10 W audio amp design

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

Napajanje in ojačevalna stopnja za 10 W audio ojačevalnik za kitaro Načrtovanje in analiza Jošt Balent 6/1/2013

Korak za korakom od načrtovanja napajalnika ter močnostne stopnje do simulacije, meritev ter analize in vrednotenja končnega izdelka.

UVOD Zaradi veselja do glasbe, sem se odločil izdelati 10W eno-kanalni ojačevalnik za kitaro oz. MP3 predvajalnik. Za močnostni ojačevalnik sem uporabil LM1875 IC od Texas Instruments. To integrirano vezje sem izbral, ker mi omogoča izdelavo močnostne stopnje z majhnim številom zunanjih komponent. Vsebuje tudi tokovno omejitev na 4A ter zaščito pred pregrevanjem. Izklopi se pri 150 °C.Meje napajanja so od 16V do 60V. Maksimalna izhodna moč pa je 30W na 8Ω bremenu in 20W na 4Ω.Priporočljivo je uporabiti polovico možnega ojačanja, saj s tem podaljšamo uporabno dobo čipa. LM1875 potrebuje hlajenje, da se ne pregreva tudi v primeru, ko na izhodu ni bremena. Hladilno telo je potrebno pritrditi na hrbtno stran čipa. Kovinska hrbtna stran je v čipu vezana na negativno napajalno sponko, zato je potrebno pri dvojnem napajanju hladilno telo električno izolirati od samega čipa. V ta namen uporabimo izolirno pasto. Pri enojnem napajanju je negativna sponka vezana na maso in s tem tudi hrbtna stran čipa, zaradi česar lahko hladilno telo pritrdimo neposredno na hrbtno stran čipa brez izolirne paste, s tem pa se izognemu dodatni termični upornosti paste. Odločil sem se za dvojno napajanje, ker mi to omogoča uporabo manjših in cenejših kondenzatorjev v napajalniku in v ojačevalniku, na izhodu pa se znebimo pokanja zvočnika pri vklopu. Prav tako ne potrebujemo velikega izhodnega kondenzatorja v velikosti 2200µF. Slaba stran tega pa je, da moramo zaradi temperaturne upornosti izolirne paste uporabiti hladilno telo z manjšo termično upornostjo, ki je dražje in večje.

NAČRTOVANJE NAPAJALNE NAPETOSTI ZA ČIP V kataloških podatkih za LM1875 najdemo podatke o potrebnem napajanju pri določeni izhodni moči v odvisnosti od bremena: = 25

=8

= ±25

Vršna napetost na bremenu: = 2⋅ ⋅ = 20 Padec napetosti na čipu : = − =5

Izračun vršne napetosti za = 10 @4 : = 2⋅ ⋅ = 2 ⋅ 10 ⋅ 4 = 8,944 Izračun napajalne napetosti za 4Ω breme : = + = 8,944 + 5 = 13.944

Sklepali smo , da je ∆V neodvisna od bremena.

2

Shema vezja LM1875:

Shema močnostne stopnje:

Shema napajalnega vezja brez bremena:

3

NAČRTOVANJE HLADILNEGA TELESA ZA LM1875

Moč, ki se porabi na samem čipu kot gretje lahko dobimo iz grafa v kataloških podatkih, ali pa jo izračunamo s pomočjo formul, ki so približne, saj temeljijo na predpostavki enakomerne temperaturne porazdelitve po celotnem vezju ter v poštev jemljejo le izhodni del vezja, ki je najbolj obremenjen. Glede na grafe je pri Pout=10W in napajanju = ±15 ter = 4Ω grelna moč enaka 12,5W. Grelno moč lahko izračunamo sledeče: Stopnja v AB razredu deluje tako, da pol periode prevaja en tranzistor, drugo polovico periode pa drugi tranzistor. Na podlagi vršnega sinusnega toka v času ene pol periode in pri 50% duty-cycel-u izračunamo povprečni tok skozi tranzistor: !"

#"

=

. !"&'( 1 1 % !"&'( ⋅ )*+ , ⋅ -, = ⋅ !"&'( ⋅ 012) 0 − 12) $ 3 = $ 2⋅$ / 2⋅$

!"&'( =

2⋅

" 8'9'

= !"

!"

#"

= 0.7126

:8& ;'

=

#"

⋅ ⋅

" 8'9'

−

2 ⋅ 10 =4 4

= 2.2366

= 0.7126 ⋅ 27.888 = 19.86 = 9.86

Tu nismo upoštevali mirovnega napajalnega toka. Povprečni tok se nam s tem poveča za 70mA, kar je kataloški podatek za LM1875, s tem pa se poveča tudi gretje čipa: !

= !" #" + !< = 0.7126 + 0.076 = 0.7826 = ! ⋅ = 0.7826 ⋅ 27.888 = 21.8 − = 11.808 :8& ;' =

4

Podoben rezultat dobimo po sledeči sledeč poti:

?&B &?@

!&?B

"

??

⋅ )*+ ,

&&

!&?@

. 1 C% ! ⋅ ⋅ -, = 2 ⋅ $ / &?B &?B Po integraciji dobimo : =

1 2⋅$⋅

>2 ⋅

??

&&

%

@⋅.

.

⋅

"

!&?@ ⋅ @ "

&?@

⋅ -,E

⋅ $D

moč največja: čja: Sedaj bomo izračunali pri kateri vršni izhodni napetosti bo grelna moč - = =0 - " 1 2⋅$⋅

⋅ >2 ⋅

??

??

&&

"

$

&&

2⋅

"

⋅ $D

0

Vcc+Vee=Vs=27.88V " = A

8.877 ??

&&

@

2 ⋅ $@ ⋅ ! ⋅ 1.952

27.888@ 2 ⋅ $@ ⋅ 4

@

9.85

skupna grelna moč je : 11.802 :8& ;' = A

5

Sledijo izračuni za maksimalno termično upornost hladilnega telesa s pomočjo nadomestnega termičnega vezja ter temperaturnih kataloških podatkov za čip:

FG − ,HIJHKL,MKL 2N2OPL, Q +LšHI JK*IHKM QSLIHI2 2- 50°U − 70°U

FV − NL,LO2šN* J2-L,HN SL ILN)*ILO+2 ,HIJHKL,MK2 )J2PL, SL WX1875 S+LšL 150°U YVG − ,HKI*č+L MJ2K+2), IH- )J2PHI ,HK 2N2OPHI 2S. 1HO2,+L ,HKI*č+L MJ2K+2), YV[ − ,HKI*č+L MJ2K+2), IH- )J2PHI ,HK 2ℎ*šPHI č*JL, N* PH 3° U ⁄ Y[< − ,HKI*č+L MJ2K+2), *S2O*K+H JL),H, N* PH ,*J*č+2 1,6° U ⁄

; NL,LO2šN* J2-L,HN

Y √2 ⋅ =

= 33.8 , ILN)*ILO+L KHQHKS+L +LJH,2), +L M)IHK+*NM

@&–

!@&–

$ 1.11 ⋅ «Œ • —

= 0.760406, J2IL+PšL+ J2QJKHč+* ,2N SLKL-* IL+PšH_L !@&–

Posledično bo moč na izhodu : =C

$ ⋅ 0!–

−! 3

GŽ

@

E ⋅ = 9.4089 2 Gretje pa ostaja prakitčno enako: − = 11.797W :8& ;& = !– GŽ ⋅

!¬

$@ ⋅! 2⋅— –

= 7.256, ILN)*ILO+L ,KH+M,+L QKH-+2), ,2NL )N2S* -*2-2

GŽ

!¬¨©< = 2.086, H-HN,*Q+* ,2N )N2S* -*2-2 ® ! @ ⋅ -, >

± ⋅[ Ž¯¯°

¨²

= 4.116) @ , maks. obremenitev pri vklopu.

V poštev pride 10A usmernik KBPC1010. kataloški podatki za KBPC1010 YV[ = 6,3°C/W FG = 70°C

FV = 150°U Izračuni: =

=

F‹˜& =

=

∙ !@&– @ +

=

–

∙ YV[ =7°C

∙!

=1.11W

Hladilnega telesa ne potrebujemo.

9

SIMULACIJA NAPAJALNIKA IN OJAČEVALNE OJA EVALNE STOPNJE S TINA TI 9 SIMULATORJEM

Rezultati simulacije napajalnika s 17,83Ω Ω bremenom

Skica vezja za simulacijo:

Slika izhodne Vs+ sponke in valovitost @10ms/div @1 v simulatorju tina ti 9:

= 13,41 ¶'· "¸" = 2,46 ∆ ¶'· "¸"

" #"

∆ ∆ š

8¶

∆Ž¯°² Ž¹º»¹

0,870 2 ∙ √2 6.5%,, privzeli smo, da je oblika signala sinusna z Vp=14,5V in13,41V DC nivojem

f=100Hz Dvojna frekvenca je posledica polnovalnega usmerjanja.

10

Simulacija ojačevalne stopnje z idealnim napajanjem

Skica vezja za simulacijo :

Bodejev diagram:

Ojačanje je konstantno skozi celotno slušno področje f=[12Hz,22Khz]. Fazni potek je nekoliko slabši, saj je približno konstanto šele od f=100Hz dalje.

11

ŠUMNE LASTNOSTI OJAČEVALNE STOPNJE Vse simulacije opravljene pri: ˜¼ = 0,14 ∙ sin ž ∙ , , 6 = 20 = 26-• S/N razmerje:

Proti koncu slišnih frekvenc razmerje med signalom in šumom upade na 23dB. Simulacija je narejena z najmanjšim signalom, ki ga proizvede kitara (0.15Vpeak). Vhodni šum:

Izhodni šum:

12

Skupni šum:

Fourierjeva analiza amplitudnega in faznega spektra: 4096 točk 16 višjih harmonskih komponent pri bazni frekvenzi f=1KHz:

Total Harmonic Distortion (THD)=0,02%

13

SIMULACIJA MOČNOSTNE STOPNJE SKUPAJ Z NAPAJALNIKOM: Skica vezja za simulacijo:

Slika izhoda pri Vin=0.6V sin(wt),f=1Khz, DC offset =100mV-tik pred rezanjem:

Maksimalna vršna napetost ,ki je lahko na izhodu, je omejena z Vs.Če bi povečali vhodno amplitudo ali ojačanje bi prišlo do rezanja vrhov sinusa, saj bi to zahtevalo večjo napetost, kot je Vs. To ustvari enosmerno komponento na zvočniku, ki lahko pregreje tuljavo od zvočnika. Rezanje pri Vin=0.8sin(t):

14

MOŽNE IZBOLJŠAVE TER OPIS DELOVANJA MOČNOSTNE MOČNOSTNE STOPNJE shema za razlago delovanja:

Delovanje vezja in razlaga vloge komponent: Kondenzator C2 je vezni kondenzator, ki blokira enosmerno komponento. Upor R1 je breme za Vin, saj v pozitivno sponko ojačevalnika čevalnika praktično prakti no ni toka.Upor R4 predstavlja breme proti prot masi za vhod ojačevalnika, da neinvertirajoča neinvertirajoč sponka ni v "zraku". atorji C3,C4,C6,C7 premoščajo premoš izmenične motnje v napajanju na maso. S tem Kondenzatorji zmanjšujemo vnešeni šum. Upora R6 in R2 skrbita za ojačanje čanje v negativni povratni zanki. A=R6/R2. Kondenzator C1 in R2 nastavita kritično kriti frekvenco na fc=7Hz (A-3dB=A(7Hz)), 3dB=A(7Hz)), delujeta kot high pass filter. Kondenzator C9 in upor R5 sestavljata na izhodu skupaj z zvočnikom zvo nikom t.o. Zobelovo vezje, ki prepreči visoko frekvenčno čno oscilacijo ojačevalnika. oja Žice,ki vodijo do zvočnika čnika lahko predstavljajo dovolj kapacitivnosti, da pripeljejo ojačevalnik oja v oscilacijo. Zobelov par poskrbi, da ojačevalnik čevalnik vidi impedanco od zvočnika zvo nika le kot realno upornost. Idealno Zobelovo vezje:

R5 in C9 izračunamo unamo na podlagi impedance zvočnika. zvo Ker induktivnosti ne poznamo, jo moramo izmeriti. Zasledil sem tudi pravilo vilo preko palca, ki pravi, da naj bo upornost R5=1.25*Rzv. Večinoma inoma se uporablja standarden par R=10Ω R=10 in C'=0,22uF.

15

Izboljšave: a) Zobelovo vezje preračunamo na izmerjeno induktivnost zvočnika. S tem zagotovimo večjo frekvenčno stabilnost. b) Zmanjšamo ojačanje z manjšim uporom R6. Če R6 razpolovimo se nam S/N izboljša za 7dB. Pri frekvenci 22Khz je S/N=30dB c)R1 in C2 nadomestimo s serijsko vezanim potenciometrom R3=40KΩ ,ki ima vlogo regulacije glasnosti. Posledično se nam THD izboljša za skoraj 50%. THD=0,012%. Slaba stran te rešitve je enosmerna napetost na vhodnih sponkah od ojačevalnika. Do rezanja pride prej. d) Poleg R1, R4 in C3 vežemo R3 potenciometer kot v točki c. THD=0,013%.S tem smo zmanjšali vpliv enosmerne komponente. e) Upor R6 je lahko 20KΩ potenciometer, s katerim nastavljamo ojačanje. shema izboljšanega vezja po točki c:

Novo S/N razmerje:

16

Fourierjeva analiza: THD=0,012%

ZAKLJUČEK

Med načrtovanjem sem naletel na kopico težav, predvsem praktične narave. Ugotovil sem, da je miselni preskok iz stroge teorije na prakso ogromen. Največ preglavic sem imel pri ugotavljanju porabe čipa.V kataloških podatkih so podatki za večje moči in manjše breme kot sem ga uporabil sam. Paziti je bilo treba ,da ne predimenzioniram transformatorja za napajanje. Tu igra veliko vlogo dejstvo, da je glasba dinamičen signal in se ne porablja ves čas maksimalna moč, zato smo večidel računali s povprečnimi vrednostmi. Računati je bilo treba s standardnimi vrednostmi komponent, ki so na voljo in nazaj preračunavati spremembe in posledice tovrstne standardizacije. Pri tem sem imel izredno srečo, da se mi je skoraj na decimalko izšla dimenzija transformatorja. Pri vseh dilemah mi je bil v veliko pomoč asistent Boštjan Glažar, ki me je usmeril na pravo pot kadar sem brcal v meglo.

17