Články / NF technika

Nízkofrekvenční výkonový zesilovač LaDA2075

Dátum: 28.05.2011 Autor: Thales

Provozní a technické parametry zesilovače:

Výstupní výkon (při THD 1%)	25W
Dovolená zátěž	>=4Ω
Zkreslení THD
při P=20W, RL=4Ω, 1KHz	0,022%
při P=20W, RL=4Ω, 20KHz	0,07%
Napájení (viz dále v textu)	symetrické 16V až 30V
Odstup rušivých napětí	83dB
Rozměry	70x50mm

Modul LaDA2075 vznikl na základě značné obliby modulů založených na obvodech řady TDA20x0 (A2030), zejména mezi začátečníky. Tyto moduly ať už komerční či nekomerční povahy se mnohdy vyznačují dle mého názoru ne zcela zdařilým návrhem vlastní desky plošných spojů, ale i volbou osazených součástek. Až na opravdu vzácné výjimky se jedná o základní katalogové zapojení. Cílem projektu bylo nabídnout obdobnou konstrukci které by se začátečník nebál (zůstáváme u IO), která je však zpracována lépe. Pro začátečníky by pak výhodou kvalitní dokumentace, včetně kompletního seznamu součástek který stačí jen vytisknout a jít na nákup a nebo zaslat zásilkové službě. Ke komerčním stavebnicím se sice vždy alespoň základní popis dodává, u internetových amatérských projektů však nebývá běžným zvykem nebo jen omezeně.

Jako základ zesilovače byl zvolen integrovaný obvod LM1875 od National Semiconductor. Tento obvod oproti některému z konkurenčních obvodů z řady TDA20x0 je parametrově i poslechově kvalitnější, přitom se zapojuje stejně snadno jelikož je pinově kompatibilní. Díky této kompatibilitě je tedy možné do desky beze změn (krom napájení) osadit i zmiňované TDA20x0 (až na TDA2010 a TDA2020 které se již mnoho let nevyrábí a TDA2052 který má jiné pouzdro). Vše je sice uvedené v dokumentaci od výrobce IO (datasheetech) ale pro snazší orientaci jsou potřebné údaje o napájení shrnuté v následující tabulce:

	Zatěžovací Impedance [Ω]	Minimální napájecí napětí [V]	Výrobcem doporučené napájecí napětí pro danou impedanci [V]	Odpovídá střídavému napětí na transformátoru naprázdno [V] (zaokrouhleno)
LM1875	4	±8	±25	2 x 18
LM1875	8	±8	±30	2 x 21
TDA2030 (A2030)	4	±6	±14	2 x 10
TDA2030 (A2030)	8	±6	±18	2 x 13
TDA2030A	4	±6	±16	2 x 11
TDA2030A	8	±6	±19	2 x 14
TDA2040	4	±2,5	±16	2 x 11
TDA2040	8	±2,5	±18	2 x 13
TDA2050	4	±4,5	±18	2 x 13
TDA2050	8	±4,5	±22	2 x 16
TDA2051	4	±16	±16	2 x 11
TDA2051	8	±16	±16	2 x 11

Z předchozí tabulky je jasné že obvod LM1875 má ze všech ostatních v tabulce uvedených obvodů díky dovolenému napájecímu napětí dosažitelný nejvyšší výstupní výkon. Nenechte se zmást zdánlivě vysokými výstupními výkony na úvodních stranách některých datasheetů a podívejte se při jakém zkreslení se tyto výkony uvádí. Obvykle při harmonickém zkreslení 10% což už je zcela mimo poslouchatelné meze. Dalším prostudováním datasheetů (viz odkazy na konci) zjistíme že i ostatní parametry má tento obvod nejlepší. Parametry však nejsou vše. Finálním rozhodujícím činitelem jsou však poslechové testy. Tam se pozitivně projevuje celkově modernější koncepce obvodu a předpoklady do něj vkládané se naplňují.

Vlastní stavba modulu neobsahuje žádné záludnosti, přesto bych si dovolil připomenout některá základní pravidla na která začínající elektronik pod vlivem nedočkavosti snadno zapomene.

Důkladně si zkontrolujte jakou součástku kam dáváte. Pomocí by vám v tom měl být kvalitní osazovací výkres který je vhodný si vytisknout a mít ho po celou dobu osazování na stole.

Součástky se osazují od nejmenších k největším, tj propojka JP1 (nepovinná), malé rezistory (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R11, R12), diody (D1, D2), větší rezistory (R7, R8, R9, R10), malé kondenzátory (C3, C6, C8, C9), faston (nepovinný) Fz umístěný uprostřed desky, LED, větší kondenzátory (C1, C2, C4, C5, C10, C11) a na závěr tlumivku L1, výstupní fastony či svorkovnice a IO. Nepodceňujte to, konstrukce obsahuje na střídačku vedle sebe součástky vysoké i nízké a při nevhodném pořadí osazování se to vymstí.

Před zapojením si ZNOVU vše důkladně zkontrolujte, ideálně si před finální kontrolou dejte pauzu. Člověk má často pocit že už to kontroloval a všechno je v pořádku a někdy se pak nestačí divit co dokázal přehlédnout.

Modul by měl fungovat bez problému na první zapojení, přesto je před uvedením do chodu vhodné obvod připojit přes omezovací rezistory několik desítek ohmů v napájecích větvích (a nebo náhradou dvě stejné slabé žárovky) a zkontrolovat si alespoň klidový odběr modulu (mezi cca 40-100mA podle typu osazeného IO) a napětí na výstupu zesilovače. To by nemělo být větší než maximálně několik desítek milivoltů (mV), reálně se u několika měřených modulů pohybovalo nejvýše něco málo přes 1mV. Pokud jste někde udělali chybu zabrání to nejhoršímu a nebudete muset jít znovu do obchodu pro nové součástky. Taková několikanásobná kontrola není žádná ostuda, stojí to jen trochu času a může ušetřit peníze i zklamání.

Výběr součástek

U mnoha lidí převažuje potřeba jednoduchosti a snadné dostupnosti nad potřebou technické dokonalosti a životnosti. Ne vždy lze tyto zjednodušující úvahy odsoudit. Například pro začátečníka, který se teprve po malých krůčcích snaží zorientovat ve světě elektronik a neví co je dobré a co je jen průměrné, může se jevit nutnost objednávat součástky z více obchodů (navíc s růunými znesnadňujícími faktory) problematická. Proto i těm jsme se snažili vyjít vstříc tím

způsobem, že všechny součástky je možné objednat u jedné firmy která má zastoupení v Čechách i na Slovensku a z typů které by měly být běžně skladem. Daní za to byla volba některých součástek od jiných výrobců než bychom si přáli. Například elektrolytické kondenzátory by byly jistě lepší například Nippon (v ČR distribuuje Ecom s.r.o., na Slovensku mi žádný distributor není známý) nebo alespoň Samwha a integrovaný obvod též od zaručeného dodavatele (např. RS components). Ale to bychom nedodrželi onu vstupní podmínku nákupu v jednom obchodě a tak tu byla alespoň snaha z nabídky uvedeného obchodu vybrat alespoň to lepší z jejich sortimentu. Proto jsou pozice elektrolytických kondenzátorů ve zpětné vazbě i blokovací v napájecích přívodech osazené nízkoimpedančními typy. Někomu se to může jevit zbytečné ale jelikož je u nich předpoklad delší životnosti a lepších vlastností než u standardní řady této jinak nepříliš dobré značky (Hitano, Jamicon, CapXon či jiné které mají v GM zrovna skladem) a cena není o mnoho vyšší jeví se to jako akceptovatelné východisko z nouze. Funkčnosti tedy typy zapsané v seznamu nebrání a tak byly vzorky na ilustračních fotografiích osazené přesně materiálem ze seznamu aby nedošlo k matení začátečníků, pokud by součástky na fotografii neodpovídaly vzhledově (nebo dokonce rozměrově) součástkám ze seznamu. Přesto doporučuji si připlatit za značkový materiál se zaručeným původem.

Seznam součástek

Je psaný pro nákup u jedné firmy (GM Electronic) v ČR i SR tak, aby nebylo nutné objednávat součástky z více obchodů a z typů které by měly být běžně skladem. Je určený pro dva moduly (tj stereo) včetně protikusů použitých konektorů (faston 6,3mm), není tedy nutné je kupovat zvlášť ani není třeba seznam násobit dvěma pro stereo. Seznam obsahuje označení, skladové číslo a cenu v českých korunách i v eurech (platné k 30.1.2011), nic ale nebrání nakoupit kdekoliv jinde. Za tímto účelem je nákupní seznam vybavený i odkazy, takže se každý může pohodlně podívat jaká konkrétní součástka má být na dané pozici osazena (rozměry, rozteč vývodů) a snadněji si tak najít náhradu u jiného dodavatele.

Protože deska existuje ve dvou variantách (verze s připojovacími konektory faston a alternativní verze s vývody na šroubovací ARK svorkovnici) existují dva nákupní seznamy – pro každou variantu jeden. Seznamy jsou ve formátu .RTF a .TXT které lze prohlížet na zcela libovolném počítači bez nutnosti nainstalovaného jakéhokoliv softwaru krom operačního systému (dokonce i na holém DOSu nebo mobilu to přečtete). Stačí jen vytisknout a jít na nákup bez jakýchkoliv úprav, případně seznam odeslat zásilkové službě.

Na seznamu není uvedena pouze cívka L1 kterou je nutné zhotovit. Použít lze lakem izolovaný drát (CuL) který se používá na vinutí tlumivek, transformátorů, elektromotorů a podobně o průměru přibližně 1mm. Jeho přesný průměr není podstatný, může být o něco silnější i slabší. Podstatné je aby to nebyl slabý drát jak od telefonu a nebo zbytečně silné cosi co tam bude pak jen překážet a kazit vzhled. Není vhodné používat dráty s izolací z PVC. Jednak je to nevzhledné samo o sobě, jednak při pájení drátu má izolace vlivem tepla tendenci se kroutit, slézat dolů a rozšklebovat se což opět kazí vzhled. Tímto drátem se tedy navine cívka na trn o průměru 5mm (například dřík vrtáku nebo hřebík s ubroušeným koncem) přibližně 15 závitů tak, aby začátek i konec byl na jedné straně a daly se tak snadno zapájet do desky. Je lépe navinout kousek závitu „přes“ - po sundání cívky z trnu se drát vlivem vlastní pružnosti sám kousíček vrátí a přesah se tak srovná.

Náhled DPS a popis přípojných konektorů:

SIG IN	signálový vstup zesilovače
SIG GND	signálová zem
Vcc-	záporný pól napájení
POW GND	hlavní výkonová zem
Vcc+	kladný pól napájení
GND OUT	výstup zesilovače/přípojka reproduktoru
OUT	výstup zesilovače/přípojka reproduktoru

Konstrukční poznámky

Faston uprostřed desky může v některých případech sloužit jako centrální zemní bod například při propojování s předzesilovačem nebo pomocným zdrojem stabilizovaného napětí pro předzesilovač. Výrazně tak může omezit pronikání brumu do signálu vzniklých nesprávným vedením zemních vodičů. Není však povinný ani všespásný.
Zapojení využívá signálovou zem oddělenou od výkonové. Kdo nevyžaduje či nechce mít tyto země oddělené může rezistor R4 nahradit drátovou propojkou. Technicky to ničemu nevadí, oddělené země však mohou často omezit (ne zcela eliminovat) pronikání brumu do signálu u některých konstrukčních/propojovacích topologií. Je tedy na každém zda ho tam ponechá či osadí propojku.
Rekuperační diody D1 a D2 slouží k ochraně IO před poškozením v případě, že je na výstup modulu připojená silně komplexní zátěž (reproduktorové výhybky a podobně). Podle výrobce obvod LM1875 na rozdíl od starších obvodů TDA20xx má již tuto ochranu integrovanou a není tedy nezbytně nutné v případě použití tohoto obvodu osazovat. Nevíme ale jak kvalitní a odolná tato ochrana je a tak případná duplicita neuškodí. Na desce pro tyto diody stejně musí být pozice právě kvůli obvodům řady TDA20xx které tuto externí ochranu vyžadují. Pokud budete tyto diody osazovat nemusí to být nutně předepsané BYV27-200 (nebo BYT03-400 Skl.č: 223-060), musí však být rychlá. Běžné univerzální (pomalé) diody nejsou vyhovující. Napsané diody jsou však z toho co GM Electronic to nejlepší.
Indikační diody (LED) a k nim náležící rezistory R11 a R12 nejsou povinné. Slouží zejména začátečníkům k indikaci že modul je připojený k napájecímu zdroji a polarita přibližné napětí zdroje je v pořádku. Do desky lze osadit standardní LED o velikosti od 1,8mm po 5mm dle vkusu (v seznamu součástek je 1x červená a 1x zelená kulatá 5mm).
Hodnota omezovacích rezistorů R11 a R12 předepsaná v seznamu součástek (1K8) je uvažovaná pro mírný svit LED (12,5mA) při předpokládaném napájecím napětí cca 25V v každé napájecí větvi. Pokud by však svit LED nebyl vyhovující a nebo by modul byl napájen výrazně nižším napětím (například +-14V v případě osazení TDA2030/A2030) pak je vhodné velikost rezistorů R11 a R12 upravit. Kupříkladu pro oněch 14V činí hodnota předřadných rezistorů pro stejný proud cca 910 ohmů.
Propojka JP1 není pro funkčnost modulu nutná. Pouze propojuje rozlitou stínící plošku mezi spoji vstupních obvodů a obvodů zpětné vazby. Pokud vám však zbyde odštípnutý vývod součástky proč tuto plošku nepropojit se zemí když se to samo nabízí?

Napájení

Otázce napájení by měla být věnována alespoň minimální pozornost, zejména ze strany začátečníků. Proto i když byla zčásti zodpovězena v tabulce výše dovolil bych si pro začátečníky opět několik základních poznámek:

Napájecí napětí – Modul zesilovače je možné napájet libovolným napětím mezi minimální a doporučenou hodnotou pro danou impedanci v závislosti na osazeném integrovaném obvodu viz tabulka výše. V tomto rozsahu obvod pracuje správně a v bezpečných mezích ale nemusí odevzdat plný výkon jakého je schopen. To v reálném provozu může ale ani nemusí vadit – záleží na použití. Pod minimálním napájecím napětím se nemusí obvod chovat správně ale většinou vlastnímu obvodu nic nehrozí (může to však vadit připojeným reproduktorům). Při překročení doporučovaného napájecího napětí může dojít k proudové limitaci obvodu což není příjemné ani vám zvukově ani reproduktoru a při větším překročení i k destrukci IO, během které se na výstupu většinou objeví stejnosměrné (ss) napětí. Protože modul neobsahuje ochranu proti stejnosměrnému napětí na výstupu může být osudné připojeným reproduktorům které toto nesnáší.
Dimenzování transformátoru - Zesilovače pracují s nějakou účinností a nelze proto prostě jen vzít výstupní výkon zesilovače a shánět stejně výkonné nebo dokonce ještě méně výkonný transformátor. Zesilovače tohoto druhu mají účinnost přibližně 60% a tuto účinnost musíme do výběru vhodného transformátoru zahrnout. Není třeba ale nic přesně vypočítávat, stačí to zjednodušeně odhadnout. Dá se říci že konstruujeme-li zesilovač měl by mít transformátor výkon alespoň 1,5 násobku součtového výstupního výkonu (model spořílek), chcete-li být poctivější pak dvojnásobek. Příklad – pokud víme že při maximálním napájecím napětí dá modul LaDA2075 při nasazení limitace až 25W výstupního výkonu a máme tyto moduly dva ve stereu, pak celkový výstupní výkon je 2x25W, v součtu tedy 50W. Tento výstupní výkon vynásobíme 1,5x až 2x a vyjde nám že potřebujeme transformátor 75-100VA (zjednodušeně). Výkonově silnější transformátor (pokud má stále stejné napětí) nijak nevadí, obvodu to nijak neublíží ale kvalitativně nic navíc už nepřinese. Napětí uvedené v tabulce výše platí pro dostatečně dimenzované a tvrdé transformátory (rozuměj takové u kterých napětí se zatížením klesá jen málo – například kvalitní toroidy). Pokud bude zesilovač napájený z nějakého slabšího transformátoru pak je napětí možno o něco málo (velmi málo!!!) zvýšit, je to však pouze na vlastní riziko.
Filtrační kondenzátory – Zdrojová část je samozřejmě tvořená nejen transformátorem ale i usměrňovacím můstkem a filtračními kondenzátory. Ty by měly mít pro napájení jednoho modulu kapacitu alespoň 3300uF (jinak řečeno 3G3) na každou z napájecích větví (tj kladnou i zápornou) ale samozřejmě je možné dát i více, nijak to neškodí. Pokud se z jednoho zdroje napájí moduly dva nebo i více je třeba tuto kapacitu vynásobit počtem modulů. Ideální je požadovanou kapacitu vytvořit buď kvalitními značkovými kondenzátory, které jsou schopné zátěž snášet značně dlouhou dobu a nebo vyskládáním z více kusů menších kapacit. Toto je vhodné zejména u horších značek. Zátěž se lépe rozloží což přispívá k lepším provozním vlastnostem (zmenšuje se ESR což je dobře) a prodlužuje se životnost. Vyjde to sice o něco málo dráž ale nic co byste si nemohli dovolit. Pro většinu integrovaných obvodů v tabulce je optimální zvolit kondenzátory na provozní napětí 35V. Pouze pokud by byly použité IO TDA2030, A2030V nebo TDA2030A je možné použít kondenzátory na 25V při zachování dostatečné napěťové rezervy. Provoz s napětím blízkým jmenovitému obecně kondenzátorům příliš neprospívá a u většiny neznačkových kondenzátorů které se dají dnes běžně koupit to značně zkracuje jejich životnost a spolehlivost.
Nezapomeňte na pojistky alespoň v primáru napájecího transformátoru!

Označení LaDA2075

Častou otázkou je proč má modul označená LaDA2075. Je to velmi prosté – je to složenina označení integrovaných obvodů které v něm lze použít asi takto:

L	M			1	8	7	5
	T	D	A	2	0	x	x
L	a	D	A	2	0	7	5

Kompletní balík dokumentace obsahuje:

Schéma.
Dvě základní verze DPS – pro připojovací konektory faston a ARK svorky.
Ke každé variantě desky jsou podklady ve formátu .PDF pro přímý tisk metodami nažehlováním, pozitivní a negativní fotocestou.
K oběma základním variantám jsou osazovací schemata jak klasické barevné pro náhled na monitoru, tak zvětšené upravené v odstínech šedi pro tisk na černobílých tiskárnách pro pohodlnější osazování. Na této verzi pro tisk je i schema které usnadňuje montáž.
Seznamy součástek pro nákup v GM Electronic (ČR i SR) pro obě varianty modulu.
Soubor s průměry vrtaných děr (Drill.rtf).
Datasheety k IO které je možné do DPS osadit a k některým dalším součástkám/konektorům.
Soubor s odkazy na web na všechny samostatné soubory týkající se projektu. Toto slouží k tomu aby nebylo nutné v případě dotazů či nejasností samostatné soubory či balík někam znovu uploadovat. Stačí odkázat na patřičný soubor a vznést dotaz.
Tento dokument.