Krytyczne parametry
K
r
y
t
y
c
z
n
e
p
a
r
a
m
e
t
r
y
Krytyczne parametry
K
r
y
t
y
c
z
n
e
p
a
r
a
m
e
t
r
y
wzmacniacza mocy
w
z
m
a
c
n
i
a
c
z
a
m
o
c
y
wzmacniacza mocy
w
z
m
a
c
n
i
a
c
z
a
m
o
c
y
Artykuł z serii autorskich lekcji.
Chcesz zbudować wzmacniacz o dużej mo- Stąd międzyszczytowe napięcie sinusoidalne zwane zjawisko drugiego przebicia, podczas
cy? Jak odprowadzić ciepło ze wzmacnia- na wyjściu wzmacniacza i na głośniku wyniesie: którego w ułamku sekundy ulegają nieod-
x
cza? Dlaczego wzmacniacz tak siÄ™ grzeje? U = 28,28V 2 x 2 = 28,28 x 2 x 1,41 = 80V wracalnemu uszkodzeniu. Tymczasem w wa-
pp
Skąd się bierze ciepło? Aby wyjaśnić te natomiast prąd szczytowy: runkach rzeczywistych, przy obciążeniu
x
skomplikowane zagadnienia najlepiej zro- I = 3,54A 2 = 3,54 x 1,41 = 5A wzmacniacza zestawem głośnikowym nie-
p
bić to na przykładzie. Dla nas przykładem Zastosowany wzmacniacz musi więc do- trudno o powstanie takich niesprzyjających
będzie wzmacniacz oparty o układ scalony starczyć do głośnika szczytowy prąd nie warunków. Związane to jest z jednej strony
TDA7294 użyty chociażby w projekcie mniejszy niż 5A. z pojemnością kabla połączeniowego,
 Wzmacniacz 100W na stronie 62. Zapo- W przypadku klasycznego wzmacniacza a z drugiej z indukcyjnością cewki głośnika.
znaj się z parametrami tej kostki znajdu- (nie mostkowego), całkowite napięcie zasila- Wyjściowe tranzystory we wzmacnia-
jącymi się we wspomnianym artykule jące na pewno musi być większe niż czach mocy muszą więc być projektowane
i schematem aplikacyjnym (rysunek 1) 80V (ą40V w przypadku zasilania syme- z odpowiednim zapasem, a dodatkowo układ
oraz z niektórymi ważniejszymi charakte- trycznego). Musi być większe, bo każdy
rystykami  rysunek 2. Jakie możliwości wzmacniacz charakteryzuje się tak zwanym Rys. 2
i ograniczenia tu występują? napięciem nasycenia - wynoszącym kilka do
a
kilkunastu woltów w zależności od konstruk-
Analizę możliwości i ograniczeń należy cji wzmacniacza.
rozpocząć od napięć i prądów związanych Dla uzyskania mocy 100W w głośniku 8-
z głośnikiem. omowym napięcie zasilające musi więc wy-
W urządzeniach stacjonarnych (domo- nosić około 90V (ą45V).
wych) stosuje się zestawy głośnikowe Zapamiętaj to raz na zawsze: jeśli z kla-
o oporności 8&!. Dla ułatwienia obliczeń za- sycznego wzmacniacza chcesz uzyskać na
kładamy, że chodzi tu o rezystancję równą oporności 8&! moc 100W, to całkowite napię-
8&!, co jest pewnym niewielkim uproszcze- cie zasilające musi wynosić minimum 90V!
niem, ale dla naszych rozważań takie upro- I tu masz pierwszą trudność - nawet przy
szczenie nie ma znaczenia. współczesnej technice nie jest łatwo wyko- b
Aby uzyskać z głośnika upragnioną przez nać w strukturze układu scalonego tranzysto-
wielu zapalonych elektroników moc,  ma- ry wytrzymujące napięcie rzędu 100V i pra-
giczne 100 watów, należy do niego dopro- cujące przy prądach rzędu 5A.
wadzić przebieg o odpowiednio dużym na- Na dodatek popularne tranzystory bipo-
pięciu i dużym prądzie. W obliczeniach nale- larne mają nieprzyjemną właściwość - przy
ży skorzystać ze znanego wzoru: wystąpieniu na nich jednocześnie znacznego
napięcia i dużego prądu występuje w nich tak
U2
P = = I2 x R
R
Rys. 1 Schemat aplikacyjny TDA7294
Po przekształceniach otrzymuje się:
x
U = P R
P
I =
R
Dla głośnika 8-omowego moc
100W otrzymuje się przy następujących war-
tościach napięcia i prądu:
U = 100 x 8 = 800 = 28,28V
100
I = = 12,5 = 3,54A
8
Są to wartości skuteczne napięcia i prądu,
a więc dla niezniekształconego przebiegu si-
nusoidalnego wartości szczytowe są 2 razy
większe, natomiast międzyszczytowe 2 2 ra-
zy większe.
Elektronika Plus - UKA
ADY AUDIO
16
musi być wyposażony w skuteczne obwody Powtórzę to jeszcze raz: aby z kostki wnętrzna) wzmacniacza mocy wynosi drob-
zabezpieczenia przed wszelkimi zagrożenia- TDA7294 uzyskać moc wyjściową równą ny ułamek oma.
mi, jakie mogą wystąpić zarówno podczas 100W na oporności 8&!, należy zastosować Jeśli rezystancja wewnętrzna byłaby rów-
pracy wzmacniacza, jak i przy wyłączeniu odpowiednio  sztywny układ zasilania, na rezystancji obciążenia, to wydzielałaby
zasilania. który w spoczynku da napięcie nie większe się na niej taka sama moc, jak na obciążeniu.
W kostce TDA7294 w stopniu wyjścio- niż 100V (ą50V), a przy pełnym obciążeniu Sprawność byłaby więc na pewno mniejsza
wym zastosowano tranzystory MOSFET, co nie spadnie poniżej 90V (ą45V). W praktyce niż 50%. A przecież wiadomo, że przyzwoi-
znacznie upraszcza problem zabezpieczeń. oznacza to konieczność zastosowania trans- ty wzmacniacz mocy klasy AB ma spraw-
Co prawda sprawa tych zabezpieczeń to formatora toroidalnego o odpowiednim na- ność ponad 60%.
zmartwienie konstruktorów układu scalonego, pięciu i mocy, oraz kondensatorów filtrują- Zapomnijmy więc o pojęciu zupełnie
jednak użytkownik wykorzystujący taki układ cych o znacznych pojemnościach, rzędu zbędnym w praktyce - o rezystancji wyjścio-
scalony także napotyka realne ograniczenia. dziesiątków tysięcy mikrofaradów! wej (wewnętrznej) wzmacniacza.
Dla każdego układu scalonego producent Ktoś, kto zetknął się już z obliczeniami Nie możemy natomiast zapomnieć o mo-
podaje maksymalne napięcie zasilające. Dla mocy stwierdzi, że potrzebną moc wyjściową cach. Żaden wzmacniacz nie ma sprawności
współczesnych monolitycznych układów 100W, a nawet większą można łatwo uzyskać równej 100%. To znaczy, że jeśli wzmac-
scalonych mocy nie przekracza ono przy oporności obciążenia równej 4&!. Spo- niacz oddaje do głośnika moc użyteczną P
u
100V (ą50V). Dla kostki TDA7294 wynosi strzeżenie słuszne, ale jakby nie do końca. równą 100W, to pobiera z zasilacza moc za-
właśnie ą50V. Czyli takie może być napięcie Rzeczywiście z obliczeń wynika, iż moc silania Pzas znacznie większą. Różnica tych
zasilające w stanie spoczynku. 100W na oporności 4&! otrzyma się przy: mocy zamienia się na ciepło - jest sto tak
Podczas pracy, gdy układ oddaje pełną zwana moc strat Pstr. Mamy więc:
moc 100W napięcie zasilania z pewnością U = 100 x 4 = 20V P = P + P
sk zas u str
nieco się obniży. Po pierwsze wynika to Sprawność wzmacniacza określimy jako:
z opornoÅ›ci wewnÄ™trznej użytego transforma- czyli Upp = 56,4V · = P / P
u zas
tora sieciowego, po drugie z tętnień, które po- stąd całkowite napięcie zasilające wyniesie Nie będę tu przeprowadzał szczegółowych
jawiają się wskutek skończonej pojemności  tylko około 66...70V. obliczeń, bo nie ma to sensu praktycznego.
kondensatorów filtrujących w zasilaczu. Przy Ale za to prąd wyjściowy musi być większy: Najprościej licząc, wzmacniacz o spraw-
okazji trzeba tu podkreślić, że we wzmac- ności 66,6% który ma oddawać moc ciągłą
100
niaczach większej mocy stosuje się zasila- I = = 5A 100W pobierze z zasilacza moc 150W. Zapa-
sk
4
cze niestabilizowane - nie spotyka się zasi- miętaj więc, że aby uzyskać ciągłą moc wyj-
laczy stabilizowanych do końcówek mocy. co daje wartość szczytową Ip równą 7,1A. ściową równą powiedzmy 100W, musisz za-
Napięcie niestabilizowanego zasilacza bę- Układ TDA7294 ma według katalogu szczy- stosować transformator o mocy większej niż
dzie więc, jak potocznie mówimy -  przysia- towy prąd wyjściowy równy 10A, więc rze- 150W!
dać przy obciążeniu pełną mocą. Ale aby czywiście przy obciążeniu 4&! można uzy- A transformator 150-watowy ma znaczny
uzyskać potrzebną moc napięcie to ani na skać z kostki moc nawet większą od 100W. ciężar i wymiary.
chwilę nie może zmniejszyć się poniżej obli- Problem tylko w tym, że typowe domowe Ale to nie wszystko!
czonego wcześniej poziomu. zestawy głośnikowe, zwane potocznie kolum- Na rysunku 4a znajdziesz wykres poka-
Ilustruje to rysunek 3. nami, z reguły mają oporność 8, a nie 4&!... zujący zależność mocy strat wzmacniacza
Przedstawione tu fakty są często pomijane Ale jak by nie było kostka TDA7294 mo- z kostką TDA7294 w zależności od mocy
przez amatorów - w rezultacie rzeczywista że w pewnych warunkach dostarczyć mocy wyjściowej (przekazywanej do głośnika) dla
maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza użytecznej ponad 100W. kilku wartości napięcia zasilającego i rezy-
bywa znacznie mniejsza od przewidywanej, Czy można więc  wycisnąć z niej ponad stancji obciążenia równej 8&!. Przeanalizuj
wynikającej z danych katalogowych układu 100 watów mocy użytecznej? dokładnie ten wykres.
scalonego. Do tej pory omówiłem jedną z ważniej- I co?
szych spraw - kwestię napięcia zasilania Zapewne z przerażeniem stwierdziłeś, że
w zależności od oporności obciążenia. największa moc jest tracona nie przy pełnej
Rys. 3 Napięcie we wzmacniaczu Drugą równie ważną sprawą są moce. mocy, tylko przy mocach około trzykrotnie
mocy I tu znów parę słów wyjaśnienia. mniejszych od mocy maksymalnej. Oznacza
Zacznijmy od pewnego mitu, funk- to, że sprawność wzmacniacza przy takich
cjonującego wśród elektroników. Do- mocach spada z wartości ponad 75% (przy
chodzą mnie wiadomości, że nawet mocy maksymalnej) do wartości poniżej 50%!
niektórzy nauczyciele w szkołach śre- Jednak nie o liczbową wartość sprawności tu
dnich uczą, iż wzmacniacz mocy musi chodzi - w praktyce interesuje nas właśnie moc
mieć oporność wyjściową (czyli rezy- tracona, bo od wartości tej mocy zależy wielkość
stancję wewnętrzną) równą rezystancji radiatora, jaki będziemy musieli zastosować.
obciążenia, bo wtedy do tego obciąże- Popatrz więc jeszcze raz na rysunek 4. Je-
nia może być i jest przekazywana ma- śli chcesz uzyskać moc maksymalną rzędu
ksymalna moc. Czyli wzmacniacz 100V, to musisz pracować przy napięciach
współpracujący z kolumną 8-omową zasilających ponad 80V (ą40V). A to ozna-
musiałby mieć rezystancję wyjściową cza dużą moc strat przy mniejszych mocach
równą 8&!. wyjściowych. Musisz więc zastosować sku-
Taki pogląd jest totalną bzdurą!!! teczny radiator do odprowadzenia ciepła
Owszem dopasowanie rezystancji strat. A to może być problemem...
ma miejsce w wielu układach elektro- Jeśli jednak pogodzisz się ze zmniejsze-
nicznych, ale nie we wzmacniaczach niem maksymalnej mocy wyjściowej do
mocy! Rezystancja wyjściowa (we- 60W, to możesz obniżyć napięcie zasilające
Elektronika Plus - UKA
ADY AUDIO
17
do wartości około 70V (ą35V) i wtedy nie- nie wierzysz! Upewniasz się jeszcze: szczyto- Tak jest i w przypadku wspomnianej wie-
mal o połowę zmniejszą się straty mocy i bę- wy prąd wyjściowy kostki wynosi 10A - po lokrotnie kostki. Podana w katalogu moc mu-
dziesz mógł zastosować znacznie mniejszy krótkim rachunku także ci wychodzi, że uzy- zyczna (110W przy 8&! i 180W przy 4&!) mo-
radiator. skasz moc 200W! W katalogu znajdziesz zre- że być oddawana tylko przez krótką chwilę.
Czy zmniejszenie mocy o 40% nie spo- sztą wzmiankę, że maksymalna moc muzycz- Jeśli nawet zastosujesz odpowiednio potężny
woduje radykalnego zmniejszenia głośności? na przy zasilaniu ą40V, obciążeniu 4&! i znie- zasilacz i radiator, a potem  dasz czadu pra-
Nie! Trzeba pamiętać, że ucho ludzkie ma kształceniach 10% wynosi 180W! cując z mocami od jednej czwartej do pełnej
charakterystykę w przybliżeniu logarytmicz- Rewelacja! mocy maksymalnej, to po dosłownie kilku
ną i takie zmniejszenie mocy wywoła zauwa- A radiator? Drobiazg. Zastosujesz tak du- sekundach wskutek istnienia wąskiego gar-
żalną, ale naprawdę niezbyt wielką różnicę ży, jak będzie trzeba - nie będziesz żałował dła w przepływie ciepła, temperatura struktu-
głośności. miejsca... Stop! ry wzroście powyżej +150o i wzmacniacz...
Tu popełniłeś błąd! co prawda nie ulegnie uszkodzeniu, ale
Pomijasz sprawę odprowadzania ciepła wyłączy się po zadziałaniu obwodu zabez-
a
strat, a tego nie wolno robić. Może jeszcze pieczenia termicznego.
zaprotestujesz, że przecież dasz tak duży ra- Krótko mówiąc, nie będziesz miał pożyt-
diator, jak będzie trzeba... Ale nawet zwięk- ku z takiego wzmacniacza. Wskutek zwięk-
szanie radiatora w nieskończoność, czy za- szenia napięcia zasilającego i zmniejszenia
stosowanie radiatora chłodzonego wodą nic rezystancji obciążenia spowodujesz znaczne
tu nie pomoże. zwiększenie mocy strat (porównaj rysunek 4).
Doszliśmy tu do bardzo ważnej i słabo ro- Duża ilość ciepła nie będzie w stanie szybko
zumianej sprawy - rezystancji cieplnych. Po- przejść przez wąskie gardło i wzmacniacz
wiem tylko w skrócie, że w każdym scalo- będzie się wyłączał.
nym wzmacniaczu mocy właśnie rezystancja Istnieje więc jakaś granica opłacalności.
cieplna między aktywną strukturą, a radiato- Z jednej strony w pogoni za mocą wyjściową
b
rem jest niemal dosłownie wąskim gardłem, zwiększamy napięcie zasilające, moc zasila-
które ogranicza maksymalną moc użyteczną. cza i rozmiary radiatora. To wszystko kosztu-
Chodzi o to, że ciepło wydzielane je. Jednocześnie tym samym zwiększamy
w strukturach tranzystorów wyjściowych ilości wydzielanego ciepła strat, które wsku-
musi przejść przez podłoże - płatek krzemu - tek wąskiego gardła w przepływie ciepła do-
do metalowej wkładki radiatorowej układu prowadzi w końcu do wyłączania się układu
scalonego i dalej do radiatora. Właśnie tu le- w czasie pracy, a może nawet do uszkodzenia
ży główna część problemu wzmacniaczy mo- układu scalonego.
cy. Choćbyś nie wiem jak zwiększał radiator, Sprawa nie jest więc wcale taka prosta,
nie masz wpływu na wspomniane wąskie jak wyglądałoby na pierwszy rzut oka, zwła-
gardło związane z przepływem ciepła ze szcza, gdy chcemy zbudować estradowy  he-
struktury półprzewodnika do radiatora. avy wzmacniacz, przeznaczony do napraw-
Rys. 4 Wąskim gardłem nie jest więc radiator. dę ciężkiej pracy.
Rzeczywiście można wykonać radiator o re- Inaczej jest ze wzmacniaczem na potrzeby
Ponadto koniecznie trzeba tu uwzględnić welacyjnych możliwościach rozpraszania cie- domowe. Tu rzeczywiście zadowoli nas
skuteczność kolumn. Jeśli masz możliwość, pła. Zwiększy to trochę możliwości odprowa- chwilowa moc wyjściowa rzędu 100W, po-
to porównaj, jak bardzo różnią się głośnością dzania ciepła, ale tylko do pewnej granicy trzebna w bardzo nielicznych utworach do
kolumny i głośniki przy tej samej mocy do- określonej przez wspomniane wąskie gardło. wiernego oddania krótkich głośnych partii
starczanej. Okaże się, że tanie kolumienki A tu widać, że wszystko w rękach konstruk- utworu.
kupowane za grosze na bazarze grają bardzo torów układu scalonego. Starają się oni jak Przedstawione rozważania powinny  spro-
cicho, nawet w porównaniu z głośnikiem wy- mogą, ale i tak nie mogą skutecznie zlikwido- wadzić na ziemię wszystkich tych, którzy
jętym ze starego radia czy telewizora. Więcej wać tego wąskiego gardła. Ze względów chcieliby z monolitycznych układów scalo-
 zarobisz stosując porządne kolumny, niż technologicznych dla zmniejszenia oporności nych uzyskiwać w sposób ciągły moce bliskie
zwiększając moc wzmacniacza! Zapamiętaj cieplnej metalowa wkładka radiatorowa jest podawanym w katalogu mocom muzycznym.
to raz na zawsze! łączona z podłożem układu, czyli w praktyce Nie znaczy to, że kostki takie są nieprzy-
No tak, ale przypuśćmy, że już masz z ujemną końcówką zasilania. Jest to niezbyt datne.
estradowe kolumny 4-omowe i chcesz jednak wygodne, bo radiator ma potem potencjał Wprost przeciwnie! Wykorzystanie goto-
za wszelką cenę zrobić wzmacniacz o mocy ujemnego napięcia zasilającego i trzeba go wych układów scalonych umożliwia budowę
ponad 100W. odizolować od metalowej obudowy wzmac- wzmacniaczy o znacznej mocy także począt-
Z podanych informacji wynika, że z ukła- niacza, która zwykle jest połączona z masą. kującym i niezbyt zaawansowanym. Nato-
du TDA7294 można uzyskać więcej niż Co prawda można zastosować mikową czy si- miast wbrew pozorom, wykonanie wzmac-
100W mocy. likonową przekładkę izolacyjną między ukła- niacza o dobrych parametrach i mocy powy-
Chcesz  wydusić z kostki ile tylko się da. dem scalonym a radiatorem, ale to jeszcze żej 20...30W z elementów dyskretnych to za-
Nie zamierzasz obniżać napięcia. Do zasilania bardziej zwęzi wspomniane wąskie gardło. danie dla doświadczonego elektronika.
użyjesz bardzo  sztywnego transformatora Jeśli więc wez
mie się pod uwagę wszyst- Wzmacniacz  z naszą przykładową kost-
toroidalnego o mocy 450W i napięciu wyjścio- kie rezystancje cieplne między złączem ką  TDA7294 można więc polecić wszyst-
wym 2x35V, co po wyprostowaniu i wyfiltro- a otoczeniem i dopuszczalne temperatury, to kim, którzy chcieliby bez specjalnego trudu
waniu da ci ą50V. Zakładając, że uzyskasz na okaże się, że w żaden sposób nie uda się osią- zbudować wzmacniacz o mocy do 100W.
4-omowym głośniku napięcie międzyszczyto- gnąć mocy ciągłej wynikających z obliczeń
we 80W, planujesz uzyskać 200W mocy uży- opierających się na napięciach i prądach ma-
tecznej. Wszystko się zgadza - przelicz, jeśli ksymalnych. Piotr Górecki
Elektronika Plus - UKA
ADY AUDIO
18