class D.pdf

Klub Konstruktorów

Wzmacniacz

mocy audio

klasy D

Klub Konstruktorów jest przeznaczo−

ny dla bardziej zaawansowanych Czytel−

ników, mających pewne doświadczenie

w konstruowaniu i wykonywaniu urzą−

dzeń elektronicznych.

Formuła Klubu jest następująca: po

zaprezentowaniu danego elementu na

łamach EdW, do końca miesiąca czeka−

my na listy, w których przedstawicie

propozycje, jak chcielibyście wykorzys−

tać dany podzespół. Osoba lub osoby,

które nadeślą najbardziej przekonujące

listy, otrzymają dany element bezpłat−

nie (i bez żadnych zobowiązań wzglę−

dem redakcji). Nie stawiamy szczegóło−

wych wymagań – Twoim zadaniem,

Czytelniku, jest przekonać nas, że dany

element należy udostępnić do ekspery−

mentów właśnie Tobie! List powinien

zawierać schemat ideowy proponowa−

nego rozwiązania układowego, plano−

wany sposób praktycznego zastosowa−

nia, ale można też napisać coś o sobie

i swoich dotychczasowych osiągnię−

ciach. W przeciwieństwie do Szkoły

Konstruktorów, listy te nie będą publi−

kowane, ani oceniane. Osoba, która

otrzyma dany podzespół może, ale

wcale nie jest zobowiązana, napisać

potem do redakcji EdW i albo zaprezen−

tować samodzielnie opracowane, kom−

pletne urządzenie, albo podzielić się

swymi uwagami na temat napotkanych

trudności, albo nawet opisać okolicz−

ności uszkodzenia elementu (wiemy,

że często zdarza się to podczas ekspe−

rymentów). Najbardziej interesujące lis−

ty zawierające plon takich praktycznych

doświadczeń, zostaną opublikowane

w EdW.

Redakcja będzie też prezentować

własne rozwiązania.

Tym razem bezpłatne próbki ukła−

dów na potrzeby Klubu Konstruktorów

dostarczyło polskie przedstawicielstwo

firmy

W Elektronice dla Wszystkich z listo−

pada 1996 przedstawiliśmy artykuł pt.

„Co nowego we wzmacniaczach mo−

cy?” w serii „Dla elektroników dawniej−

szych”. Omówione tam były wzmacnia−

cze klas A, B, C, D oraz H. Artykuł ten

spotkał się z dużym zainteresowaniem

Czytelników, i to wcale nie tylko tych

„dawniejszych”. Najwięcej pytań doty−

czyło praktycznej realizacji wzmacnia−

cza klasy D.

W związku z ogromnym zaintereso−

waniem wzmacniaczami impulsowymi,

Redakcja podjęła starania, by przedsta−

wić Czytelnikom stosowny wzmacniacz

klasy D zbudowany z ogólnie dostępnych

podzespołów, jednak okazało się to nie−

praktyczne ze względu na stopień skom−

plikowania i koszty.

Dopiero pod koniec ubiegłego roku za−

rysowała się możliwość prezentacji takie−

go wzmacniacza i to w wersji scalonej.

Firma SGS−THOMSON wprowadziła do

swego katalogu rodzinę scalonych

wzmacniaczy mocy audio klasy D.

Dzięki polskiemu przedstawicielstwu

firmy, Redakcja EdW otrzymała pewną

ilość próbek układu TDA7482, który jest

najsilniejszym przedstawicielem wspo−

mnianej rodziny, dając moc wyjściową

25W, przy sprawności (uwaga!) 87%,

czyli mocy strat tylko 3.8W!

Wzmacniacz mocy można potraktować

jak czarną skrzynkę, której zadaniem jest

wzmocnić niewielki sygnał wejściowy

i doprowadzić do głośnika sygnał o odpo−

wiednio dużej mocy.

Co to znaczy wzmocnić? W przyrodzie

energia czy moc nie powstaje sama z sie−

bie. Jeśli do głośnika ma być doprowa−

dzona duża moc (przez sygnał o dużym

napięciu i dużym prądzie), to energia ta

musi skądś pochodzić. Sygnał sterujący

(wejściowy) ma bardzo mała moc, a więc

do wzmacniacza należy doprowadzić

z zewnątrz moc – moc zasilania.

Inaczej mówiąc, wzmacniacz to

urządzenie, które przekształca dopro−

wadzoną moc zasilania (w postaci na−

pięcia i prądu stałego) na moc użytecz−

ną doprowadzoną do głośnika (w posta−

ci przebiegów zmiennych o kształcie

wyznaczonym przez sygnał sterujący

czyli wejściowy). Rysunek 1 ilustruje,

jak wyglądałoby to w idealnym przy−

padku. Cała dostarczona moc zasilania

powinna zostać zamieniona na moc

użyteczną.

Niestety, w praktyce jest to niemożli−

we ze względu na występowanie pew−

nych strat. Nie jest możliwe, by cała moc

zasilania zamieniła się na moc użyteczną.

Zawsze część mocy zasilania zamieni się

na ciepło.

Stosunek mocy użytecznej P U do mo−

cy zasilania P ZAS jest zawsze mniejszy niż

100%. Stosunek ten jest nazywany

sprawnością energetyczną i oznaczany

grecką literą eta

Przypomnienie

Jednym z największych wyzwań, któ−

re stoją przed elektronikami – konstrukto−

rami jest problem odprowadzania ciepła.

Rys. 1. Sprawność idealnego wzmacniacza

SGS THOMSON

ull. Marszałłkowska 82

00−517 Warszawa

tell. (0−22) 622−05−61

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98

Klub Konstruktorów

η =

ZAS

Wzmacniacze te

spełniają amerykańskie

normy dotyczące emis−

ji zakłóceń elektromag−

netycznych.

Harris oferuje także

gotowe opracowania

wzmacniaczy mocy do

sterowania subwoofe−

ra. Jeden moduł

(HIP100DCREF) jest

zasilany napięciem

akumulatora samo−

chodowego 12V. Pas−

mo przenoszenia wy−

nosi 20Hz...900Hz,

moc wyjściowa

100Wrms na głośni−

kach 0,75

Czy są tu jakieś reguły? Czy wartość

jest z góry ograniczona?

W zasadzie nie! Choć na pewno nie

jest możliwe uzyskanie sprawności 100%

(choćby ze względu na straty mocy przy

przepływie prądu przez rezystancje mie−

dzianych przewodów), teoretycznie moż−

na zbudować wzmacniacz o sprawności

99 czy 98%. Niestety, na obecnym stop−

niu rozwoju, używając dostępnych obec−

nie elementów (tranzystorów) nie potrafi−

my tego zrobić w sposób zadowalający.

Zawsze występują jakieś przeszkody, któ−

re objawiają swoją obecność stratami.

Przykładowo, aby zmniejszyć znie−

kształcenia, niektóre wzmacniacze pracu−

ją w klasie A, to znaczy tranzystory stop−

nia wyjściowego cały czas przewodzą

prąd. Uzyskuje się wprawdzie małe znie−

kształcenia, ale sprawność jest niska, rzę−

du 20%. To znaczy, że tylko 20% mocy

zasilania zamienia się na moc użyteczną,

a 80% wydziela się w postaci ciepła.

Teoretyczna maksymalna sprawność

wzmacniacza klasy B wynosi nieco po−

wyżej 75% i w żaden sposób nie może

być większa ze względu na przyjęte roz−

wiązanie układowe. Wzmacniaczy pracu−

jących w czystej klasie B nie spotyka się

ze względu na znaczne zniekształcenia.

Najpopularniejsze wzmacniacze mocy

pracują w tak zwanej klasie AB i ich cał−

kowita sprawność wynosi 50...60%.

Wzmacniaczy audio pracujących

w klasie C nie buduje się.

Natomiast nowoczesne wzmacniacze

impulsowe klasy D uzyskują sprawność

powyżej 90%, i to przy zniekształceniach

poniżej 0,1%.

Rysunek 2 ilustruje wielkości mocy

strat i mocy zasilania różnych typów

wzmacniaczy potrzebną do uzyskania tej

samej wyjściowej mocy użytecznej.

Obecnie największym problemem nie

jest zapewnienie wystarczającej mocy

zasilania – tu nie ma kłopotu, choć nieba−

gatelne znaczenie ma powszechny „eko−

logiczny” trend do oszczędzania energi−

i wszelkim sposobami. Przy obecnej ten−

dencji do miniaturyzacji największym

problemem staje się odprowadzenie

ciepła. Przy dużej mocy strat konieczne

jest zastosowanie dużego radiatora, który

uniemożliwia miniaturyzację.

Z tych punktów widzenia najlepszy byłby

wzmacniacz klasy D, o ile udałoby się uzys−

kać mały poziom zniekształceń. Uzyskanie

zniekształceń poniżej 0,1% nie jest już prob−

lemem. Pozostaje kwestia kosztów.

Z jednej strony wzmacniacz kla−

sy D umożliwi zastosowanie mniejszego,

tańszego radiatora, a z drugiej strony sam

układ elektroniczny będzie bardziej skom−

, a spraw−

ność powyżej 95%.

Moduł to okrągła płyt−

ka drukowana prze−

znaczona do przykrę−

cenia z tyłu głośnika.

Takie rozwiązanie, wy−

godne i zabierające

mało miejsca, jest

możliwe tylko dzięki

zastosowaniu wzmac−

niacza klasy D o spraw−

ności ponad 90%,

dzięki czemu moc

strat jest niewielka

i wymagany radiator

też jest mały, nawet

przy mocy użytecznej

100W.

Inny układ (HIP200AC−

REF) może dostarczać

do 200W (400W

w szczycie) przy znie−

kształceniach 0,1%, sprawności ponad

90% i paśmie 10...450Hz.

Więcej informacji na ten temat można

znaleźć w Internecie pod adresem:

www.semii.harriis.com

Inną znaną firmą, zajmującą się

wzmacniaczami klasy D jest SGS−THOM−

SON, który obecnie oferuje rodzinę scalo−

nych wzmacniaczy TDA748X:

TDA7480 10W obudowa POWERDIP

TDA7481 18W obudowa MULTIWATT15

TDA7482 25W obudowa MULTIWATT15

Do zbudowania użytecznego wzmac−

niacza konieczne jest dołączenie kilku

elementów zewnętrznych – niewiele

więcej, niż w klasycznym wzmacniaczu

scalonym.

Warto zauważyć, że układ TDA7480

umieszczony w 20−nóżkowej obudowie

DIP, przy mocy wyjściowej 10W nie wy−

maga zewnętrznego radiatora – do

chłodzenia wystarczą odpowiednio sze−

rokie ścieżki i pola miedzi na płytce dru−

kowanej. Starsi Czytelnicy pamiętają, że

kiedyś problemem było uzyskanie

Rys. 2. Sprawność wzmacniaczy rzeczywistych

plikowany i tym samym droższy. Póki co,

wzmacniacze klasy D są droższe od

wzmacniaczy klasycznych i jak na razie

nie mogą szerzej wejść na rynek.

W tej chwili firma Harris Semiconduc−

tor reklamuje swoje scalone sterowniki

do układów impulsowych – kostki typu

HIP4080A i HIP4081A pozwalające na

sterowanie czterech tranzystorów MOS−

FET N w układzie pełnego mostka, oraz

HIP2100 – ośmionóżkową kostkę do ste−

rowania pracą dwóch tranzystorów

MOSFET (półmostek).

Harris oferuje także w ramach licencji

moduły wzmacniaczy mocy rodziny Cool

audio o mocach 20W...400W do zasto−

sowań multimedialnych, motoryzacyj−

nych, czy instalacji Home Theater. Modu−

ły te zawierają między innymi wymienio−

ne wcześniej sterowniki. Uzyskiwane pa−

rametry są bardzo dobre:

pasmo 20Hz – 22kHz

sprawność >90%

zniekształcenia <0.05%

stosunek sygnał/szum >95dB.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98

Klub Konstruktorów

Rys. 3. Przebiegi wyjściowe wzmacniaczy

wejściowego (sterującego) po−

woduje, że na głośniku pojawia

się przebieg zmienny.

Uproszczony blokowy sche−

mat przykładowego wzmacnia−

cza klasy D pokazany jest na ry−

sunku 5.

Natomiast rysunek 6 przed−

stawia kluczowe przebiegi. Spo−

sób modulacji współczynnika

wypełnienia przebiegiem we−

jściowym podany na rysunku

5 nie jest sposobem jedynym

i najlepszym. W praktycznych

układach występują różne,

zwykle znacznie bardziej skom−

plikowane rozwiązania, zawiera−

jące także obwody sprzężenia

zwrotnego. Bardziej doświad−

czeni Czytelnicy zapewne będą

się zastanawiać, jak realizuje się ujemne

sprzężenie zwrotne gwarantujące, że

sygnał na wyjściu będzie miał dokładnie

taki sam kształt, jak wygnał wejściowy.

Rzeczywiście, sprawa jest tu bardziej zło−

żona, niż w klasycznym wzmacniaczu. Na

wyjściu wzmacniacza występuje przecież

przebieg prostokątny, natomiast przebieg

na głośniku na pewno jest przesunięty

w fazie przez filtr. Na dodatek przesunię−

cie fazy nie jest stałe, tylko zależne od

z kostki w podobnej obudowie mocy

użytecznej przekraczającej 1W (rodzina

UL149X).

Upowszechnienie się wzmacniaczy

klasy D jest tylko kwestią czasu. Nie wia−

domo jednak, czy to kostki TDA748X za−

początkują przełom, czy też na rozpo−

wszechnienie się wzmacniaczy impulso−

wych przyjdzie jeszcze trochę poczekać.

Trudno przewidzieć rozwój sytuacji, bo−

wiem grę wchodzą tu nie tylko kwestie

cenowe, ale również przyzwyczajenia

konstruktorów oraz coraz surowsze nor−

my dotyczące zakłóceń elektromagne−

tycznych. Sprawa zakłóceń jest tu dość

istotna, ponieważ przy złym zaprojekto−

waniu ścieżek i niewłaściwym rozmiesz−

czenia elementów układ rzeczywiście

może być źródłem zakłóceń.

napięcie (i prąd) na głośniku jest wyni−

kiem uśredniania przebiegu prostokątne−

go przez filtr dolnoprzepustowy. Aby to

skutecznie zrealizować, częstotliwość

przebiegu prostokątnego musi być znacz−

nie (co najmniej kilkakrotnie) większa, niż

najwyższa częstotliwość przebiegu wy−

jściowego. Dla wzmacniaczy audio częs−

totliwość ta jest rzędu 100kHz lub więk−

sza. Na rysunku 4 zilustrowano zasadę

uśredniania.

Zasada działania

Niezależnie, czy wzmacniacz mocy

jest wzmacniaczem klasycznym, czy im−

pulsowym klasy D, na głośniku musi wy−

stępować wzmocniony przebieg zmien−

ny. W klasycznym wzmacniaczu tranzys−

tory stopnia wyjściowego otwierają się

i zamykają płynnie, odwzorowując na

głośniku kształt przebiegu wejściowego.

Natomiast we wzmac−

niaczu klasy D tranzystory

stopnia wyjściowego pra−

cują jako klucze, czyli mają

tylko dwa stany: otwarty

/ zamknięty. W konsek−

wencji na wyjściu stopnia

końcowego występuje

wyłącznie przebieg prosto−

kątny. Przebieg ten poda−

ny jest na prosty filtr (dol−

noprzepustowy), który

z przebiegu prostokątnego

wytwarza analogowy syg−

nał zmienny. Ilustruje to ry−

sunek 3. Zasada jest tu

bardzo prosta: chwilowe

Rys. 4. Uśrednianie przebiegu prostokątnego

W spoczynku współczynnik wypełnie−

nia wynosi 50% i wtedy (uśrednione) na−

pięcie na głośniku jest równe zeru. Zmiana

współczynnika wypełnienia w takt sygnału

częstotliwości. Wiadomo, że każde prze−

sunięcie fazy ma wpływ na stabilność

wzmacniacza i może łatwo doprowadzić

do samowzbudzenia. Te problemy, choć

Rys. 5. Zasada działania wzmacniacza klasy D

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98

Klub Konstruktorów

Rys. 6. Kluczowe przebiegi

znaczonym do za−

silania napięciem

symetrycznym,

umieszczonym

w obudowie ty−

pu Multiwatt15.

Posiada wbudo−

wane zabezpie−

czenia:

– termiczne

(temperatura

struktury)

– zwarciowe (zwarcie wyjścia)

– napięciowe (nadmierne napięcie zasi−

lające).

Wyposażony jest także w obwody

elektronicznego wyciszania (MUTE) oraz

wyłączania (STAND−BY). Wszystkie koń−

cówki są zabezpieczone przed uszkodze−

niem ładunkami statycznymi o napięciach

do 1,2kV.

Katalogowy schemat aplikacyjny przeds−

tawiono na rysunku 7, a wyprowadzenia

na rysunku 8. Podstawowe dane za−

warte są w tabellii 1.

Na rysunku 7 wnętrze układu sca−

lonego pokazano w ogromnym

uproszczeniu, między innymi nie zazna−

czono oscylatora, a blok regulacji współ−

czynnika wypełnienia zaznaczono w po−

staci wzmacniacza operacyjnego z napi−

sem PWM. Szczegóły te się są potrzeb−

ne konstruktorowi, ale powinien on pa−

miętać, że ma do czynienia ze wzmac−

niaczem impulsowym, gdzie podczas

przełączania występują duże prądy. Klu−

czową sprawą jest więc umieszczenie

kondensatora odsprzęgającego zasilanie

C5 jak najbliżej układu scalonego. Gdyby

to był kondensator ceramiczny, należy

użyć egzemplarza na napięcie minimum

50V. Jak widać, kostka ma kilka końcó−

wek zasilania, zarówno stopni mocy

(POWer), jak i wejściowych czyli sygna−

łowych (SIGNal).

Obwód zdalnego wyłączania i wyci−

szania (STAND_BY i MUTE) może być

wykonany zupełnie inaczej, byleby tylko

zachować podane w tabeli napięcia i nie

przekroczyć na nóżce 10 napięcia +5,2V.

bardzo interesujące, są jednak zbyt trud−

ne dla większości Czytelników EdW.

Między innymi dlatego nie prezentowaliś−

my wzmacniacza klasy D zbudowanego

z pojedynczych elementów.

Na szczęście w opisanym dalej ukła−

dzie scalonym konstruktorzy postarali się

o rozwiązanie kluczowych problemów i za−

daniem konstruktora jest jedynie zaprojek−

towanie płytki zgodnie z zasadami obowią−

zującymi w urządzeniach większej mocy.

Opis układu TDA7482

Układ scalony TDA7482 jest monofo−

nicznym wzmacniaczem klasy D, prze−

Tabela 1

Zakres napięć zasilania: ±10... ±25 V

Prąd spoczynkowy: typ 40mA, max 60mA

Maksymalna temperatura złącza: +150°C

Zakres temperatur otoczenia: 0...+70°C

Rezystancja termiczna Rthjc: typ. 1,8K/W max 2,5K/W

Wyjściowe napięcie niezrównoważenia: typ −30mV (−70mV...+10mV)

Wzmocnienie: 30dB

Moc wyjściowa (Ucc=±21V, R L =8 Ω

, 1kHz, R S =50 Ω

, R F =12k Ω

, LC−60µH,

470nF)

Rys. 8. Układ wyprowadzeń

THD=10%: 25W

THD=1%: 18W

Moc wyjściowa (Ucc=±16V, R L =4

LC−30µH,1µF)

W praktyce pewnym problemem bę−

dzie wykonanie dławika o indukcyjności

60µH (dla głośnika 8

THD=10%: 25W

THD=1%: 18W

Moc strat (Ucc=±21V, R L =8

) lub 30µH (dla

, Po=25W THD=10%): 3.8 W

), który nie ulegnie nasyceniu

przy prądzie odpowiednio 2,5A oraz 3,5A.

Najlepiej zakupić taki dławik na giełdzie,

upewniając się, czy może on pracować

przy takim prądzie.

Częstotliwość oscylatora można zmie−

niać zmieniajac wartość RF (typowo

12k

Sprawność (Ucc=±21V, R L =8 Ω

, Po=18W THD=1%): 87%

Sprawność (Ucc=±25V, R L =8

, Po=43W THD=20%): 88,5%

, Po=1W): typ. 0,1%

Maksymalny prąd wyjściowy: typ 5A, min 3,5A

Rezystancja tranzystorów stopnia wyjściowego: typ 0,4

Ω

Szumy wejściowe (wg krzywej A, 20Hz...22kHz): typ 7µV, max 12µV

Temperatura graniczna zabezpieczenia termicznego: +150°C

Napięcie graniczne obwodu zabezpieczenia napięciowego: min. 50V

Rezystancja wejściowa: typ 30k

daje częstotliwość 120kHz).

Ze wzmacniacza można próbować

„wydusić” większą moc niż katalogo−

we 25W, ale tylko z głośnikiem 8

Ω

Tłumienie tętnień zasilania (100Hz): typ 60dB, min. 46dB

Czas narastania i opadania: typ. 50ns

Maksymalne napięcie na R F (nóżka 6): 8V

Obwód MUTE/STAND−BY (nóżka 10):

Wyłączenie: 0...0,8V

Wyciszenie: 1,8...2,5V

Praca 4...5,2V

Prąd spoczynkowy w trybie STAND−BY: typ. 3mA, max 5mA

Tłumienie przy wyciszeniu: typ. 80dB, min. 60dB

Zakres częstotliwości oscylatora: 100...200kHz

Zalecana częstotliwość oscylatora: 120kHz (100...140kHz)

Rezystancja ustalająca częstotliwość R F : typ 12k Ω

, min 20k

stosując sztywny zasilacz z transfor−

matorem toroidalnym o napięciu

2x17V. Z głośnikiem 4

znacznie więk−

szej mocy raczej nie da się uzyskać ze

względu na ograniczenie wyjściowego

prądu do wartości typowej 5A, mini−

malnej 3,5A.

Rysunek 9 przedstawia szkic płytki

drukowanej, zalecanej przez SGS−THOM−

SON. Nie trzeba się niewolniczo trzymać

tego projektu, ale warto przeanalizować

przebieg ścieżki masy oraz obwodów filt−

racji zasilania. Jak widać, płytka wcale nie

(7...14k Ω

)

Częstotliwość oscylatora: 1.4x10 9 Hz

/R F

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98

głośnika 4

Zniekształcenia – THD (R L =8

Klub Konstruktorów

Rys. 7. Schemat ideowy wzmacniacza z kostką TDA7482

jest miniaturowa. Niewątpliwie można ją

zmniejszyć.

Na rysunku 9 zaznaczono spory ra−

diator. W rzeczywistości do rozprosze−

nia mocy strat wynoszącej około 3,8W

wystarczy kawałek blachy aluminiowej

lub miedzianej o powierzchni kilkudzie−

sięciu centymetrów kwadratowych.

Można go dobrać eksperymentalnie.

Jeśli w czasie pracy pełną mocą radia−

tor nie jest zbyt gorący i można go do−

tknąć ręką, to jego wielkość jeż dobra−

na ze sporym zapasem bezpieczeńs−

twa. Teoretycznie kostka mogłaby

współpracować z maleńkim radiator−

kiem z kawałeczka blachy, niewiele

większym, niż wymiary obudowy kost−

ki. Temperatura radiatora, (a właściwie

wkładki radiatorowej kostki) mogłaby

sięgać +120°C (w tej temperaturze kro−

pelka woda momentalnie wyparowuje

z sykiem), i mimo wszystko dopusz−

czalna temperatura złącza nie zostałaby

przekroczona (nawet praca bez radiato−

ra nie grozi uszkodzeniem ze względu

na wbudowane zabezpieczenie ter−

miczne). Oczywiście zastosowanie ra−

diatora większego niż wymagane mini−

mum jest jak najbardziej korzystne ze

względu na wzrost niezawodności.

Rys. 9. Przykładowa płytka drukowana

W niniejszym artykule podano wszys−

tkie istotne informacje zawarte w karcie

katalogowej układu TDA7482. Pełną kar−

tę katalogową można ściągnąć przez In−

ternet spod adresu www.st.com

Uwaga!

Czytelnicy EdW mają wielką szan−

sę osobiście wypróbować wzmac−

niacz z kostką TDA7482. Układy do−

starczone przez firmę SGS−THOM−

SON zostaną bezpłatnie przekazane

osobom, które nadeślą najbardziej

przekonujące listy. Na zgłoszenia

czekamy do końca czerwca.

Piiotr Góreckii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/98

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: