Wysokosprawny T Y
P R O J E K wzmacniacz audio 2x250W
Wysokosprawny
wzmacniacz audio
2x250W, część 1
AVT-5015
Na rynku ukÅ‚adÛw
scalonych do wzmacniaczy
audio dÅ‚ugo panowaÅ‚ zastÛj.
W ostatnich dwÛch latach
nastąpił rewolucyjny przełom,
ktÛry z pewnym opÛünieniem
dotarł takłe do Polski:
w artykule przedstawiamy
opis konstrukcji wzmacniacza
audio wysokiej jakości,
o bardzo dułej mocy
Ojcem (matkÄ…?) sukcesu jest poddawany dogÅ‚Íbnej analizie wid-
muzycznej (2x250W), ktÛry
amerykaÒska firma Tripath, ktÛra mowej przez procesor sygnaÅ‚owy
praktycznie nie wymaga
po latach doÅ›wiadczeÒ ze wzmac- wbudowany w ukÅ‚ad sterujÄ…cy (rys.
chłodzenia. Niewiarygodne?
niaczami audio pracujÄ…cymi w kla- 3). Procesor ten odpowiada za
Zobaczcie sami!
sie D (z cyfrowÄ… modulacjÄ… syg- dostosowanie czÍstotliwoÅ›ci noÅ›nej
nału audio metodą PWM) opraco- do widma sygnału wejściowego,
waÅ‚a wÅ‚asnÄ…, zupeÅ‚nie nowÄ… klasÍ a takÅ‚e - dziÍki rozbudowanym
wzmacniaczy, ktÛrÄ… nazwanÄ… T. obwodom sprzÍÅ‚enia zwrotnego -
Podstawowa zasada działania dostosowuje parametry sterowania
wzmacniaczy pracujÄ…cych w klasie wyjÅ›ciowych tranzystorÛw mocy
T jest podobna do klasycznych do ich indywidualnych charakte-
wzmacniaczy impulsowych, tzn. rystyk. DziÍki temu dobranie tran-
sygnaÅ‚ wyjÅ›ciowy wzmacniacza jest zystorÛw pracujÄ…cych w koÒcÛw-
ciÄ…giem impulsÛw o modulowanym kach mocy nie jest zbyt trudne.
wypeÅ‚nieniu i - istotna nowośĘ - WedÅ‚ug informacji udostÍpnionych
czÍstotliwoÅ›ci. To wÅ‚aÅ›nie dziÍki przez producenta, czÍstotliwośĘ
modyfikowaniu czÍstotliwoÅ›ci noÅ›- noÅ›nej PWM dla sygnaÅ‚Ûw o nie-
nej PWM wzmacniacze pracujÄ…ce wielkich amplitudach i niskich
w impulsowej klasie T nie znie- czÍstotliwoÅ›ciach wynosi ok.
Najważniejsze parametry i właściwości
kształcają składowych sygnału wyj- 1,2MHz. Spada ona do ok. 200kHz
wzmacniacza AVT-5015:
Å›ciowego o czÍstotliwoÅ›ciach po- dla sygnaÅ‚Ûw o bardzo duÅ‚ych am-
' moc muzyczna: 2x250W (THD=1,2%, RL=4&!),
wyÅ‚ej 1,5..2kHz jak dzieje siÍ to plitudach. DziÍki uzaleÅ‚nieniu
' moc wyjściowa dla sygnału sinusoidalnego
w klasie D (rys. 1), w zwiÄ…zku czÍstotliwoÅ›ci sygnaÅ‚u noÅ›nego od
i THD=0,1% (RL=4&!): 150W,
z czym mają pasmo przenoszenia amplitudy sygnału wyjściowego
' pasmo przenoszenia: 17Hz..80kHz,
porÛwnywalne (rys. 2) ze wzmac- poszerzeniu ulega zakres liniowej
' odstęp sygnału od szumu: >99dB,
' separacja kanałów nie gorsza niż: -75dB (w
niaczami pracujÄ…cymi w klasie A pracy elementÛw indukcyjnych,
całym pasmie),
lub AB. Tak dobry wynik osiÄ…g- ktÛre wykorzystano do filtracji
' klasa pracy: T,
niÍto - niestety - dośĘ duÅ‚ym sygnaÅ‚u wyjÅ›ciowego.
' sprawność (P =160W, RL=4&!): 87%,
out
kosztem, poniewał sygnał wejścio- W tym momencie wypada za-
' wbudowane zabezpieczenia
antyprzeciążeniowe. wy poddawany wzmacnianiu jest daĘ pytanie, po co inłynierowie
Elektronika Praktyczna 5/2001
14
Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W
Rys. 1. Zniekształcenia w funkcji częstotliwości Rys. 4. Zawartość harmonicznych w sygnale
wzmacniacza pracującego w klasie D. wyjściowym przykładowego wzmacniacza
pracujÄ…cego w klasie D.
Rys. 2. Zniekształcenia w funkcji częstotliwości Rys. 5. Zawartość harmonicznych w sygnale
wzmacniacza pracującego w klasie T. wyjściowym przykładowego wzmacniacza
pracujÄ…cego w klasie T.
firmy Tripath tak bardzo skompli- kÛw subniskotonowych o paÅ›mie niaczy o mocy wyjÅ›ciowej (sinus)
kowali wzmacnianie sygnału au- przenoszenia do 250..500Hz. Na ok. 150W w kałdym kanale. Właś-
dio? Odpowiedü jest bardzo pros- rys. 5 pokazano charakterystykÍ nie ten ukÅ‚ad zastosowaliÅ›my
ta: ze wzglÍdÛw oszczÍdnoÅ›cio- ilustrujÄ…cÄ… poziom znieksztaÅ‚ceÒ w prezentowanym projekcie.
wych. Wzmacniacze pracujące w funkcji mocy wyjściowej
w klasie AB lub A charakteryzujÄ… wzmacniacza klasy T. PrzyjÍto Opis ukÅ‚adu
siÍ doskonaÅ‚ymi parametrami (ma- warunki pomiarowe identyczne, Prezentowany w artykule
łe zniekształcenia, dułe wzmoc- jak dla odpowiedniego układu wzmacniacz powstał w oparciu
nienie, szerokie pasmo przenosze- pracujÄ…cego w klasie D (charakte- o bardzo szczegÛÅ‚owe zalecenia
nia), lecz mają małą a nawet rystyka z rys. 4) - przedstawiony producenta układu TA0102A.
bardzo maÅ‚Ä… (zwÅ‚aszcza wzmac- wykres nie oznacza, Å‚e w zbudo- W dokumentacji udostÍpnionej
niacze pracujÄ…ce w klasie A) wanym przez nas wzmacniaczu m.in. na stronie www.tripath.com
sprawnośĘ energetycznÄ…. Z kolei przy 10W mocy wyjÅ›ciowej po- znajduje siÍ tak wiele wytycz-
wzmacniacze impulsowe pracujÄ…- ziom znieksztaÅ‚ceÒ osiÄ…ga 10%! nych, Å‚e potencjalny wykonawca
ce w klasie D mają dułą spraw- wzmacniacza ma stosunkowo nie-
nośĘ energetyczną (nawet do TA0102A - serce wiele do zrobienia: zaprojektowaĘ
88%), ale wnoszÄ… do wzmacnia- wzmacniacza pÅ‚ytkÍ drukowanÄ…. Jak siÍ jednak
nego sygnaÅ‚u dośĘ duÅ‚e znie- Pierwsze prÛby ze wzmacnia- okazaÅ‚o, nie jest to zadanie zbyt
ksztaÅ‚cenia, ktÛre sÄ… szczegÛlnie czami pracujÄ…cymi w klasie T kon- proste, poniewaÅ‚ prÄ…d przepÅ‚ywa-
dokuczliwe dla składowych syg- struktorzy firmy Tripath prowadzi- jący impulsowo przez kluczowane
naÅ‚u wyjÅ›ciowego o wyÅ‚szych li budujÄ…c je z elementÛw dyskret- z duÅ‚Ä… szybkoÅ›ciÄ… tranzystory mo-
czÍstotliwoÅ›ciach (rys. 4). Odtwa- nych. OkazaÅ‚o siÍ, Å‚e zoptymali- cy powoduje powstawanie dośĘ
rzanie muzyki za pomocÄ… wzmac- zowany projekt sterownika moÅ‚na duÅ‚ych zakÅ‚ÛceÒ, ìchÍtnieî wyko-
niacza o tak dułych zniekształce- umieściĘ w pojedynczej obudowie rzystywanych przez wzmacniacz
niach jest praktycznie niemoÅ‚li- i dostarczaĘ go w postaci goto- jako pretekst do wzbudzania siÍ.
we, w zwiÄ…zku z czym klasa D wych moduÅ‚Ûw hybrydowych, nie Schemat elektryczny najwaÅ‚niej-
doskonale przyjÍÅ‚a siÍ w syste- wymagajÄ…cych praktycznie Å‚adne- szej czÍÅ›ci wzmacniacza pokazano
mach kina domowego, gdzie ener- go ìstrojeniaî. Jednym z pierw- na rys. 6. Jak Å‚atwo siÍ domyÅ›leĘ,
gooszczÍdne wzmacniacze sÄ… wy- szych ukÅ‚adÛw tego typu na rynku najwaÅ‚niejszym elementem wzmac-
korzystywane do zasilania głośni- był TA0102A, sterownik wzmac- niacza jest układ scalony U1. Syg-
nały wejściowe IN_L i IN_R są
Tab. 1. Wartość czasu  martwego
w zależności od położenia zworek
JP1 i JP2.
Zwarte Zwarte Czas
styki styki  martwy
JP1 JP2 [ns]
1-2 1-2 145
1-2 2-3 105
2-3 1-2 65
Rys. 3. Schemat blokowy układu TA0102A. 2-3 2-3 25
Elektronika Praktyczna 5/2001
15
Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W
wstÍpnie filtrowane za pomocÄ…
pasywnych filtrÛw LC, a skÅ‚adowa
stała, jaka mołe w nich wystąpiĘ
jest separowana za przez konden-
satory C35 i C36. Do wejśĘ sygna-
łowych IN1 i IN2 U1 dołączono
dwa potencjometry R17 i R18, za
pomocÄ… ktÛrych ustala siÍ napiÍcie
polaryzujÄ…ce stopieÒ wejÅ›ciowy
wzmacniacza. Na złącze wejściowe
JP4 wyprowadzono takłe sygnał
wyciszania wzmacniacza MUTE. Je-
łeli zostanie podany na to wejście
sygnaÅ‚ cyfrowy o poziomie napiÍcia
odpowiadajÄ…cym logicznej ì1î
wzmacniacz przestanie pracowaĘ.
Po ok. 200 ms od chwili podania
na to wejÅ›cie logicznego ì0î
wzmacniacz rozpoczyna normalnÄ…
pracÍ. JeÅ‚eli wejÅ›cie to nie bÍdzie
wykorzystane mołna uaktywniĘ
wzmacniacz ìna staÅ‚eî, zwierajÄ…c
styki 2-3 jumpera JP3.
Bardzo istotnÄ… rolÍ, zwÅ‚aszcza
dla bezpieczeÒstwa kosztownego
układu TA0102A, pełni impulso-
wy stabilizator napiÍcia U2. Jest
to układ z rodziny SimpleSwitcher
produkowanej przez National Se-
micondutors. Pracuje on w swojej
typowej aplikacji stabilizatora ob-
niÅ‚ajÄ…cego napiÍcie wejÅ›ciowe,
a jego zadaniem jest utrzymanie
12-woltowego odstÍpu napiÍcia za-
silającego wejście referencyjne
VN12 U1 od ujemnego napiÍcia
zasilania -45V. Poniewał pod
wpływem zmian ob-
ciąłenia wartośĘ
ujemnego napiÍcia
zasilajÄ…cego moÅ‚e siÍ
zmieniaĘ w szerokich
granicach, producent
zaleca stosowanie
schematu zasilania
tego wejścia jak po-
kazano na rys. 7.
Teoretycznie mołli-
wy, prostszy w reali-
zacji wariant zasila-
nia pokazany na rys.
8, nie zapewnia bez-
pieczeÒstwa pracy
U1. Zastosowanie
dośĘ kosztownego
stabilizatora impulso-
wego wyniknÍÅ‚o
z faktu, Å‚e wiÍkszośĘ
klasycznych stabiliza-
torÛw 3-koÒcÛwko-
wych nie pracuje sta-
bilnie w przypadku wykorzystanie
bieguna zasilania jako wejścia re-
ferencyjnego (masy). Poniewał na-
Rys. 6. Schemat elektryczny wzmacniacza.
Elektronika Praktyczna 5/2001
16
Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W
WYKAZ ELEMENTÓW
Końcówka mocy T1..T4: STB19NB20
Rezystory U1: TA0102A
R1, R2: 20k&! U2: LM2594HV-13
R3, R6, R11, R14: 0,01&!/1W Różne
bezindukcyjne
L1, L2: 11µH/10A
R4, R5, R9, R10: 5,6&!/1W
L3, L4: według opisu w tekście
bezindukcyjne
L5: 330µH/2A
R7, R12: 33&!/2W bezindukcyjne
L6, L7: 1µH/10A
R8, R13: 1k&!/1W bezindukcyjne
JP1..JP3: goldpiny 1x3 z jumperami
Rys. 7. Zalecany sposób
R15: 1,5k&!
wytwarzania napięcia ARK2 2 szt.
R16: 10k&!
polaryzujÄ…cego VN12.
ARK3 2 szt.
R17, R18: 10k&! potencjometry
Listwa goldpin z 38 stykami
miniaturowe
(podstawka dla TA0102A)
R19..R22: 1M&!
Radiator aluminiowy zgodnie
R30, R31: opcjonalnie według
z opisem w tekście
opisu w tekście
Kondensatory
Blok zabezpieczenia głośników
C1..C7, C14, C16, C17:
(opcjonalny)
100nF/100V
Rezystory
C8, C13, C15, C27: 100µF/100V
R23, R24: 1M&!
C9, C10, C34: 100nF/50V
R25: 20k&!
Rys. 8. Nieprawidłowy sposób
C11: 10µF/100V
R26, R27: 100k&!
wytwarzania napięcia
C12: 100µF/25V
R28: 220k&!
polaryzujÄ…cego VN12.
C18..C23: 10nF/100V
Kondensatory
C28, C29: 100µF/150V
C24..C26: 1µF/50V
piÍcie zasilajÄ…ce U2 ma duÅ‚Ä…
C30, C31: 220nF
Półprzewodniki
wartośĘ, niezbÍdnym okazaÅ‚o siÍ
C32, C33: 47pF
D6: BAT83
zastosowanie stabilizatora wysoko-
C35, C36: 1µF/25V
D7: MBR150 lub MBR160
napiÍciowego (LM2594HV - High
C37..C40: 10nF/50V
D9: 1N4148
Voltage, mołe pracowaĘ przy na-
Półprzewodniki
piÍciu wyjÅ›ciowym wynoszÄ…cym Q5: BC557
D1..D4: MUR120
maksymalnie 57V), a ze wzglÍdu Q6..Q9: BS170
D5: dowolna LED
na wygodÍ montaÅ‚u zdecydowano Różne
D8: MBR150 lub MBR160
siÍ na uÅ‚ycie ukÅ‚adu o fabrycznie Przekaz
nik np. Schrack RTE24-005
ustalonym napiÍciu wyjÅ›ciowym.
Wbudowany w U1 procesor ste- Oznacza to, Å‚e podczas przeÅ‚Ä…czania wyÅ‚Ä…czone. Funkcja ta naywa siÍ
rujÄ…cy wyjÅ›ciowe tranzystory mocy par tranzystorÛw T1, T3 i T2, T4 Break-Before-Make, a jej zadaniem
moÅ‚na skonfigurowaĘ za pomocÄ… procesor pomiÍdzy cyklami naprze- jest m.in. zminimalizowanie start
zworek JP1 i JP2 w taki sposÛb, aby miennego wÅ‚Ä…czania tranzystorÛw energii w przypadku zastosowania
zoptymalizowaĘ parametry sterowa- wstawia czas ìmartwyî kiedy to niezbyt szybkich tranzystorÛw wyj-
nia pod kątem szybkości ich pracy. obydwa tranzystory powinny byĘ ściowych. W tab. 1 zestawiono war-
toÅ›ci czasu ìmartwegoî w zaleÅ‚noÅ›-
ci od ustawienia zworek JP1 i JP2.
W przypadku zastosowania spraw-
dzonych w naszym laboratorium,
w zwiÄ…zku z czym zalecanych tran-
zystorÛw STB19BN20 czas ìmart-
wyî powinien wynosiĘ 65ns.
Konstrukcja stopni koÒcowych
wzmacniacza jest niezbyt interesu-
jąca (czytaj: mało skomplikowana),
lecz wymagania stawiane zastoso-
wanym w nich elementom sÄ… bar-
dzo wysokie. TwÛrcy ukÅ‚adu
TA0102A wykazali siÍ ogromnym
doÅ›wiadczeniem, dziÍki czemu
w obydwu gaÅ‚Íziach stopni koÒco-
wych mołna zastosowaĘ tranzysto-
ry unipolarne z kanałem N, zamiast
najczÍÅ›ciej stosowanych par kom-
plementarnych. Pomimo ciągłego
udoskonalania technologii, tranzys-
tory mocy z kanałem P ciągle po-
Rys. 9. Schemat elektryczny opcjonalnego bloku zabezpieczającego głośniki.
Elektronika Praktyczna 5/2001
17
Wysokosprawny wzmacniacz audio 2x250W
zostają krok w tyle (są zazwyczaj cą diody świecącej D5, sterowanej lub wyłączenia i włączenia zasi-
wolniejsze) za swoimi odpowiedni- sygnałem z wyjścia HMUTE U1. lania. W przypadku zbyt niskiego
kami z kanaÅ‚em N. DziÍki temu åwiecenie tej diody oznacza po- lub zbyt wysokiego napiÍcia za-
unikamy koniecznoÅ›ci pÅ‚acenia wiÍ- prawne warunki pracy ukÅ‚adu. silania dioda D5 takÅ‚e gaÅ›nie,
cej lub Å‚mudnego dobierania par W przypadku wystÄ…pienia przetÍ- a powrÛt wzmacniacza do pracy
podobnych tranzystorÛw, co zresztÄ… Å‚enia w stopniu wyjÅ›ciowym dio- jest moÅ‚liwy dopiero po podaniu
nie zawsze jest moÅ‚liwe. da D5 gaÅ›nie sygnalizujÄ…c awariÍ. napiÍcia zasilajÄ…cego o wÅ‚aÅ›ciwej
Układ U1 jest wyposałony Ponowne włączenie wzmacniacza wartości.
w system autodiagnostyki, ktÛrego wymaga zmiany stanu logicznego
stan jest sygnalizowany za pomo- na wejściu MUTE w cyklu 0-1-0 Dodatkowe bloki
funkcjonalne
Niezobowiązującym uzupełnie-
niem prezentowanej konstrukcji
jest blok zabezpieczenia głośni-
kÛw przed uszkodzeniem stopni
wyjÅ›ciowych, ktÛry jednoczeÅ›nie
speÅ‚nia rolÍ ich odÅ‚Ä…cznika, ste-
rowanego sygnałem HMUTE.
Schemat elektryczny tej czÍÅ›ci
układu pokazano na rys. 9. Jest
to dokładna kopia bloku zabezpie-
czajÄ…cego opracowanego przez in-
Å‚ynierÛw firmy Tripath. Jego za-
letą jest prostota układowa i od-
pornośĘ na potencjalne uszkodze-
nia, lecz - jak pokazały doświad-
czenia prowadzone ze wzmacnia-
czem - jego stosowanie nie jest
niezbÍdne. W przypadku rezygna-
cji ze stosowania bloku zabezpie-
czającego naleły zewrzeĘ za po-
mocÄ… grubego przewodu miedzia-
nego styki przekaünika i koniecz-
nie zainstalowaĘ nastÍpujÄ…ce ele-
menty: L6, L7 i C18..C23. Z mon-
taÅ‚u pozostaÅ‚ych elementÛw moÅ‚-
na zrezygnowaĘ.
Piotr Zbysiński, AVT
[e-mail]
Wzory płytek drukowanych w for-
macie PDF sÄ… dostÍpne w Internecie
pod adresem: http://www.ep.com.pl/
?pdf/maj01.htm oraz na płycie
CD-EP05/2001B w katalogu PCB.
Elektronika Praktyczna 5/2001
18