Elektronika - baza wiedzy

Wzmacniacz mocy 2x0,5kW


Firma Tripath zajmująca się wzmacniaczami klasy D opracowała własną technologię obróbki sygnału Digital Power Processing (DPPTM) i wypuściła na rynek układy sterujące pozwalające na budowę wzmacniaczy w nowej klasie T (nazwa klasy T pochodzi najprawdopodobniej od nazwy firmy).
Wzmacniacze klasy T łączą w sobie jakość dźwięku uzyskiwaną w klasie AB z wysoką sprawnością uzyskiwaną w klasie D.
Układ TA0104A jest takim właśnie układem sterującym, który umożliwia zbudowanie wzmacniacza klasy T. Zasada działania wzmacniaczy klasy T jest podobna do wzmacniaczy impulsowych, czyli sygnał wyjściowy jest ciągiem impulsów o modulowanym wypełnieniu, z tą różnicą, że zmianie ulega również częstotliwość nośna. Częstotliwość nośna podlega zmianie w zależności od wielkości sygnału. Według danych katalogowych firmy Tripath, dla małych sygnałów częstotliwość ta wynosi ok. 1,5MHz i spada przy dużych sygnałach do 200kHz. Uzależnienie częstotliwości nośnej od wielkości sygnału powoduje, że wzmacniacze klasy T nie zniekształcają tak sygnału jak to ma miejsce w klasie D i ich pasmo jest porównywalne z pasmem wzmacniaczy klasy A lub AB.
Schemat ideowy wzmacniacza przedstawiony jest na rys.1. Sercem całego układu jest oczywiście układ U1. Sygnały wejściowe IN1 i IN2 (złącze J4) są doprowadzone poprzez filtry wejściowe do wejść IN1 i IN2 układu U1.
Rezystory R23 i R24 (RIN) ustalają wzmocnienie odpowiednio dla obu kanałów. Konstruktorzy z Tripath zalecają ustawić wzmocnienie na wartość 14,5 (23dB) co zapewnione jest przy wartościach rezystorów równych 49,9kW. Wzór, który przedstawia wzajemną zależność wzmocnienia Av i RIN wygląda następująco
Av=800.103/(RIN+5000)

gdzie RIN podaje się w Ohmach.
Kondensatory sprzęgające C22 i C23 (CIN) oddzielają składową stałą i wspólnie z rezystorami R23 i R24 ustalają dolną częstotliwość graniczną Fp (przy -3dB) dla sygnału wejściowego. Wzór, który przedstawia zależność Fp, CIN oraz RIN wygląda następująco
Fp=1/((2p.CIN).(RIN+5000))

gdzie RIN podaje się w Ohmach, a CIN w faradach.
Do wejść IN1 i IN2 dołączony jest układ, w którym potencjometrami R18 i R22 ustala się napięcie na wejściach na wartość ok. 2,5V.
Układ TA0104A wyposażony jest również w system autodiagnostyki. O stanie układu informuje dioda LED D5, która jest sterowana z wyjścia HMUTE. Jeżeli dioda się świeci to oznacza właściwą pracę, gdy gaśnie to są niewłaściwe warunki pracy układu np. przeciążenie wyjścia lub przekroczenie wartości napięcia zasilania (zarówno od dołu jak i od góry).
W przypadku przeciążenia stopni wyjściowych ponowne załączenie wzmacniacza wymaga zmiany stanu wejścia MUTE w cyklu 0-1-0 lub wyłączenia i ponownego załączenia zasilania. W przypadku przekroczenia napięć zasilających wzmacniacz nie będzie pracował aż napięcia zasilające będą ponownie o właściwych wartościach.
Wejście MUTE służy do wyciszania wzmacniacza. Jeżeli na to wejście zostanie podany sygnał logicznej jedynki to wzmacniacz zostanie wyciszony, w chwilę po podaniu (200ms) na wejście sygnału o poziomie logicznego zera wzmacniacz będzie znowu w stanie normalnej pracy. Aby wzmacniacz był aktywny stale wystarczy zewrzeć styki 2-3 złącza J3.
Stopnie wyjściowe zbudowane są z par tranzystorów Q1,Q2 i Q3,Q4.

Tranzystory te dobiera się biorąc pod uwagę rezystancję dren-źródło w stanie włączenia RDS(ON), napięcie przebicia dren-źródło BVdss oraz ładunek gromadzony w bramce Qg. Najlepiej by było aby Qg i RDS(ON) były jak najmniejsze, gdyż ma to wpływ na szybkość przełączania i straty mocy. Są to jednak dwa sprzeczne warunki gdyż dla małej rezystancji RDS(ON) towarzyszy duży ładunek Qg. Poniżej znajduje się tabelka zawierająca dane tranzystorów, które były używane przez konstruktorów firmy Tripath do współpracy z TA0104A.

Tranzystor BVdss (V) Qg (nC) RDS(ON)(Ohm)
STW34NB20 200 80 0.075
STW38NB20 200 95 0.065
STW19NB20 200 40 0.18



Przy wyborze rezystorów zabezpieczających bramki tranzystorów (R1,R2,R9,R10) bierze się pod uwagę parametr Qg, który w połączeniu z tymi rezystorami ma wpływ na przełączanie tranzystorów. Tripath zaleca dla tranzystorów z Qg mniejszym niż 70nC stosowanie rezystorów o wartości 10W, a dla Qg większego niż 70nC stosowanie rezystorów o wartości 5,6W. Tranzystory wyjściowe są sterowane z układu procesora wbudowanego w układ TA0104A. Aby zoptymalizować jego pracę pod kątem szybkości przełączania tranzystorów należy skonfigurować go zworkami na złączach J1 i J2. Podczas przełączania par tranzystorów Q1, Q2 i Q3, Q4 procesor między cyklami włączania tranzystorów wstawia tzw. czas martwy (Break-Before-Make) kiedy to obydwa tranzystory powinny być wyłączone, co powinno zminimalizować straty energii, szczególnie przy wolniejszych tranzystorach. Prezentowany wzmacniacz ustawiony jest na 65ns. Poniżej znajduje się tabelka z konfiguracją zworek w zależności od czasu.



Zwarte styki J1 Zwarte styki J2 Czas martwy (ns)
1-2     1-2     145
1-2     2-3     105
2-3     1-2     65
2-3     2-3     25



Nazwa elementu Symbol Ilość
1uF 50V C22,C23 2
10uF 100V C29 1
82uF 25V C28 1
100uF 150V C3,C11,C16,C17 4
47pF 500V C5,C9 2
10nF 50V C24,C25,C26,C27
C33,C34,C35,C36
C37,C38 4
100nF 100V C1,C2,C6,C7,C8
C12,C13,C14,C15
C18,C19,C20,C21 13
220nF 100V C4,C10 2
0,01R 1W R3,R8,R11,R12 4
5,6R 1W R1,R2,R9,R10 4
33R 2W R5,R6 2
1k 1W R4,R7 2
2k 0,25W R15 1
10k 0,25W R13,R14,R16 3
49,9k 0,25W R23,R24 2
1M 0,25W R17,R19,R20,R21 4
Pot. 10k 0,25W R18,R22 2
MUR120 D1,D2,D3,D4 4
MBR150 D6 1
LED zielona D5 1
11,3uH 10A L1,L2 2
1uH L3,L4 2
1uH 10a L6,L7 2
330uH L5 1
STW38NB20 Q1,Q2,Q3,Q4 4
TA0104A U1 1
LM2594HVN-12 U2 1
Listwa 1X3 J1,J2,J3 3
Złącze ARK2 J4 2
Złącze ARK3 J5 2
Układ zabezpieczenia głośników

20k 0,25W R26 1
100k 0,25W R28,R30 2
220k 0,25W R25 1
1M 0,25W R27,R29 2
1uF 50V C30,C31,C32 3
MBR150 D7 1
BAT83 D8 1
1N4148 D9 1
BS170 Q5,Q6,Q7,Q9 4
BC557 Q8 1
Złącze ARK2 J6 2