Projekty AVT

Wzmacniacz multimedialny
W
z
m
a
c
n
i
a
c
z
m
u
l
t
i
m
e
d
i
a
l
n
y
Wzmacniacz multimedialny
W
z
m
a
c
n
i
a
c
z
m
u
l
t
i
m
e
d
i
a
l
n
y
HEXFET o szybkosci 80V/µs
H
E
X
F
E
T
o
s
z
y
b
k
o
s
c
i
8
0
V
/
µ
s
HEXFET o szybkosci 80V/µs
H
E
X
F
E
T
o
s
z
y
b
k
o
s
c
i
8
0
V
/
µ
s
2625
część 1
Prezentowany projekt powstał z potrzeby Co ciekawe, wiele osób wyobraża sobie, że te koncepcję. Tranzystory HEXFET zapewniają
chwili. Z komputerem mojego syna współ- tranzystory to jakieś unikalne audiofilskie ele- znakomite parametry wyjścia, natomiast
pracował typowy  multimedialny wzmac- menty, produkowane specjalnie do zastoso- wzmacniacz operacyjny pozwala w prosty
niacz z dwiema kolumienkami. wań audio. Tymczasem rzeczywistość jest du- sposób zrealizować część sterującą. Wzmoc-
Oczywiście na pudełku było napisane, że żo bardziej prozaiczna: HEXFET-ami nazywa nienie całości wyznaczone jest przez rezysto-
moc (PMPO) wynosi 200W. Rzeczywista się popularne i stosowane w wielu najróżniej- ry R , R .
A B
moc wynosiła co najwyżej 2x2W, bowiem szych urządzeniach tranzystory MOSFET, Aby radykalnie zredukować wpływ tęt-
dołączony zasilacz wtyczkowy miał moc 5W. produkowane przez firmę IRF (International nień napięcia zasilania, zdecydowałem się za-
O jakości dz
więku wydobywającego się Recrifier). We wzmacniaczach mocy audio, silać część sterującą układu napięciem stabili-
z maleńkich głośników umieszczonych zarówno amatorskich, jak i profesjonalnych, zowanym. Przy zasilaniu napięciem ą18V na
w plastikowych pudełkach nie można rzecz najczęściej stosowane są tranzystory IRF540 wyjściu wzmacniacza operacyjnego można
jasna powiedzieć ani jednego dobrego słowa. i IRF9540, odpowiednio z kanałem N i P. uzyskać niezniekształcony przebieg o ampli-
Oile mój syn przez czas jakiś używał, te- Zastanawiając się nad potrzebami dosze- tudzie ą16,5... ą17V. Rzecz jednak w tym, że
go koszmarnego zestawu do słuchania empe- dłem do zadziwiającego swą prostotą wnio- do otwarcia typowego tranzystora MOSFET
trójek ja, będąc mimowolnym świadkiem te- sku, że tak naprawdę, do współpracy z kom- mocy potrzebne jest napięcie bramka-z
ródło
go procederu, nie zdzierżyłem i zabrałem się puterem w warunkach domowych potrzebuję rzędu 5V, a nawet 6V. Oznacza to, że na wyj-
za projektowanie wzmacniacza. Pomysł był wzmacniacza o całkowitej mocy ciągłej nie ściu można byłoby uzyskać przebieg o ampli-
tym bardziej sensowny, że w domu stały nie- przekraczającej 10W (2x5W). Dobrze byłoby tudzie co najwyżej ą10...ą11V.
używane od kilku lat zupełnie przyzwoite przy tym, żeby dla dobrego przenoszenia im-
trójdrożne 50-watowe tonsilowskie kolumny. pulsów chwilowa moc szczytowa, a tym sa-
Wykonanie wzmacniacza w oparciu o jakąś mym moc muzyczna, była 2...4 razy większa.
 samochodową kostkę, na przykład popular- Aby uzyskać moc 5W na oporności ko-
ną i tanią TDA1554 byłoby dziecinnie łatwe. lumny (8&!), amplituda przebiegu sinusoidal-
Zdecydowałem się jednak pójść zupełnie inną nego powinna wynosić 9V. Dla uzyskania kil-
drogą. Wielu co bardziej wrażliwych użyt- kakrotnie większej mocy muzycznej, maksy-
kowników skądinąd dobrych i nad wyraz po- malna amplituda przebiegu wyjściowego po-
żytecznych wzmacniaczy  samochodowych winna być większa niż, powiedzmy, 15V. Te Rys. 1 Koncepcja
przekonało się, że ich brzmienie nie jest za- podstawowe informacje są potrzebne do okre-
chwycające. Porównanie z innymi wzmacnia- ślenia parametrów zasilacza oraz napięć zasi- Ponieważ zasilanie wszystkich obwodów
czami scalonymi, jak choćby znanymi i popu- lających. Po sprawdzeniu oferty rynkowej sterujących napięciem ą18V, dopuszczalnym
larnymi kostkami LM3886 czy TDA7294, ustaliłem, że układ będzie zasilany z fabrycz- dla typowych wzmacniaczy operacyjnych,
pokazuje zdecydowaną wyższość tych ostat- nego zasilacza o mocy 10...20W, a konkretnie ograniczyłoby poważnie amplitudę sygnału
nich, i to nie tylko jeśli chodzi o moc wyjścio- z zasilacza AC/AC 12V 1,5A firmy Tatarek. wyjściowego, a tym samym moc, zastosowa-
wą, ale także o jakość dz
więku. łem w układzie dodatkowe z
ródła prądowe,
Wykluczyłem więc scalone wzmacniacze Opis układu zasilane wyższym napięciem stabilizowanym.
samochodowe. Pozostały inne wzmacniacze Po analizie kilku różnych wariantów zdecydo- Uproszczony schemat wzmacniacza, pokazu-
scalone, ale i te odrzuciłem. Postanowiłem wałem się na nietypowe rozwiązanie, jący kluczowe obwody jest pokazany na ry-
wykonać wzmacniacz na słynnych tranzysto- w którym para wyjściowych tranzystorów sunku 2. Prąd (jednakowych) z
ródeł prądo-
rach HEXFET. Nazwa HEXFET, znana wszy- HEXFET będzie sterowana za pomocą wych przepływając przez rezystory R , R
C D
stkim miłośnikom techniki audio, dla wielu wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 1 poka- wywołuje na nich spadek napięcia. Jest on tak
jest synonimem znakomitej jakości dz
więku. zuje w największym uproszczeniu przyjętą dobrany za pomocą potencjometru, żeby
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2002
13
Projekty AVT
przez tranzystory płynął prąd spoczynkowy z dwóch kanałów oraz wspólny zasilacz. Ele- sienia stabilizatorów oraz tolerancji rezysto-
o określonej wartości. Dzięki zasilaniu z
ródeł menty w drugim kanale mają analogiczną nu- rów R13, R14 nie mają znaczenia, bo zosta-
prądowych wyższym napięciem (24V), na merację, tylko z dodatkową literą A (brak ną skompensowane przez wzmacniacz opera-
głośniku można uzyskać niezniekształcony tam tylko diod Zenera D9, D10, które są cyjny, który stara się utrzymać wyjściowe na-
przebieg o amplitudzie takiej, jak na wyjściu wspólne dla obu kanałów). pięcie spoczynkowe bliskie zeru.
wzmacniacza operacyjnego. Aby uniknąć nie- Napięcie z uzwojenia transformatora jest Prąd z
ródeł prądowych płynie przez rezy-
potrzebnych strat mocy, tranzystory są zasilane prostowane jednopołówkowo: dioda D1 prze- story R9, R10 i wywołuje na nich spadek na-
napięciem niestabilizowanym o wartości mniej puszcza dodatnie połówki, natomiast dioda pięcia, potrzebny do wstępnego otwarcia
więcej takiej, jak spodziewana amplituda D3  ujemne. Na kondensatorach C1, C2 oraz tranzystorów T6, T7, by bez sygnału płynął
przebiegu zmiennego z wyjścia wzmacniacza. C3, C4 uzyskuje się napięcie niestabilizowane przez nie prąd spoczynkowy o potrzebnej
Aby w możliwie prosty sposób uzyskać do zasilania tranzystorów mocy. Diody D5, wartości. Ważne jest, że część prądu ze z
ródeł
wymagane napięcia, zdecydowałem się na D6 i kondensatory C5, C6 tworzą podwajacz prądowych płynie też przez potencjometr
zastosowanie zasilacza napięcia zmiennego. napięcia dodatniego. Analogicznie D7, D8, PR1 i przez tranzystor T2. Ten potencjometr
Z pojedynczego napięcia zmiennego C7, C8 to podwajacz napięcia ujemnego. Po i tranzystor pełnią bardzo ważną rolę. Pro-
12V...15V można z powodzeniem uzyskać testach pierwszego modelu celowe okazało się blem w tym, że napięcie progowe tranzysto-
wszystkie napięcia potrzebne do zasilania dodanie rezystora ograniczającego R18, który rów MOSFET zmienia się pod wpływem
wzmacniacza. Można też wykorzystać trans- zmniejsza napięcie na wejściach stabilizato- zmian temperatury. Bez właściwej kompensa-
formator z podwójnym uzwojeniem dający rów U1, U2 z prawie ą45V do około cji tranzystory podczas pracy nagrzewałyby
napięcia zmienne 2x (12...15V). ą27...ą35V i tym samym zmniejsza straty mo- się coraz bardziej, wzrastałby prąd spoczyn-
Schemat ideowy układu pokazany jest na cy w stabilizatorach. Dzięki niemu stabilizato- kowy i po paru minutach pracy wzmacniacz
rysunku 3. Na rysunku pokazano jeden ry z powodzeniem mogą pracować bez radia- przestałby pełnić swą funkcję, a przy znacz-
torów, a kondensatory C5...C8 nie muszą mieć nej mocy zasilacza mógłby nawet ulec prze-
Rys. 2 Zasada działania napięcia nominalnego większego niż 40V. grzaniu. Wzrost temperatury MOSFET-a przy
Należy zauważyć, że układ będzie pracował stałym napięciu bramka-z
ródło powodowałby
poprawnie tylko przy podłączeniu uzwojenia bowiem duży wzrost prądu spoczynkowego.
wtórnego transformatora do punktów R, S. Zapobiega temu tranzystor T2, który musi
Punkt T i diody D2, D4 są przewidziane na być umieszczony na radiatorze, w pobliżu
wszelki wypadek, do wersji zasilanej napię- któregoś z tranzystorów mocy. Wzrost tempe-
ciem podwójnym 2x(12...15VAC). ratury tranzystorów mocy powoduje też
Na wyjściach stabilizatorów U1, U2 uzy- wzrost temperatury tranzystora T2. Tym sa-
skuje się napięcie symetryczne ą24V. mym zmniejsza się jego napięcie przewodze-
W układzie celowo zastosowałem stabiliza- nia U  w praktyce oznacza to wzrost prądu
BE
tory LM317/337 zamiast 7824, 7924. Mając płynącego przez T2. Jeśli prąd T2 wzrasta,
do dyspozycji napięcie odniesienia (1,25V) przez R9, R10 płynie mniej prądu i napięcie
między wyjściem, a końcówką ADJ stabili- na tych rezystorach zmniejsza się. Zmniejsza
zatorów LM317/337, zrealizowałem dwa się więc napięcie bramka-z
ródło MOSFET-
z
ródła prądowe w najprostszy sposób, za po- ów i ich prąd spoczynkowy, niezależnie od
mocą tranzystorów T1, T3. temperatury, pozostaje praktycznie taki sam.
Ewentualne drobne różnice prądów obu
z
ródeł, wynikające z rozrzutu napięć odnie- Rys. 3 Schemat ideowy
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2002
14
Projekty AVT
Kluczem do sukcesu jest tu dobranie wła- z popularnymi wzmacniaczami TL071. Po nie szybszą - LF357. Zwłaszcza ten ostatni
ściwych proporcji, co osiąga się głównie wstępnych próbach dodałem kondensatory wzmacniacz budził pewne nadzieje. Wersja
przez ustalenie właściwej wartości R9 i R10 C15, C16 i zmodyfikowałem nieco obwody LM257 ma bowiem dopuszczalne napięcie za-
oraz prÄ…du z
ródeł prądowych. zasilania (m.in. dodając rezystor R18). silania wynoszące ą22V. W układzie mostko-
PrÄ…d z
ródeł prądowych jest dość duży  Parametry okazały się zupełnie przyzwoi- wym po drobnych modyfikacjach udałoby się
około 10mA. Możliwie duża wartość prądu, te i w zasadzie nie pozostało nic innego, jak więc uzyskać na głośniku napięcie szczytowe
a także duża wydajność wyjścia wzmacniacza zamknąć wzmacniacz w obudowie i podłą- około ą40V, co przy obciążeniu 8&! oznacza
operacyjnego, są tu korzystne ze względu na czyć do komputera. Ze wspomnianego zasila- moc ciągłą 100W, a na 4&! - 200W!
dużą pojemność wejściową tranzystorów, wy- cza AC 12V/1,5A uzyskałem na obciążeniu Okazało się jednak, że opracowana bardzo
noszącą w sumie około 2nF. Co prawda po- 8&! moc 2x10W (sinus), pasmo sięgnęło po- dawno kostka LF357 ma niesymetryczne cha-
jemnoÅ›ci tej nie trzeba caÅ‚kowicie przeÅ‚ado- nad 40kHz, szybkość wynosiÅ‚a okoÅ‚o 4V/µs. rakterystyki wyjÅ›cia i niezbyt dobrze spraw-
wywać, bo tranzystory pracują na liniowym Postawione zadanie zrealizowałem z po- dza się w takim zastosowaniu. Wprawdzie
odcinku charakterystyki, jednak dla dobrego wodzeniem. szybkość wzmacniacza polepszyła się znacz-
przenoszenia impulsów wydajność prądowa Wiedziony ciekawością postanowiłem nie, jednak przy sygnale prostokątnym dużej
całego stopnia sterującego bramkami jednak zadać sobie dodatkowy (pozornie nie- częstotliwości dolne połówki przebiegu wyj-
MOSFET-ów powinna być jak największa. potrzebny) trud i sprawdzić działanie z inny- ściowego były zniekształcone przez spore
Ważną funkcję pełnią też kondensatory mi wzmacniaczami operacyjnymi. Dodałem przerzuty. Górne połówki przebiegu były
C15, C16 włączone równolegle do R9 i R10 też na wejściu blok odwracania fazy i zbudo- wzmacniane prawidłowo. Wobec trudności
 one też znacznie polepszają właściwości wałem wzmacniacz mostkowy, by spraw- z korekcją tak zdeformowanego sygnału,
impulsowe wzmacniacza. dzić, jaką moc maksymalną można  wydu- odrzuciłem pomysł wykorzystania dość szyb-
Rezystory R15, R16 polepszają dodatko- sić z układu. kiej i bardzo taniej kostki LF357(LF257).
wo stałość prądu spoczynkowego, a wraz I zaczęło się! Chcąc osiągnąć jak najlepsze wyniki
z tranzystorami T4, T5 tworzą obwód zabez- Zgodnie z oczekiwaniami wzmacniacz mo- w końcu sięgnąłem po kolejny wzmacniacz
pieczenia przeciwzwarciowego. Wartość stkowy pozwolił uzyskać moc rzędu kilkudzie- operacyjny. Od dłuższego czasu leży u mnie
R15, R16 wyznacza prąd zwarcia  przy war- sięciu watów, przy czym układ był zasilany i czeka na publikację wzmacniacz-bufor wi-
tości 0,1&! prąd zwarcia wynosi około 5...6A. z transformatora toroidalnego 2x12V/200W. deo ze wzmacniaczem operacyjnym AD817.
Oporność tych rezystorów można śmiało Moc szczytowa wyniosła 65W na 8&!, a ciągła Włożyłem więc do układu kostkę AD817 i...
zwiększyć do 0,22&!, bo w układzie podsta- sinusoidalna  50W. W pierwszej chwili nie zamurowało mnie.
wowym prąd szczytowy nie przekroczy 2A. wydało się to osiągnięciem godnym uwagi, bo Szybkość zmian na wyjściu wzmacniacza
Przy niewielkim zasilaczu obwód zabezpie- z ukÅ‚adu stereofonicznego wyszedÅ‚ wzmac- wzrosÅ‚a do rewelacyjnej wartoÅ›ci 80V/µs.
czenia przeciwzwarciowego nie jest koniecz- niacz mono, nie mający żadnych rzucających A pasmo przy małych sygnałach sięgnęło
ny, bo zasilacz nie da tak dużego prądu nawet na kolana parametrów. niewyobrażalnej dla wzmacniaczy mocy czę-
w stanie zwarcia. Niezależnie od tego sprawdziłem działa- stotliwości 1MHz! Dzięki starannemu dopra-
Diody Zenera D9, D10 zmniejszają napię- nie wzmacniacza z układami OP27, OP37 cowaniu tej nowoczesnej, a przy tym stosun-
cie zasilające do około ą18V, dopuszczalnego oraz z bardzo popularną kostką NE5532. kowo taniej kostki, nie było kłopotów z prze-
dla większości wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacze OP27, OP37 nie dały radykal- rzutami ani oscylacjami. Żeby całkowicie
Kondensatory C11, C12 są przewidziane tylko nie lepszych efektów. Kostka NE5532 na wyeliminować wpływ pojemności montażo-
po to, by zmniejszyć reaktancję obwodu zasi- pierwszy rzut oka wydawała się lepsza od wych i innych subtelnych czynników, doda-
lania dla najwyższych częstotliwości, co też TL071, bo jest przeznaczona specjalnie do łem obwód korekcyjny C17, R17, dzięki cze-
poprawia parametry impulsowe wzmacniacza. zastosowań audio i ma większą wydajność mu uzyskałem wręcz rewelacyjne wyniki. Na
Obwód sprzężenia zwrotnego z rezystorami prądową wyjścia. Specjalnie przerobiłem fotografiach 1...3 widać przebiegi prostokąt-
R7, R8 i kondensatorem C10 jest klasyczny. układ, przecinając ścieżki i dodając elementy ne o częstotliwościach kolejno 2kHz, 20kHz
Wzmocnienie ma wartość typową dla wzmac- i połączenia. Jeden ze wzmacniaczy tej i 200kHz i amplitudzie 11,5Vpp, występują-
niaczy mocy i wynosi 22x (26dB). Obwód podwójnej kostki pracował jako bufor, drugi ce na wyjściu. Po obciążeniu wyjścia głośni-
C17, R17, wyrównujący przebieg charaktery- pełnił swą główną rolę w opisywanym urzą- kiem zmiana kształtu przebiegu jest niewiel-
styki w zakresie częstotliwości ponadakustycz- dzeniu. Okazało się jednak, że przy zastoso- ka, wręcz bez znaczenia.
nych, został dodany po testach modelu. waniu układu NE5532 trzeba w istotny spo- Tak znakomity wynik zachęcił mnie do
Sygnał jest podawany na punkt A i przez sób modyfikować obwód sprzężenia zwrot- wypróbowania układu mostkowego z kostka-
kondensator C9 przechodzi na wejście nieod- nego, bo układ miał silną skłonność do sa- mi AD817 w obu gałęziach. Również i tu
wracające wzmacniacza operacyjnego. Rezy- mowzbudzenia, a po dodaniu obwodu kom- wyniki były zachwycające, a jedynym kłopo-
stor R5 dodany jest na wszelki wypadek, że- pensacji w charakterystyce w zakresie naj- tem okazało się wykonanie obwodu odwra-
by zwiększyć stabilność układu. Prąd polary- wyższych częstotliwości pojawiły się nie- cania fazy o odpowiedniej szybkości.
zacji wejścia płynąc przez rezystor R6 wywo- równości. Oznaczało to spore utrudnienia, Eksperymenty w tym zakresie wykroczy-
łuje na nim spadek napięcia. Spadek ten nie a przy tym ani pasmo, ani szybkość wyjścio- ły jednak poza ramy niniejszego projektu
powinien być większy od 0,1V  trzeba pa- wa nie polepszyły się w znaczącym stopniu. i artykułu. Przyznam, że uzyskane wyniki za-
miętać, że na głośniku pojawi się takie napię- Sprawdziłem też działanie wzmacniacza skoczyły mnie nad wyraz pozytywnie i roz-
cie stałe, jakie panuje na wejściu nieodwraca- z popularnymi kostkami LF356 i wersją znacz- ważam możliwość zaprezentowania w przy-
jącym wzmacniacza operacyjnego. szłości kolejnego wzmacniacza, o większej
Fot. 1...3 Przebiegi mocy, zbudowane-
Wzmacniacz operacyjny go według opisanej
Podczas projektowania schematu nie zastana- koncepcji.
wiałem się, jaki wzmacniacz operacyjny bę-
dzie pracował w układzie. Po zmontowaniu
modelu i ustawieniu prądów spoczynkowych Ciąg dalszy w EdW 4/02.
przede wszystkim wypróbowałem działanie Piotr Górecki
Elektronika dla Wszystkich
Marzec 2002
15