original del módulo. Así que ahora faltan las pruebas dinámicas y como DJ T3 sugirió, hacer algunas mediciones. Por las primeras impresiones de sonido, no sé porqué será, pero no me parece muy HiFi.
Circuito Pre HX-M543.jpg



Modificacion XH-M543.jpg
 

Adjuntos

  • Circuito Pre HX-M543.jpg
    Circuito Pre HX-M543.jpg
    112.3 KB · Visitas: 9
He leido sobre algunos modulos (no se si éste en particular), pero la calidad no era la esperada. Tenian muchos problemas de estabilidad, ruidos, oscilaciones, etc.

Con la inversion de polaridad, si te referis a la entrada, lo maximo que vas a tener es invertida la salida, pero eso solo importa si tienes mas amplificadores, que si tienes algunos en una fase y otros en otra, hay cancelacion acustica, que lo percibis en los graves principalmente.
Ojo que solo hablo sobre la señal de audio, y no en la forma de trabajar el A.O....

Por lo demas, parece correcto. Ojo con las ganancias y con lo que vayas a conectar como fuente de audio
 
Siguiendo con el análisis, me entretuve leyendo varios foros sobre este chip, como en el diyAudio, en el que, por ejemplo, encontré un hilo con 1200 post desde el 2013 (si será viejo!), pero hay pocas respuestas sólidas, rescato que en la última página, de fecha reciente, hay un enlace a una modificación muy enredada, pero en definitiva trata de hacer lo mismo que yo, mejorar los errores.

También he visto que varios se quejan de su calidad sonora, no parece que este módulo convence a los audiófilos, ya veremos. Un tema también muy tratado es la potencia, ya que entre los datos del fabricante (cuyo datasheet tiene varios errores) y la publicidad engañosa, parece no queda claro cuál es la potencia máxima de este bicho. Calculé en una planilla los valores de potencia en función de la tensión de alimentación del Chip (no de la placa, que tiene un diodo en serie).

Sobre un canal:

1616889524267.png

Esta planilla alcanza para mostrarles los datos, en estéreo es el doble en potencia y corriente. Rescato que llegué hasta la tensión máxima de 30V que es el tope del fabricante, solo para referencia, pero la máxima de operación es de 26V por eso lo griseé. Y la tensión eficaz de salida real se ve reducida por las Rds de los transistores de salida y el filtro, por lo que supuse un total de unos 0,2 ohms.

Así que, por canal, para los 23V que tengo, se especifican 30W / 8 ohms, justo lo que medí! Con ambos canales al máximo necesitaré como 5,5 A y solo tengo 4,5. Chica la fuente… bien, para tomar en cuenta, pero es lo que hay.

Entonces se entiende porque se menciona que es de 100W por canal y 7,5 Amp. Es el máximo teórico de diseño del integrado, nada que ver con los valores de operación. Donde intervienen otros factores de diseño que limitan enormemente esos valores publicitados.
 
Terminando con el análisis, luego de algunas modificaciones, he llegado a las mismas conclusiones que la nota que comenté, se las paso (con traducción al inglés) para que, quien esté interesado, vea en detalle lo allí expresado: Google Translate

Creo que mi cambio de la impedancia de entrada es mejor que el allí propuesto, pero no más. Al usar para contenerlo, una caja de plástico apareció don zumbido, pero recurriendo al viejo truco de la lata de cerveza como blindaje, quedó solucionado.

Los choques de salida son terribles, resuenan y ¡se escuchan! Sobre todo en la banda de los medios (1Khz a 4 Khz). Hay que cambiarlos si se pretende una buena respuesta en alta frecuencia, (parece que el alambre es muy fino y esta suelto!). Uno de los capacitores amarillos de salida de .68uF estaba fallado, por eso tenía un canal con tanta componente de 400khz a la salida, lo reemplacé y listo.

La distorsión es, en el mejor de los casos, de 0,1%. A plena potencia probado con resistencias de 10 ohms en ambos canales, se comportó bien durante las pruebas, dando 15,5 Vrms a 1 Khz, aunque calentó lindo, pero con 5 ohms se pasa de temperatura enseguida, es que el disipador es demasiado pequeño, y corta la protección térmica. Así que le puse un cooler que me permitió usarlo todo el tiempo requerido para medir. No tanto por la fuente (se portó muy bien), sino por las bobinas no dio mucho más 30 W por canal aún en 5 ohms (13 Vrms max) La respuesta en frecuencia es su peor defecto. Da -3 dB a 16 Khz en 8 ohms y unos 8 kHz en 4 ohms, y llega plano a 11 Hz con el cambio de capacitores. Y los pop de encendido y apagado, son algo molestos, por eso estoy pensando agregarle también la modificacion del mute. El slew rate está en 1V/us.

Conclusiones: así como viene, el modulo que usé (recuerden puede haber varias versiones), es bastante deficiente, con algunos cambios mejora lo suficiente como para darle una oportunidad, pero la mala calidad de los componentes y del diseño, fuerza a meterle mano. Definitivamente este módulo no es hifi, y es para 8 ohms no para 4 ohms. Aunque reconozcamos que esa potencia de audio en el pequeño gabinete impresiona, es notable tener 60W de audio en tan liviana cajita! Por lo que puede ser útil para un monitoreo de poca potencia (<10W) con buen rango dinámico de unos 14LU. ;)
 
Consulta estimado, estos serían los cap que cambiaste de 2,2uf a 10uf?? En la placa que tengo yo, son electroliticos no polares. Habría algún inconveniente en poner electroliticos comunes de 10uf?. Crees que sería mejor poner cap de poliester o metal film? Desde ya muchas gracias y muy bueno el analisis que hiciste del amplificador
Modificacion XH-M543 consulta.jpg
 
Mi consulta viene a raiz que el diagrama que propone vmsa indica condensadores polarizados, pero en el diagrama original se indican no polares. Mi pregunta desde lo ignorante que soy es: ¿no hay problema en reemplazar los capacitores no polares por polarizados? Gracias
Circuito Pre HX-M543 consulta.jpg
 
Hola Mingrath, te comento, donde hay una diferencia de tensión es recomendable (o, se puede) usar electrolíticos polarizados. Donde no hay diferencia de potencial deben ir no-polarizados. En esta placa el amplificador operacional está polarizado a 6V, por lo que deberían ir polarizados. Para que te quede claro, si pones uno no-polarizado andará exactamente igual pero será más grande, sin ninguna mejora. Y si, efectivamente como indicas en la imagen cambie los de 2.2uF por 10uF en la entrada y los de 2.2uF los use en la nueva entrada. Personalmente no creo que se mejore mucho de usar de otro tipo de condensadores y seguro serán más grandes y más caros. Y muchas gracias por tu apreciación, se hace lo que se puede...
 
En esta placa el amplificador operacional está polarizado a 6V, por lo que deberían ir polarizados.
El termino..."deberían" esta demás.... el termino correcto seria "pueden"
No es obligatorio poner electrolítico... pueden ir cerámicos tantalio poliester electrolíticos NP o polarizados ..... etc
Si es electrolítico polarizado.. respetar la polaridad
 
Última edición:
Hola Mingrath, te comento, donde hay una diferencia de tensión es recomendable (o, se puede) usar electrolíticos polarizados. Donde no hay diferencia de potencial deben ir no-polarizados. En esta placa el amplificador operacional está polarizado a 6V, por lo que deberían ir polarizados. Para que te quede claro, si pones uno no-polarizado andará exactamente igual pero será más grande, sin ninguna mejora. Y si, efectivamente como indicas en la imagen cambie los de 2.2uF por 10uF en la entrada y los de 2.2uF los use en la nueva entrada. Personalmente no creo que se mejore mucho de usar de otro tipo de condensadores y seguro serán más grandes y más caros. Y muchas gracias por tu apreciación, se hace lo que se puede...
Hola vmsa, muchas gracias por la respuesta! ya me quedó claro. Voy a ver que puedo hacer con las dos plaquitas de estas que compré. Tenía pensado hacer un amplificador de 4 canales con dos modulos TPA 3116 con una fuente conmutada de 10A. Cuando lo haga subo fotos y comento como me fué.
Gracias tambien a los demás que respondieron!
 
El termino..."deberían" esta demás.... el termino correcto seria "pueden"
No es obligatorio poner electrolítico... pueden ir cerámicos tantalio poliester electrolíticos NP o polarizados ..... etc
Si es electrolítico polarizado.. respetar la polaridad
Si adhiero a la idea! En el caso de ser no-polarizados, los símbolos solo indicarían que en el lado del "+" la tensión continua es superior.
 
El termino..."deberían" esta demás.... el termino correcto seria "pueden"
No es obligatorio poner electrolítico... pueden ir cerámicos tantalio poliester electrolíticos NP o polarizados ..... etc
Si es electrolítico polarizado.. respetar la polaridad
No todos los tipos de condensadores se utilizan para lo mismo.
Si lees un poco de electrónica básica vas a aprender que cada uno tiene características diferentes.
Si no hay ganas de leer también se puede usar la lógica como por ejemplo "Si se puede usar cualquier condensador.... porqué se fabrican de diferentes tipos??"
 
Tratá de agrandar los filtros de salida de la fuente para que puedan entregar corriente para los golpes de graves , que son los que consumen la mayor potencia-energía !

Nunca encontré una explicación detallada y convincente a esa sugerencia.

Se supone que el filtrado se dimensiona para atender las necesidades de corriente en la peor condición de carga y que, simultáneamente, ante el mayor rizado debido a esa carga, el menor valor instantáneo observable del voltaje de salida de la fuente sea suficiente para permitir la operación del amplificador fuera de la zona de recorte de la señal de audio en su amplitud máxima.

Otro hecho es que se supone que los pulsos de rectificación están distanciados en 10 mseg para una frecuencia de red de 50 Hz (en onda completa) y que las señales de audio suelen ser mayormente de naturaleza amortiguada en el tiempo (menor demanda de corriente en la medida que aumenta el tiempo, si suponemos un pulso amortiguado unitario).

Hay quienes sostienen que oyen cambios audibles y muy probablemente existan, aunque no le encuentro explicación convincente y nunca he visto un estudio detallado que así lo demuestre.

Si la capacidad calculada es la adecuada para todos esos requerimientos citados, ¿en qué cambiaría poner capacidad por encima de la necesaria?.

Por otro lado, agrandar la capacidad de los filtros provoca que los tiempos para cargarlos disminuyen, con lo que la corriente demandada para cargarlos aumenta, si se mantiene similar demanda en la carga, con lo que sufrirá seguramente el rectificador y el transformador. Habría que analizar si el transformador sigue manteniendo su capacidad de regulación, también, con el aumento de la exigencia.

Creo que todo supone analizar en contexto qué sería lo que se pretende y si verdaderamente podría suponer alguna ventaja perceptible o simplemente que los hechos respondan a un mal dimensionamiento de las cosas.
 
Última edición:

DOSMETROS

High 2m Modereitor
Eso lo tengo experimentado cuando he resucitado algún Audinac AT510 , ese amplificador tiene entrada simple (no par diferencial) y capacitor de salida de 2500 uF , fuente simple , coincidentemente el único capacitor de la fuente es de 2500 uF.

Les agrando los capacitores de salida a 3.300 o mejor a 4.700 uF , lo que les mejora los graves , pero a alto volumen se nota que le faltaba fuente (los graves no suenan bien definidos , quedan algo gangosos) , eso se soluciona agrandando también el filtro de fuente a 4.700 uF . . . mismo transformador. . . 🤷‍♂️

Obvio , si una fuente es demasiado chica no se soluciona exagerando con el filtrado :no:
 
Arriba