Pokusný zesilovač ve třídě D s obvody TS 555 Úvod Cílem úlohy byla konstrukce zesilovače ve třídě D z dostupných součástek z místní maloobchodní sítě. I když parametry tohoto zesilovače nejsou ve své třídě podprůměrné. Úloha obsahuje mnoho tématických okruhů, které žáci musí při stavbě zvládnout, pokud má zesilovač správně fungovat. K návrhu zapojení byl využit simulační program TINA-TI od firmy Texas Instrument, pomoci kterého byly optimalizovány hodnoty a typy jednotlivých součástek. Popis zapojení ZES_D7B2 Časování zesilovače Srdce zesilovače tvoří integrovaný obvod IC2. Jde o obvod TS555 zapojený jako oscilátor s frekvencí cca. 100 khz a střídou 1:50. U tohoto obvodu při takto vysoké frekvenci již selže vzorec pro výpočet RC komponent udaný výrobcem a je nutné již zohlednit dynamické parametry obvodu. Obvod byl pokusně sestaven a změřen osciloskopem. Hodnoty součástek R1, R2 a C2 byly při měření pokusně korigovány, aby se zapojení chovalo tak, jak je popsáno výše. Vstupní signál Vstupní signál je přiveden na svorky X3-1 a X3-2. Citlivost vstupního signálu byla stanovena na 200 mv. Na vstupu není oddělovací kondenzátor. Předpokládá se, že signál bude brán ze zařízení, které již má oddělovací kondenzátor na výstupu. Mezi tyto dvě svorky je vložen potenciometr 5k / log pro ovládání hlasitosti. Jezdec potenciometru je připojen k oddělovacímu kondenzátoru C9, přes který pokračuje signál k operačnímu zesilovači IC3 (NE5534) se zesílením cca. 2 v invertujícím zapojení. Na tento operační zesilovač je nutno pohlížet jako na výkonový budič pro vzorkovací obvod. Vzorkovací obvod Vzhledem k nízké spínací frekvenci tohoto zesilovače je vysoce pravděpodobné, že rychlejší přeběhy signálů mohou výrazně změnit svojí hodnotu během jednoho "taktu" zesilovače a tím může docházet k nežádoucímu zkreslení výsledného signálu. Pro eliminaci tohoto jevu je do obvodu zařazen vzorkovací obvod tvořený tranzistory T2, T3 a kondenzátorem C13. Obvod je řízen časovačem IC2. Při vyhodnocení vzorků je výstup (pin 3) v log. 1 (+15 V) a tranzistory jsou tak zavřené. Tento stav trvá okolo 10 us. Po této době je IC2 nakrátko překlopen (na cca. 200 ns). Po tuto dobu se otevřou tranzistory T2 a T3 a do kondenzátoru C13 je uložena nová hodnota napětí. Schéma pro model v programu TINA-TI je na obr. 1, průběhy na obr. 2. Strana 1 / 8
Obrázek 1 Obrázek 2 Strana 2 / 8
Rychlý zesilovač Jelikož vzorkovací obvod s bipolárními tranzistory je rozumně lineární jen ve velmi malém rozsahu napětí, je nutné nyní vzorkované napětí zesílit. Jelikož většina levných operačních zesilovačů je silně frekvenčně kompenzována a není schopna zajistit na výstupu adekvátní odezvu za cca 200 ns, bylo nutné postavit jednoduchý zesilovač z diskrétních součástek. Základem je proudový zdroj tvořený tranzistory T6, T7 a rezistorem R6. Tranzistory T8 a T9 tvoří napěťový komparátor, jehož výsledek zvyšuje výstupní napětí otevíráním tranzistoru T10. O snížení výstupního napětí se stará proudový zdroj tvořený tranzistory T11, T12 a rezistorem R6. Kondenzátory C21 a C22 jsou přidány pro případ kmitání výstupu jako případná frekvenční kompenzace. Po připojení výstupního napětí na osciloskop bylo zjištěno, že kompenzační kondenzátory není třeba osazovat. Zesílení tohoto zesilovače Uout / Uin je necelých 12 a je dáno rezistory R7 a R8. Tvar vstupního a výstupního napětí je vidět na obr. 3. Pro lepší představu rychlosti zesilovače jsou přidány osy protínající oba průběhy ve shodném časovém okamžiku. Průběhy na osciloskopu v hotovém zapojení byly velmi podobné. Obrázek 3 Výstup - PWM Převod výstupního napětí na pulsně-šířkovou modulaci tvoří obvod IC1. Zapojení je publikováno v katalogových listech některých výrobců (např. u obvodu NE555 od firmy National Semiconductor z února 2000) a proto konkrétní princip bude popsán pouze stručně. Výstupní napětí ze zesilovače je přivedeno na pin 5 (ControlVoltage). Napětí na pinu 5 je porovnáno s napětím na pinu 6 (Treshold). Pokud je napětí na pinu 6 vyšší než na pinu 5, výstup 3 (Output) je přepnut do úrovně Low (GND). Výstup 7 (Discharge) je též v úrovni Low. Obdobně, pokud je napětí na pinu 2 (Trigger) nižší než polovina napětí na pinu 5, Výstup 3 je přepnut do úrovně High (+Ucc). Výstup 7 má vysokou impedanci. Na vstup 2 (Trigger) je v pravidelných intervalech (cca. 10 us) přiváděn puls s úrovní Low (cca. 200 ns). Tím získá výstup 7 (Discharge) vysokou impedanci a kondenzátor C3 je přes proudový zdroj T1, R3 s referencí R4, R5 a TR1 nabíjen konstantním proudem. Konstantní proud zajistí lineární zvyšování napětí na kondenzátoru. Překročí-li napětí na kondenzátoru C3 napětí na pinu 5 (ControlVoltage), Strana 3 / 8
výstup 3 je přepnut do úrovně Low, výstup 7 má nízkou impedanci a přes tento výstup je vybit kondenzátor C3. V tomto stavu obvod setrvá do dalšího pulsu na vstupu 2 (Trigger). Napětí na výstupu 3 je vstupem do výkonové části zesilovače. Popis zapojení ZES_D7B1 Výkonový stupeň Výkonový stupeň je jako druhý projekt na samostatné desce (ZES_D7B1). Stupeň je navržen pro zdroj 1x40V a obsahuje stabilizovaný zdroj 15V pro pomocné obvody a napájení řídící části zesilovače, pomocných CMOS obvodů a samotného výkonového driveru. Stabilizátor 15V Pro stabilizaci byl použit stabilizátor LM317T. Nebyl použit stabilizátor 7815 z důvodu maximálního vstupního napětí 35V. U stabilizátoru LM317 je definována maximální hodnota jako rozdíl vstupního a výstupního napětí, které nesmí přesáhnout 40V, což je u tohoto zesilovače splněno. Hodnota R8 byla stanovena na 220 Ohm (1%), hodnota R16 na 2400 Ohm (1%). Citlivostní analýza byla provedena v excelovském souboru LM317.xlsx a rozptyl výstupního napětí je přijatelný. Za zmínku ještě stojí předřadný rezistor R17. Při předpokládaném průměrném odběru 100 ma a 25V úbytku napětí na stabilizátoru je ztráta na stabilizátoru 2,5W. Je-li hodnota rezistoru 150 Ohm/2W, pak snížíme výkonovou ztrátu na stabilizátoru na 1W a omezíme maximální přípustný proud na 150 ma bez zkreslení výstupního napětí. Pomocné CMOS obvody Funkce obvodů je dvojí. Rozdělit signál na dva, jeden kladný a druhý záporný s téměř shodnou dobou odezvy na změnu vstupu a dále zamezit příčným proudům skrz tranzistory Q1 a Q2 při změně stavu výstupu. Rozdělení signálu na negovanou a nenegovanou větev je docíleno obvodem 4030 (funkce XOR). Zamezení příčným proudům je poněkud složitější. Aby nedocházelo k příčným proudům, je nutné, aby při změně stavu byl nejprve vypnut aktivní tranzistor. Poté budou oba tranzistory po nějakou dobu vypnuté (čas v řádu desítek ns) a po této prodlevě je otevřen druhý tranzistor. Každý tranzistor má jiné doby sepnutí a vypnutí, proto musí být obvod naladěn na konkrétní typ. Minimální nutná prodleva je t d(off)+ t f -t d(on). Viz Obr. 4 Strana 4 / 8
Obrázek 4 - (Zdroj: Datasheet k tranzistoru IRF630 od firmy Intersil, červenec, 1999) Na obrázku 5 Je schéma blokovacího obvodu ze simulace v programu TINA. Zpožďovací člen je tvořen obvody U3, U1 a U6, případně pro druhý tranzistor U4, U7 a U8. Jako vhodný doplněk ke zbývajícím 2 hradlům typu XOR byl zvolen obvod 4001 (NOR). Při přepnutí do log.1 na vstupu U3 je současně tato hodnota přivedena na vstup2 členu U6. Hradlo typu NOR okamžitě překlápí svůj výstup do log. 0. Člen U3 a U4 (zapojen jako invertor) potřebují čas cca. 90ns (při 15V)na zpracování změny signálu na vstupu U3 a po nějakém čase se objeví log.1 na vstupu 1 členu U6. Při přepnutí do log.0 na vstupu U3 je současně tato hodnota přivedena na vstup2 členu U6. Hradlo typu NOR však má na vstupu 1 log.1 od výstupuu1 a na svém výstupu stále drží log.0. Člen U3 a U4 potřebují čas cca. 90ns na zpracování změny signálu na vstupu U3 a po nějakém čase se objeví log.0 na vstupu 1 členu U6. Teprve po tomto zpoždění přepíná U6 svůj výstup do log. 1. Tím je docíleno, že při přepnutí logických úrovní na vstupu jsou oba tranzistory po nějakou dobu vypnuty. Pokud zpoždění průchodu signálu není dostatečné, je možné na desku doletovat kondenzátory C2 a C3 (v simulaci), ve schématu označeny jako C8 a C9. Přidání těchto kapacit zpomalí přeběh napětí na výstupu dle vzorce t THL (příp. t TLH ) =6 ns + (0.28 ns/pf) CL, přičemž k překlopení úrovně na dalším členu v řadě dochází přesně v polovině napájecího napětí. Za pomoci tohoto vztahu a změřené doby průchodu příčného proudu lze odhadnout potřebnou kapacitu těchto kondenzátorů. Na Obr. 6 je vidět práce pomocných CMOS obvodů. Bohužel, časová zpoždění odpovídají hodnotám při napájení 5V, nicméně pro pochopení činnosti jsou tyto průběhy dostatečné. Napájení a typ obvodů je pro náš účel 15 V s logikou řady 4000 z důvodu 15V výstupního signálu z obvodu TS555. Je možné podobně tuto logiku napájet napětím 5 V s logikou 74HC (na 5 V rychlejší Strana 5 / 8
odezva než 4000) a na vstup použít např. výstup procesorové jednotky, která řídí digitální zpracování signálu. Bohužel, logika 4000 má rozdílně zapojeny piny hradel než 74HC. Obrázek 5 Obrázek 6 Strana 6 / 8
Driver výkonových prvků Driver výkonových prvků byl převzat ze zesilovače Philips UM10155 (Zesilovač je chráněn patentem WO 03/090343 A2) a nepatrně modifikován pro naše účely v oblasti vstupu signálu a součástkové základny. Taktéž nadproudová ochrana byla vyřazena. Zájemce o popis funkce odkážu na výše zmíněné dokumenty (jsou volně dostupné na internetu) a zde přiložím pouze výsledek ze simulačního programu TINA (Obr. 7 a Obr. 8). Obrázek 7 Obrázek 8 Strana 7 / 8
Zdroj Popis Zdroj je třetí schéma s názvem ZDROJ_D7B. Jelikož jde o experimentální zařízení, je zdroj k tomu účelu přizpůsoben na úkor kvalitativních parametrů. Pro napájení je použit toroidní transformátor 2x17V, 2x0,625 A. Střed vinutí je pouze spojen a není použit k napájení zesilovače. Diodový můstek má parametr trvalého proudu 25 A, a jednorázového špičkového proudu 300A. Tím je zajištěno, že při napájení zařízení proudovými pulsy do filtračních kondenzátorů nebudou diody můstku přetěžovány. Pro filtraci jsou použity 2 kondenzátory 10 mf spojené do série. Ke středu je připojen vývod z reproduktorů. Tato koncepce je u tohoto jednoduchého experimentálního zesilovače nutností, protože nikde není řešena kompenzace offsetů. Na desce je umístěn ještě výstupní filtr ze zesilovače (L1, C3). Reproduktory je připojují přes spínač (není zakreslen) ke svorkám X1-1 a X1-2. Rezistor R1 slouží k nastavení napětí na středu kapacit dle výstupu zesilovače před ručním připojením reproduktorů po zapnutí zařízení do sítě (přechodový děj). Závěr Zařízení je primárně určeno jako pokusné, pro pochopení funkce zesilovače ve třídě D. Toto zařízení nevyniká svým výkonem, ale lze zde již vysledovat dobré akustické parametry. U tohoto zařízení ještě nebyly řešeny další otázky, jako např. nastavení offsetů, díky kterým by mohl být reproduktor připojen přímo na střed z transformátoru, kompenzace výstupního signálu na pokles a nesymetrii napájecího napětí (Stopa zvlnění se objeví ve výstupním signálu) atd Dále samotná nosná frekvence 100 khz je poměrně je ještě nízká. Pro kvalitní zvuk by bylo potřeba nejméně 500 khz. Na naší škole již ale vzniká další verze zesilovače ve třídě D, která by měla již většinu těchto problémů eliminovat. Schémata z programu Eagle a návrh desek plošných spojů k zesilovači D7 naleznete v příloze. Strana 8 / 8