WZMACNIACZ AUDIO 2×500W

Zaprezentowałem tutaj schemat wzmacniacza audio wykorzystujący jeden z nowszych układów sterujących firmy Tripath. Jest to układ TA0104A, który umożliwia zbudowanie stereofonicznego wzmacniacza audio o mocy dla sygnału sinusoidalnego 500W dla każdego kanału przy zniekształceniach nie przekraczających 0,1%. Można również zbudować przy pomocy tego układu wzmacniacz mostkowy o mocy 1000W łącząc odpowiednio stopnie wyjściowe. Firma Tripath zajmująca się wzmacniaczami klasy D opracowała własną technologię obróbki sygnału Digital Power Processing (DPP^TM) 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 (R_IN) ustalają wzmocnienie odpowiednio dla obu kanałów. Konstruktorzy z Tripath zalecają ustawić wzmocnienie na wartość 14,5 (23dB) co zapewnione jest przy wartościach rezystorów równych 49,9k. Wzór, który przedstawia wzajemną zależność wzmocnienia Av i R_IN wygląda następująco Av=800·10³/(R_IN+5000) gdzie R_IN podaje się w Ohmach.
Kondensatory sprzęgające C22 i C23 (C_IN) oddzielają składową stałą i wspólnie z rezystorami R23 i R24 ustalają dolną częstotliwość graniczną F_p (przy -3dB) dla sygnału wejściowego. Wzór, który przedstawia zależność F_p, C_IN oraz R_IN wygląda następująco
F_p=1/((2·C_IN)·(R_IN+5000)) gdzie R_IN podaje się w Ohmach, a C_IN 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 R_DS(ON), napięcie przebicia dren-źródło BV_dss oraz ładunek gromadzony w bramce Q_g. Najlepiej by było aby Q_g i R_DS(ON) były jak najmniejsze, gdyż ma to wpływ na szybkość przełączania i straty mocy. Są to jednak dwa sprzeczne warunki gdyż dla małej rezystancji R_DS(ON) towarzyszy duży ładunek Q_g. Poniżej znajduje się tabelka zawierająca dane tranzystorów, które były używane przez konstruktorów firmy Tripath do współpracy z TA0104A.

WYKAZ ELEMETÓW
Nazwa elementu	Symbol	Ilość	Nazwa elementu	Symbol	Ilość
1µF 50V	C22,C23	2	LED zielona	D5	1
10µF 100V	C29	1	11,3µH 10A	L1,L2	2
82µF 25V	C28	1	1µH	L3,L4	2
100µF 150V	C3,C11,C16,C17	4	1µH 10a	L6,L7	2
47pF 500V	C5,C9	2	330µH	L5	1
10nF 50V	C24,C25,C26,C27	4	STW38NB20	Q1,Q2,Q3,Q4	4
			C33,C34,C35,C36		TA0104A	U1	1
			C37,C38		LM2594HVN-12	U2	1
	100nF 100V		C1,C2,C6,C7,C8	13	Listwa 1X3	J1,J2,J3	3
			C12,C13,C14,C15		Złącze ARK2	J4	2
			C18,C19,C20,C21		Złącze ARK3	J5	2
220nF 100V	C4,C10	2	Układ zabezpieczenia głośników
0,01R 1W	R3,R8,R11,R12	4	20k 0,25W	R26	1
5,6R 1W	R1,R2,R9,R10	4	100k 0,25W	R28,R30	2
33R 2W	R5,R6	2	220k 0,25W	R25	1
1k 1W	R4,R7	2	1M 0,25W	R27,R29	2
2k 0,25W	R15	1	1µF 50V	C30,C31,C32	3
10k 0,25W	R13,R14,R16	3	MBR150	D7	1
49,9k 0,25W	R23,R24	2	BAT83	D8	1
1M 0,25W	R17,R19,R20,R21	4	1N4148	D9	1
Pot. 10k 0,25W	R18,R22	2	BS170	Q5,Q6,Q7,Q9	4
MUR120	D1,D2,D3,D4	4	BC557	Q8	1
MBR150	D6	1	Złącze ARK2	J6	2

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 Q_g, który w połączeniu z tymi rezystorami ma wpływ na przełączanie tranzystorów. Tripath zaleca dla tranzystorów z Q_g mniejszym niż 70nC stosowanie rezystorów o wartości 10, a dla Q_g większego niż 70nC stosowanie rezystorów o wartości 5,6. 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

Bardzo ważną funkcję związaną z bezpieczeństwem układu TA0104A we wzmacniaczu pełni układ U2 będący impulsowym stabilizatorem napięcia. Ma on za zadanie utrzymywać 12 woltowy odstęp między ujemnym napięciem zasilającym VSNEG, a wejściem referencyjnym VN12. Na koniec opisu podam jeszcze wzór do obliczania napięcia zasilającego w zależności od zakładanej mocy wyjściowej przy danym obciążeniu czy poziomu zniekształceń (THD). Ma on następującą postać V=(2·R_L·P_OUT)^0.5/(K·R_L/(R_L+R_ON+R_S+R_COIL)) gdzie: R_ON odpowiada rezystancji R_DS(ON) tranzystorów wyjściowych, R_S to rezystancja rezystorów R3,R8,R11,R12, R_COIL to rezystancja dławików wyjściowych L1 i L2, K to współczynnik odpowiadający THD.
Dla THD=0,1% K=0.83, THD=1% K=0.95, THD=10% K=1.09. Na rys. 2 przedstawiony jest układ zabezpieczający głośniki przed uszkodzeniem stopni wyjściowych. Układ ten jest opcjonalnym rozwiązaniem i nie musi być stosowany niemniej na obwodzie drukowanym jest on uwzględniony. W przypadku rezygnacji ze stosowania tego układu należy grubą srebrzanką zewrzeć styki przekaźnika i pozostawić elementy L6, L7 oraz C33 do C38.

RYS..2 RYS.1

---