<< Előző oldal   Címlap   Következő oldal >>

 

A TT-A-A20 hangerősítő végerősítő fokozata
a nagyáramú tápegységgel

Alapkapcsolás, méretezés
Tápegység méretezése
Lágyindítás
Hűtőfelület méretezése
Kapcsolási rajz
Alkatrészjegyzék
Huzalozási vázlat
Nyomtatott áramkör
Mérési eredmények

      A 2x20 W-os sztereó végerősítő fokozat két National Semiconductor gyártmányú, LM4700 típusú teljesítmény műveleti erősítővel van kialakítva. Az LM4700 gyári adatlapja (997 kB). Az LM4700 egy viszonylag új fejlesztésű áramkör, amely digitális vezérlő bemeneteivel kisfogyasztású készenléti üzemmódba helyezhető, nullára halkítható, valamint szigetelt tokozással is beszerezhető. Ezen kívül tartalmaz egy ki- és bekapcsolási tranzienseket megszűntető áramköri egységet, valamint egy minden eseményre kiterjedő védőáramkört is.

      Az LM4700 főbb gyári adatai:
     · Tápfeszültség: ±10..±32 V;
     · Kimenő teljesítmény (R_T = 4 Ω): 22 W (U_T = ±20 V, f = 1 kHz);
     · Kimenő teljesítmény (R_T = 8 Ω): 30 W (U_T = ±28 V, f = 1 kHz);
     · Maximális kimenő feszültség (U_KIeff): ±18,5 V (U_T = ±24 V, R_T = 8 Ω);
     · Teljes harmonikus torzítás + zaj: 0,08% (P_KI = 30 W, R_T = 8 Ω, f = 20 Hz..20 kHz, A_U = 20);
     · Jel-zaj viszony (1 kHz): 98..108 dB;
     · Tápfeszültség-elnyomási tényező (0..300 Hz): min. 85 dB.

      Az LM4700 gyári alapkapcsolása:

Vissza a lap tetejére

      Az ábrán látható kapcsolás nagyjelű bemenetek esetén közvetlenül, előerősítő fokozat nélkül is felhasználható. Ha a bemenetre számottevő egyenfeszültség is kerülhet, akkor egy bemeneti szűrőáramkört kell a P₁ és R₁ közé iktatni, hogy egyenfeszültség ne kerüljön a hangsugárzókra, illetve ne működtesse a hangszóróvédő áramkört. (A C₁ kondenzátor feladata, hogy az egyenfeszültség erősítését egységnyi értéken tartsa.)
      Az R₃-C₂ és L₁-R₄ elemekből felépített, gyártó által ajánlott szűrőtagok a nagyfrekvenciás viselkedést stabilizálják.
      A kapcsolási rajzon látható R_V és C₁ értékeket a megkívánt be- és kimeneti jellemzők alapján lehet meghatározni.

      A végerősítő fokozat alapadatai:
     · Bemeneti ellenállás: R_BE = P₁ = 10 kΩ;
     · Maximális bemeneti feszültség: U_BEeff = 1 V;
     · A kimenet terhelése: R_T = 8 Ω;
     · Kimenő teljesítmény a maximális bemeneti feszültség esetén: P_KI = 20 W.

      A szükséges kimenő feszültség a P_KI = 20 W kimenő teljesítmény eléréséhez:

U_KIeff = (P_KI · R_T)^0,5 = (20 W · 8 Ω)^0,5 = 12,65 V.

      Ebből a szükséges feszültségerősítés:

A_U = U_KIeff / U_BEeff = 12,65 V / 1 V = 12,65.

      Mivel a műveleti erősítő feszültségerősítése (C₁ rövidzárral helyettesítve):

A_U = 1 + R_V / R₂,

      az R_V visszacsatoló ellenállás értéke:

R_V = (A_U - 1) · R₂ = (12,65 - 1) · 1 kΩ = 11,65 kΩ,

      szabványos értékkel R_V = 12 kΩ.

Vissza a lap tetejére

      Az erősítő számított feszültségerősítése a frekvencia függvényében C₁ különböző értékeinél [A_U = 1 + R_V / (R₂ + X_C1)]:

      C₁ értékét úgy kell megválasztani, hogy a hangfrekvenciás tartományban 3 dB-nél nagyobb átviteli hibát ne okozzon. Tehát C₁ minimális értéke 22 μF, természetesen a jobb átviteli karakterisztikához nagyobb érték is választható.

Vissza a lap tetejére

      Az L₁ szűrőtekercsnek akár folyamatosan is el kell viselni a végerősítő I_KIeff kimenő áramát.
      A kimenő áram névleges terhelésnél:

I_KIeff = (P_KI / R_T)^0,5 = (20 W / 8 Ω)^0,5 = 1,58 A.

      Az 1,58 A-es kimenő átlagáramhoz szükséges zománcozott rézhuzal minimális átmérője 2,5 A/mm²-es megengedett áramsűrűség esetén: d_min. = 0,9 mm. A kimeneti szűrőtekercs megvalósításához d_névl. = 1 mm-es névleges átmérőjű zománcozott vörösrézhuzalt használunk, amely megfelelő szilárdságú légmagos önhordó induktivitások készítéséhez.
      A légmagos önhordó induktivitás méretezési vázlata:

      Az ábrán egymenetű fekvő tekercs látható, amelynek kivezetései átlósan helyezkednek el. Ez nagy mechanikai stabilitást ad, de nem valósíthatók meg vele egész menetszámok. Az ábrából látható, hogy bármely hosszúságú tekercs a kezdő kivezetéshez képest fél menettel végződik. A megvalósítható menetszámok: 1,5; 2,5; 3,5; 4,5...
      A mechanikai méretek ismeretében kérdés az L = 0,68 µH induktivitás megvalósításához szükséges N menetszám.
      A tekercs névleges átmérője: D = 9 mm.
      A szomszédos menetek távolsága: t = 1,07 mm.
      A tekercs hossza: l = N · t.
      Ha a tekercsre igaz a D/l < 1, vagyis az l > D összefüggés, az induktivitása az alábbi módon számítható:

ahol a tekercs keresztmetszete:

a vákuum permeabilitása: µ₀ = 4 · π · 10^-7 Vs/Am,

a levegő permeabilitása: µ_r = 1.

      A következő táblázat a menetszámokhoz tartozó számított induktivitásokat mutatja be.

      A táblázatból kiolvasható, hogy az L = 0,68 µH induktivitás megvalósításához az előző ábrán látható tekercsméretek esetén a szükséges menetszám: N = 12,5.
      Az így elkészített induktivitás külméreteit az alkatrészjegyzék mutatja be.

Vissza a lap tetejére

      A tápegység méretezéséhez meg kell határozni a végerősítőfokozat maximális pillanatnyi kimenő feszültségét (U_KIcs) és áramát (I_KIcs).
      A maximális pillanatnyi kimenő feszültség:

U_KIcs = (2 · R_T · P_KI)^0,5 = (2 · 8 Ω · 20 W)^0,5 = 17,89 V.

      A maximális pillanatnyi kimenő áram:

I_KIcs = (2 · P_KI / R_T)^0,5 = (2 · 20 W / 8 Ω)^0,5 = 2,24 A.

      Ahhoz, hogy a végerősítő képes legyen a névleges teljesítmény (20 W) leadására a gyári adatok szerint ±(U_KIcs + 5,5) V-os, vagyis ebben az esetben ±23,5 V tápfeszültség bizonyosan elegendő.
      Mivel a két végerősítőfokozat közös tápegységről üzemel, a minimálisan szükséges tápegység teljesítmény:

P_T = 2 · U_T · I_KIeff = 2 · 23,5 V · 1,58 A = 74 W.

Vissza a lap tetejére

      Megfelel-e a kívánalmaknak a következő 2x18 V-os kimenő feszültségű 120 VA teljesítményű hálózati transzformátor?

      A mért adatok:
     · Hálózati feszültség (U_Hmért): 211 V.
     · A primer tekercs egyenáramú ellenállása (R_P): 13,5 Ω.
     · Kimenő üresjárási feszültség (U_Ümért): 2x18,7 V.
      A transzformátor áttétele:

a = U_Hmért / U_Ümért = 211 V / 18,7 V = 11,28.

Vissza a lap tetejére

      A hálózati feszültség adatai:
     · Megengedett minimális érték (U_Hmin): 210 V.
     · Névleges érték (U_H): 230 V.
     · Megengedett maximális érték (U_Hmax): 242 V.

      Egy jól méretezett hangerősítőnek természetesen a minimálisan megengedett hálózati feszültségen (210 V) is hibátlanul kell működnie.
      A minimális üresjárási feszültség:

U_Ümin = U_Hmin / a = 210 V / 11,28 = 18,6 V.

      A névleges üresjárási feszültség:

U_Ünévl = U_Hnévl / a = 230 V / 11,28 = 20,4 V.

      A maximális üresjárási feszültség:

U_Ümax = U_Hmax / a = 242 V / 11,28 = 21,45 V.

      Egy 120 VA teljesítményű toroid transzformátor reciprok veszteségi tényezője jellemzően η_v = 1,1.
      Az egyik szekunder tekercs belső ellenállása:

R_G = U_Ünévl · (η_v - 1) / I_KInévl = U_Ünévl · (η_v - 1) / (P_KInévl / U_KInévl) = 18 V · (1,1 - 1) / (60 W / 18 V) = 0,54 Ω.

Vissza a lap tetejére

      Az alkalmazott stabilizálatlan egyenirányító-kapcsolás:

      A búgófeszültség minimális szinten tartásához extrém nagy kapacitású (66000µF) szűrőkondenzátorok vannak beépítve.

      A névleges terhelésnek megfelelő terhelő ellenállás:

R_T = U_KImin / I_KIcs = 23,5 V / 1,58 A = 14,87 Ω,

ahol U_KImin = 23,5 V a maximális kivezérlés melletti torzítás nélküli működéshez szükséges minimális tápfeszültség.

      Az áramkör terheletlen kimeneti feszültsége a minimális hálózati feszültség esetén:

U_KIü = 1,414 · U_Ümin - U_D = 1,414 · 18,6 V - 0,6 V = 25,7 V,

ahol U_D az egyenirányító diódán eső feszültség az adott terhelés mellett.

      Az áramkör (búgófeszültség nélküli) kimeneti feszültsége maximális terhelés és minimális hálózati feszültség esetén:

      Látható, hogy ez a feszültségérték már kisebb, mint a szükséges 23,5 V-os minimális tápfeszültség. Ez azt jelenti, hogy a kivezérlés felső tartományában a hangjel feszültségcsúcsai torzulhatnak. Vagyis a hálózati feszültség minimumánál a torzításmentes kivezérelhetőség csökkenésével a maximális kimenő teljesítmény is csökken; kisebb, mint 20 W.

Vissza a lap tetejére

      A következő összefüggés a maximális terhelés melletti minimális kimeneti feszültséget adja meg a hálózati feszültség függvényében (a búgófeszültség figyelembevételével, levezetés nélkül).

U_KI-1,58A = 0,108 · U_H - 0,62 [V].

      A maximális (torzítatlan) kimenő teljesítmény a hálózati feszültség függvényében (levezetés nélkül):

Vissza a lap tetejére

      A következő diagram a tápfeszültség és a maximális kimenő teljesítmény változását szemlélteti a hálózati feszültség függvényében.

      Látható, hogy 220 V-os hálózati feszültség felett a tápfeszültség már elegendő a névleges teljesítmény biztosításához. (A tartomány lefelé történő kiterjesztéséhez nagyobb szekunder feszültségű transzformátor alkalmazása szükséges.)

      Az áramkör terheletlen kimeneti feszültsége a maximális hálózati feszültség esetén:

U_KIümax = 1,414 · U_Ümax - 2 · U_D = 1,414 · 21,45 V - 0,6 V = 29,73 V,

amiből következik, hogy a pufferkondenzátorok határfeszültsége legalább 35 V legyen.

      Az áramkör búgófeszültsége:

      Tápfeszültség-zaj a kimeneten (PSRR = min.85 dB; 0..300 Hz):

U_TZcs-cs = U_Bcs-cs / 17782 = 0,1515 V / 17782 = 0,0085 mV.

      Az egyenirányító diódák átlagárama maximális terhelés esetén:

I_D = I_KIeff / 2 = 1,58 A / 2 = 0,8 A.

      Az egyenirányító diódák periodikus csúcsárama maximális terhelés esetén:

I_Dcs = U_KIümax / (R_G · R_T)^0,5 = 29,73 V / (0,54 Ω · 14,87 Ω)^0,5 = 10,5 A.

Vissza a lap tetejére

      A tápegység hálózati feszültségre kapcsolásakor az üres pufferkondenzátorok közel rövidzárként viselkednek, emiatt rövid ideig igen nagy áramcsúcs keletkezhet. Ez a bekapcsolási áramlökés működtetheti a hálózatvédő automatát, kiolvaszthatja a biztosítékokat, károsíthatja az egyenirányító diódákat, illetve zavarokat okozhat a hálózati feszültségben. A probléma a következő módszerekkel oldható meg:
     · egy viszonylag kis értékű szekunderköri ellenállás beépítése korlátozza a pufferkondenzátorok töltőáramát, viszont ez a módszer növeli a búgófeszültséget;
     · egy kiiktatható primerköri ellenállás használata drága, de minden problémát megold.
      Jelen esetben a fenti problémát a tápegység "lágyindítása" küszöböli ki egy primerköri ellenállás beiktatásával:

      (A bemutatott lágyindító áramkör nem a végerősítő, hanem a vezérlő egység áramköri lapján van elhelyezve.)
      A végerősítő aktiválásakor (a készenléti üzemmódból való kilépéskor) először az Re₁ relé érintkezői záródnak, aminek hatására az R ellenálláson keresztül megindul a primer áram, valamint ezzel együtt megkezdődik a pufferkondenzátorok feltöltése.
      A maximális kezdeti primer áram a hálózati feszültség maximumánál történő bekapcsoláskor:

I_STARTmax = (2^0,5 · U_Hmax) / (R + R_P),

      ebből az R áramkorlátozó ellenállás értéke I_STARTmax = 3 A-es megengedett áramcsúcshoz:

R = (2^0,5 · U_Hmax / I_STARTmax) - R_P = (2^0,5 · 242 V / 3 A) - 13,5 Ω = 100,6 Ω.

      Szabványos értékkel: R = 100 Ω.

Vissza a lap tetejére

      A pufferkondenzátorok teljes (99 %-os) feltöltéséhez szükséges időtartam:

t_töltő = 5 · τ = 5 · (R + R_P) · C_ekv = 5 · (R + R_P) · 2 · C_Puff / a = 5 · (100 Ω + 13,5 Ω) · 2 · (66000 · 10^-6 F) / 11,28 = 6,64 s.

      Az R áramkorlátozó ellenálláson létrejövő átlag-hőteljesítmény a feltöltés ideje alatt:

P_R = E_Puff / t_töltő = (C_Puff · U_T0max² / 2) / t_töltő = ((66000 · 10^-6 F) · (29,41 V)² / 2) / 6,64 s = 4,3 W.

      Mivel ez a hőteljesítmény csak a végerősítő fokozat bekapcsolásánál jelentkezik, a teljes üzemidőre vonatkozó átlagteljesítmény nagyon alacsony lesz, ennek ellenére a biztonság kedvéért az R áramkorlátozó ellenállás terhelhetősége 3 W legyen.

      Az egyenirányító diódák áramcsúcsa az üres pufferkondenzátorok feltöltésénél, a hálózati feszültség maximális értéke esetén, feszültségcsúcsnál való bekapcsoláskor:

I_DTmax = a · I_STARTmax = 11,28 · 3 A = 33,8 A.

      Ez az elméleti áramcsúcs csökkenthető az R áramkorlátozó ellenállás növelésével, de ezzel arányosan nő az üzemfeszültségre töltődés ideje is.
      (A hangsugárzók végerősítő kimenetre kapcsolását célszerűen a tápegység "feléledése" után kell elvégezni. A túlzottan hosszú éledési idő kényelmetlen várakozást okoz a felhasználónak.)
      A bekapcsoláskor a pufferkondenzátorok már 1,3 s múlva elérik a 63 %-os feltöltöttséget. Ilyenkor a transzformátor már gond nélkül átkapcsolható közvetlen táplálásra. Ezért a "lágyindítás" késleltetési ideje legyen 2 s (, ami tovább csökkenti az áramkorlátozó ellenállás hőterhelését).

Vissza a lap tetejére

      A hűtőfelület méretezésének alapadatai:
     · Az LM4700 megengedett maximális belső hőmérséklete (T_Bmax): 150 °C;
     · A tokozás hőellenállása (Θ_tok): 2 °C/W;
     · A hővezető pasztás kapcsolat becsült hőellenállása (Θ_paszta): 0,2 °C/W;
     · Az alkalmazott hűtőborda hőellenállása (Θ_hűtő): 0,85 °C/W;
     · A maximális külső hőmérséklet (T_Kmax): 40 °C.

      A fent leírt hűtési lánc által maximálisan biztosítható leadott hőteljesítmény:

P_HŰTŐmax = (T_Bmax - T_Kmax) / (Θ_tok + Θ_paszta + Θ_hűtő) = (150 °C - 40 °C) / (2 °C/W + 0,2 °C/W + 0,85 °C/W) = 36 W.

      Az integrált áramkör maximális fűtőteljesítménye:

P_HŐmax = 2 · U_T² / (2 · π² · R_T) = 2 · 24 V / (19,74 · 8 Ω) = 14,59 W.

      Tehát a hűtőborda elegendő nagyságú a két LM4700 áramkör (2x15=)30 W-os maximális hőteljesítményének elvezetésére.

Vissza a lap tetejére

      A fentiekben körvonalazódott sztereó végerősítő egység kapcsolási vázlata:

Vissza a lap tetejére

      Az áramkör alkatrészjegyzéke:

Rajzjel	Db	Megnevezés	Kép
IC11, IC21	2	LM4700TF audio teljesítmény műveleti erősítő (National Semiconductor); (méretek a továbbiakban)
P1	1	10 kΩ B logaritmikus, fémházas ikerpotenciométer (Radiohm); (méretek a továbbiakban)
Gr31	1	KBU 8B 70 V, 8 A-es egyenirányító dióda-híd 50 A-es csúcsárammal (Diotec Semiconductor); (RM2)*
L11, L21	2	0,68 μH / 1,6 A teljesítmény induktivitás; (méretek a továbbiakban)
C32 - C37	6	22000 μF / 35 V elektrolit kondenzátor (Ø2 mm x RM4)*
C11, C21	2	47 μF / 100 V bipoláris elektrolit kondenzátor (RM2)*
C12 - C14, C22 - C24, C38, C39	8	100 nF / 50 V kerámia kondenzátor (RM1)*
C30, C31	2	10 nF / 50 V kerámia kondenzátor (RM1)*
R11, R21, R13, R23	4	1 kΩ / 0,4 W fémréteg ellenállás (RM2)*
R12, R22	2	12 kΩ / 0,4 W fémréteg ellenállás (RM2)*
R14, R24	2	4,7 Ω / 0,4 W fémréteg ellenállás (RM2)*
R15, R25	2	10 Ω / 0,6 W fémréteg ellenállás (RM4)*
R16, R26	2	10 kΩ / 0,4 W fémréteg ellenállás (RM2)*
-	1	min. 0,85 °C/W hőellenállású hűtőborda; (méretek a továbbiakban)
-	2	hővezető alumínium alátét; (méretek a továbbiakban)
-	2	NYÁK-tartó lemezidom; (méretek a továbbiakban)
-	6	2-pólusú sorkapocs (RM2)*
-	2	3-pólusú sorkapocs (RM2)*

* RM = 2,54 mm

Vissza a lap tetejére

      Az LM4700TF audio teljesítmény műveleti erősítő méretei [mm]:

      A Radiohm 10 kΩ-os logaritmikus ikerpotenciométer méretei [mm]:

      A 0,68 μH/1,6 A-os légmagos szűrőtekercs méretei [mm]:

      A hűtőborda méretei [mm]:

      Az alumínium hővezető alátét méretei [mm]:

      Az NYÁK-tartó lemezidom méretei [mm]:

Vissza a lap tetejére

      A végerősítő egység huzalozási vázlata:

Vissza a lap tetejére

      A nyomtatott áramkör

      A végerősítő fokozatot és nagyáramú tápegységet egyesítő nyomtatott áramköri kártya tervezési irányelvei:
     · a jelvezetékek lehető legnagyobb távolsága a nagyáramú tápegységrészektől;
     · a jelvezetékek ne fussanak párhuzamosan a tápáramok vezetékeivel;
     · a jelbemenetek minél távolabb essenek a tápfeszültség-bemenetektől;
     · a nyomtatott áramkör szélessége a hűtőborda szélességét ne haladja meg;
     · a ki és bemenetek elhelyezése illeszkedjen a szomszédos áramköri modulok csatlakozásaihoz;
     · a nagyáramú vezetősávok minél szélesebbek legyenek;
     · a pufferkondenzátorok földpontjából kiinduló csillagpontos földelési hálózat;
     · a kimeneti szűrőtekercsek egymásra merőleges elhelyezése;
     · az integrált áramkör tápfeszültség-szűrő kondenzátorok minél közelebbi elhelyezése.

      A 6,2"x4,2" méretű nyomtatott áramkör beültetési rajza:

Vissza a lap tetejére

      A nyomtatott áramkör forrasztási oldala:

      Egy letölthető méretarányos nyomtatott áramköri rajz (210 kB) Corel Photo Paint (*.cpt) formátumban.
      Egy elkészült példány:

Vissza a lap tetejére

      Mérési eredmények

Tudomány és Technika (test@t-es-t.hu)

Vissza az oldal elejére

<< Előző oldal   Címlap   Következő oldal >>