wzmacniacz 2 po 250watt.pdf

Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W

Wysokosprawny

wzmacniacz audio

2x250W, część 1

AVT−5015

Na rynku uk³adÛw

scalonych do wzmacniaczy

audio d³ugo panowa³ zastÛj.

W†ostatnich dwÛch latach

nast¹pi³ rewolucyjny prze³om,

ktÛry z†pewnym opÛünieniem

dotar³ takøe do Polski:

w†artykule przedstawiamy

opis konstrukcji wzmacniacza

audio wysokiej jakoúci,

o†bardzo duøej mocy

muzycznej (2x250W), ktÛry

praktycznie nie wymaga

ch³odzenia. Niewiarygodne?

Zobaczcie sami!

Ojcem (matk¹?) sukcesu jest

amerykaÒska firma Tripath, ktÛra

po latach doúwiadczeÒ ze wzmac-

niaczami audio pracuj¹cymi w†kla-

sie D (z cyfrow¹ modulacj¹ syg-

na³u audio metod¹ PWM) opraco-

wa³a w³asn¹, zupe³nie now¹ klasÍ

wzmacniaczy, ktÛr¹ nazwan¹ T.

Podstawowa zasada dzia³ania

wzmacniaczy pracuj¹cych w†klasie

T jest podobna do klasycznych

wzmacniaczy impulsowych, tzn.

sygna³ wyjúciowy wzmacniacza jest

ci¹giem impulsÛw o†modulowanym

wype³nieniu i†- istotna nowoúÊ -

czÍstotliwoúci. To w³aúnie dziÍki

modyfikowaniu czÍstotliwoúci noú-

nej PWM wzmacniacze pracuj¹ce

w†impulsowej klasie T nie znie-

kszta³caj¹ sk³adowych sygna³u wyj-

úciowego o†czÍstotliwoúciach po-

wyøej 1,5..2kHz jak dzieje siÍ to

w†klasie D ( rys. 1 ), w†zwi¹zku

z†czym maj¹ pasmo przenoszenia

porÛwnywalne ( rys. 2 ) ze wzmac-

niaczami pracuj¹cymi w†klasie A

lub AB. Tak dobry wynik osi¹g-

niÍto - niestety - doúÊ duøym

kosztem, poniewaø sygna³ wejúcio-

wy poddawany wzmacnianiu jest

poddawany dog³Íbnej analizie wid-

mowej przez procesor sygna³owy

wbudowany w†uk³ad steruj¹cy ( rys.

3 ). Procesor ten odpowiada za

dostosowanie czÍstotliwoúci noúnej

do widma sygna³u wejúciowego,

a†takøe - dziÍki rozbudowanym

obwodom sprzÍøenia zwrotnego -

dostosowuje parametry sterowania

wyjúciowych tranzystorÛw mocy

do ich indywidualnych charakte-

rystyk. DziÍki temu dobranie tran-

zystorÛw pracuj¹cych w†koÒcÛw-

kach mocy nie jest zbyt trudne.

Wed³ug informacji udostÍpnionych

przez producenta, czÍstotliwoúÊ

noúnej PWM dla sygna³Ûw o†nie-

wielkich amplitudach i†niskich

czÍstotliwoúciach wynosi ok.

1,2MHz. Spada ona do ok. 200kHz

dla sygna³Ûw o†bardzo duøych am-

plitudach. DziÍki uzaleønieniu

czÍstotliwoúci sygna³u noúnego od

amplitudy sygna³u wyjúciowego

poszerzeniu ulega zakres liniowej

pracy elementÛw indukcyjnych,

ktÛre wykorzystano do filtracji

sygna³u wyjúciowego.

W†tym momencie wypada za-

daÊ pytanie, po co inøynierowie

Najważniejsze parametry i właściwości

wzmacniacza AVT−5015:

moc muzyczna: 2x250W (THD=1,2%, R L =4

moc wyjściowa dla sygnału sinusoidalnego

i THD=0,1% (R L =4

): 150W,

pasmo przenoszenia: 17Hz..80kHz,

odstęp sygnału od szumu: >99dB,

separacja kanałów nie gorsza niż: −75dB (w

całym pasmie),

klasa pracy: T,

sprawność (P out =160W, R L =4

): 87%,

wbudowane zabezpieczenia

antyprzeciążeniowe.

Elektronika Praktyczna 5/2001

P R O J E K T Y

Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W

Rys. 1. Zniekształcenia w funkcji częstotliwości

wzmacniacza pracującego w klasie D.

Rys. 4. Zawartość harmonicznych w sygnale

wyjściowym przykładowego wzmacniacza

pracującego w klasie D.

Rys. 2. Zniekształcenia w funkcji częstotliwości

wzmacniacza pracującego w klasie T.

Rys. 5. Zawartość harmonicznych w sygnale

wyjściowym przykładowego wzmacniacza

pracującego w klasie T.

firmy Tripath tak bardzo skompli-

kowali wzmacnianie sygna³u au-

dio? Odpowiedü jest bardzo pros-

ta: ze wzglÍdÛw oszczÍdnoúcio-

wych. Wzmacniacze pracuj¹ce

w†klasie AB lub A charakteryzuj¹

siÍ doskona³ymi parametrami (ma-

³e zniekszta³cenia, duøe wzmoc-

nienie, szerokie pasmo przenosze-

nia), lecz maj¹ ma³¹ a†nawet

bardzo ma³¹ (zw³aszcza wzmac-

niacze pracuj¹ce w†klasie A)

sprawnoúÊ energetyczn¹. Z†kolei

wzmacniacze impulsowe pracuj¹-

ce w†klasie D maj¹ duø¹ spraw-

noúÊ energetyczn¹ (nawet do

88%), ale wnosz¹ do wzmacnia-

nego sygna³u doúÊ duøe znie-

kszta³cenia, ktÛre s¹ szczegÛlnie

dokuczliwe dla sk³adowych syg-

na³u wyjúciowego o†wyøszych

czÍstotliwoúciach ( rys. 4 ). Odtwa-

rzanie muzyki za pomoc¹ wzmac-

niacza o†tak duøych zniekszta³ce-

niach jest praktycznie niemoøli-

we, w†zwi¹zku z†czym klasa D

doskonale przyjÍ³a siÍ w†syste-

mach kina domowego, gdzie ener-

gooszczÍdne wzmacniacze s¹ wy-

korzystywane do zasilania g³oúni-

kÛw subniskotonowych o†paúmie

przenoszenia do 250..500Hz. Na

rys. 5 pokazano charakterystykÍ

ilustruj¹c¹ poziom zniekszta³ceÒ

w†funkcji mocy wyjúciowej

wzmacniacza klasy T. PrzyjÍto

warunki pomiarowe identyczne,

jak dla odpowiedniego uk³adu

pracuj¹cego w†klasie D (charakte-

rystyka z†rys. 4) - przedstawiony

wykres nie oznacza, øe w†zbudo-

wanym przez nas wzmacniaczu

przy 10W mocy wyjúciowej po-

ziom zniekszta³ceÒ osi¹ga 10%!

niaczy o†mocy wyjúciowej (sinus)

ok. 150W w†kaødym kanale. W³aú-

nie ten uk³ad zastosowaliúmy

w†prezentowanym projekcie.

Opis uk³adu

Prezentowany w artykule

wzmacniacz powsta³ w†oparciu

o†bardzo szczegÛ³owe zalecenia

producenta uk³adu TA0102A.

W†dokumentacji udostÍpnionej

m.in. na stronie www.tripath.com

znajduje siÍ tak wiele wytycz-

nych, øe potencjalny wykonawca

wzmacniacza ma stosunkowo nie-

wiele do zrobienia: zaprojektowaÊ

p³ytkÍ drukowan¹. Jak siÍ jednak

okaza³o, nie jest to zadanie zbyt

proste, poniewaø pr¹d przep³ywa-

j¹cy impulsowo przez kluczowane

z†duø¹ szybkoúci¹ tranzystory mo-

cy powoduje powstawanie doúÊ

duøych zak³ÛceÒ, ìchÍtnieî wyko-

rzystywanych przez wzmacniacz

jako pretekst do wzbudzania siÍ.

Schemat elektryczny najwaøniej-

szej czÍúci wzmacniacza pokazano

na rys. 6 . Jak ³atwo siÍ domyúleÊ,

najwaøniejszym elementem wzmac-

niacza jest uk³ad scalony U1. Syg-

na³y wejúciowe IN_L i†IN_R s¹

TA0102A - serce

wzmacniacza

Pierwsze prÛby ze wzmacnia-

czami pracuj¹cymi w†klasie T kon-

struktorzy firmy Tripath prowadzi-

li buduj¹c je z†elementÛw dyskret-

nych. Okaza³o siÍ, øe zoptymali-

zowany projekt sterownika moøna

umieúciÊ w†pojedynczej obudowie

i†dostarczaÊ go w†postaci goto-

wych modu³Ûw hybrydowych, nie

wymagaj¹cych praktycznie øadne-

go ìstrojeniaî. Jednym z†pierw-

szych uk³adÛw tego typu na rynku

by³ TA0102A, sterownik wzmac-

Tab. 1. Wartość czasu “martwego”

w zależności od położenia zworek

JP1 i JP2.

Zwarte

Czas

styki

“martwy”

JP1

JP2

[ns]

1−2

145

1−2

2−3

105

2−3

1−2

Rys. 3. Schemat blokowy układu TA0102A.

2−3

Elektronika Praktyczna 5/2001

Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W

Rys. 6. Schemat elektryczny wzmacniacza.

wstÍpnie filtrowane za pomoc¹

pasywnych filtrÛw LC, a†sk³adowa

sta³a, jaka moøe w†nich wyst¹piÊ

jest separowana za przez konden-

satory C35 i†C36. Do wejúÊ sygna-

³owych IN1 i†IN2 U1 do³¹czono

dwa potencjometry R17 i†R18, za

pomoc¹ ktÛrych ustala siÍ napiÍcie

polaryzuj¹ce stopieÒ wejúciowy

wzmacniacza. Na z³¹cze wejúciowe

JP4 wyprowadzono takøe sygna³

wyciszania wzmacniacza MUTE. Je-

øeli zostanie podany na to wejúcie

sygna³ cyfrowy o†poziomie napiÍcia

odpowiadaj¹cym logicznej ì1î

wzmacniacz przestanie pracowaÊ.

Po ok. 200 ms od chwili podania

na to wejúcie logicznego ì0î

wzmacniacz rozpoczyna normaln¹

pracÍ. Jeøeli wejúcie to nie bÍdzie

wykorzystane moøna uaktywniÊ

wzmacniacz ìna sta³eî, zwieraj¹c

styki 2-3 jumpera JP3.

Bardzo istotn¹ rolÍ, zw³aszcza

dla bezpieczeÒstwa kosztownego

uk³adu TA0102A, pe³ni impulso-

wy stabilizator napiÍcia U2. Jest

to uk³ad z†rodziny SimpleSwitcher

produkowanej przez National Se-

micondutors. Pracuje on w†swojej

typowej aplikacji stabilizatora ob-

niøaj¹cego napiÍcie wejúciowe,

a†jego zadaniem jest utrzymanie

12-woltowego odstÍpu napiÍcia za-

silaj¹cego wejúcie referencyjne

VN12 U1 od ujemnego napiÍcia

zasilania -45V. Poniewaø pod

wp³ywem zmian ob-

ci¹øenia wartoúÊ

ujemnego napiÍcia

zasilaj¹cego moøe siÍ

zmieniaÊ w†szerokich

granicach, producent

zaleca stosowanie

schematu zasilania

tego wejúcia jak po-

kazano na rys. 7 .

Teoretycznie moøli-

wy, prostszy w†reali-

zacji wariant zasila-

nia pokazany na rys.

8 , nie zapewnia bez-

pieczeÒstwa pracy

U1. Zastosowanie

doúÊ kosztownego

stabilizatora impulso-

wego wyniknÍ³o

z†faktu, øe wiÍkszoúÊ

klasycznych stabiliza-

torÛw 3-koÒcÛwko-

wych nie pracuje sta-

bilnie w†przypadku wykorzystanie

bieguna zasilania jako wejúcia re-

ferencyjnego (masy). Poniewaø na-

Elektronika Praktyczna 5/2001

Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W

WYKAZ ELEMENTÓW

Końcówka mocy

T1..T4: STB19NB20

U1: TA0102A

U2: LM2594HV−13

Różne

L1, L2: 11

Ω

R3, R6, R11, R14: 0,01

/1W

bezindukcyjne

R4, R5, R9, R10: 5,6

H/10A

L3, L4: według opisu w tekście

L5: 330

/1W

bezindukcyjne

R7, R12: 33

H/2A

L6, L7: 1

/2W bezindukcyjne

H/10A

JP1..JP3: goldpiny 1x3 z jumperami

ARK2 2 szt.

ARK3 2 szt.

Listwa goldpin z 38 stykami

(podstawka dla TA0102A)

Radiator aluminiowy zgodnie

z opisem w tekście

R8, R13: 1k

/1W bezindukcyjne

Rys. 7. Zalecany sposób

wytwarzania napięcia

polaryzującego VN12.

R15: 1,5k

Ω

R17, R18: 10k

potencjometry

miniaturowe

R19..R22: 1M

Ω

R30, R31: opcjonalnie według

opisu w tekście

Kondensatory

C1..C7, C14, C16, C17:

100nF/100V

C8, C13, C15, C27: 100

Blok zabezpieczenia głośników

(opcjonalny)

F/100V

Rezystory

R23, R24: 1M

Rys. 8. Nieprawidłowy sposób

wytwarzania napięcia

polaryzującego VN12.

C9, C10, C34: 100nF/50V

C11: 10

F/100V

Ω

R26, R27: 100k

F/25V

C18..C23: 10nF/100V

C28, C29: 100

Ω

Kondensatory

C24..C26: 1

piÍcie zasilaj¹ce U2 ma duø¹

wartoúÊ, niezbÍdnym okaza³o siÍ

zastosowanie stabilizatora wysoko-

napiÍciowego (LM2594HV - High

Voltage, moøe pracowaÊ przy na-

piÍciu wyjúciowym wynosz¹cym

maksymalnie 57V), a†ze wzglÍdu

na wygodÍ montaøu zdecydowano

siÍ na uøycie uk³adu o†fabrycznie

ustalonym napiÍciu wyjúciowym.

Wbudowany w†U1 procesor ste-

ruj¹cy wyjúciowe tranzystory mocy

moøna skonfigurowaÊ za pomoc¹

zworek JP1 i†JP2 w†taki sposÛb, aby

zoptymalizowaÊ parametry sterowa-

nia pod k¹tem szybkoúci ich pracy.

F/150V

C30, C31: 220nF

C32, C33: 47pF

C35, C36: 1

F/50V

Półprzewodniki

D6: BAT83

D7: MBR150 lub MBR160

D9: 1N4148

Q5: BC557

Q6..Q9: BS170

Różne

Przekaźnik np. Schrack RTE24−005

F/25V

C37..C40: 10nF/50V

Półprzewodniki

D1..D4: MUR120

D5: dowolna LED

D8: MBR150 lub MBR160

Oznacza to, øe podczas prze³¹czania

par tranzystorÛw T1, T3 i†T2, T4

procesor pomiÍdzy cyklami naprze-

miennego w³¹czania tranzystorÛw

wstawia czas ìmartwyî kiedy to

obydwa tranzystory powinny byÊ

wy³¹czone. Funkcja ta naywa siÍ

Break-Before-Make , a†jej zadaniem

jest m.in. zminimalizowanie start

energii w†przypadku zastosowania

niezbyt szybkich tranzystorÛw wyj-

úciowych. W† tab. 1 zestawiono war-

toúci czasu ìmartwegoî w†zaleønoú-

ci od ustawienia zworek JP1 i†JP2.

W†przypadku zastosowania spraw-

dzonych w†naszym laboratorium,

w†zwi¹zku z†czym zalecanych tran-

zystorÛw STB19BN20 czas ìmart-

wyî powinien wynosiÊ 65ns.

Konstrukcja stopni koÒcowych

wzmacniacza jest niezbyt interesu-

j¹ca (czytaj: ma³o skomplikowana),

lecz wymagania stawiane zastoso-

wanym w†nich elementom s¹ bar-

dzo wysokie. TwÛrcy uk³adu

TA0102A wykazali siÍ ogromnym

doúwiadczeniem, dziÍki czemu

w†obydwu ga³Íziach stopni koÒco-

wych moøna zastosowaÊ tranzysto-

ry unipolarne z†kana³em N, zamiast

najczÍúciej stosowanych par kom-

plementarnych. Pomimo ci¹g³ego

udoskonalania technologii, tranzys-

tory mocy z†kana³em P†ci¹gle po-

Rys. 9. Schemat elektryczny opcjonalnego bloku zabezpieczającego głośniki.

Elektronika Praktyczna 5/2001

Rezystory

R1, R2: 20k

R16: 10k

R25: 20k

C12: 100

R28: 220k

Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W

zostaj¹ krok w†tyle (s¹ zazwyczaj

wolniejsze) za swoimi odpowiedni-

kami z†kana³em N. DziÍki temu

unikamy koniecznoúci p³acenia wiÍ-

cej lub ømudnego dobierania par

podobnych tranzystorÛw, co zreszt¹

nie zawsze jest moøliwe.

Uk³ad U1 jest wyposaøony

w†system autodiagnostyki, ktÛrego

stan jest sygnalizowany za pomo-

c¹ diody úwiec¹cej D5, sterowanej

sygna³em z†wyjúcia HMUTE U1.

åwiecenie tej diody oznacza po-

prawne warunki pracy uk³adu.

W†przypadku wyst¹pienia przetÍ-

øenia w†stopniu wyjúciowym dio-

da D5 gaúnie sygnalizuj¹c awariÍ.

Ponowne w³¹czenie wzmacniacza

wymaga zmiany stanu logicznego

na wejúciu MUTE w†cyklu 0-1-0

lub wy³¹czenia i†w³¹czenia zasi-

lania. W†przypadku zbyt niskiego

lub zbyt wysokiego napiÍcia za-

silania dioda D5 takøe gaúnie,

a†powrÛt wzmacniacza do pracy

jest moøliwy dopiero po podaniu

napiÍcia zasilaj¹cego o†w³aúciwej

wartoúci.

Dodatkowe bloki

funkcjonalne

Niezobowi¹zuj¹cym uzupe³nie-

niem prezentowanej konstrukcji

jest blok zabezpieczenia g³oúni-

kÛw przed uszkodzeniem stopni

wyjúciowych, ktÛry jednoczeúnie

spe³nia rolÍ ich od³¹cznika, ste-

rowanego sygna³em HMUTE.

Schemat elektryczny tej czÍúci

uk³adu pokazano na rys. 9 . Jest

to dok³adna kopia bloku zabezpie-

czaj¹cego opracowanego przez in-

øynierÛw firmy Tripath. Jego za-

let¹ jest prostota uk³adowa i†od-

pornoúÊ na potencjalne uszkodze-

nia, lecz - jak pokaza³y doúwiad-

czenia prowadzone ze wzmacnia-

czem - jego stosowanie nie jest

niezbÍdne. W†przypadku rezygna-

cji ze stosowania bloku zabezpie-

czaj¹cego naleøy zewrzeÊ za po-

moc¹ grubego przewodu miedzia-

nego styki przekaünika i†koniecz-

nie zainstalowaÊ nastÍpuj¹ce ele-

menty: L6, L7 i†C18..C23. Z†mon-

taøu pozosta³ych elementÛw moø-

na zrezygnowaÊ.

Piotr Zbysiñski, AVT

piotr.zbysinski@ep.com.pl

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/maj01.htm oraz na p³ycie

CD-EP05/2001B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 5/2001

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: