Konštrukcia a testovanie zosilňovačov v triede D od spoločnosti Texas Instruments

Chcel by som Vám predstaviť môj posledný výrobok. Je to nízkofrekvenčný audio zosilňovač pracujúci v triede D. Srdcom zapojenia je integrovaný obvod TAS5630 od Texas Instruments.

Zhruba pred rokom sa mi podarilo získať vzorky integrovaných zosilňovačov v triede D (TAS5630 a TPA3122) od firmy Texas Instruments.
Zosilňovače boli doma a teraz nastala tá ťažšia časť – návrh schém a dosiek plošných spojov. Stiahol som si datasheety obvodov a začal študovať. Najprv som začal s návrhom jednoduchšieho zosilňovača s TPA3122 (2x15W), aby som sa trošku dostal do problematiky „déčok“ , zistil ako fungujú a kde majú svoje muchy. Po dôkladnom preštudovaní datasheetu a po drobnejšom hľadaní na webe som sa dopracoval ku ako tak ucelenej a možno aj funkčnej schéme. Nejaké schémy som našiel na diyaudio.com ale najviac mi pomohla schéma Evaluation boardu priamo od TI. Vlastne som ju na 70% okopíroval do Eaglu a spravil som k nej vlastný návrh dosky.

Schéma nie je nejako extrémne zložitá, je na nej len to základné pre funkciu. V ľavom hornom rohu je umiestnený usmerňovač s filtračnými kondenzátormi, no tento nápad mať všetko na jednej doske som neskôr oľutoval.

Nechcelo sa mi ani vyrábať novú súčiastku tak som tam dal len päticu, keďže IO bol v puzdre DIP 20. Načo mať zbytočný luxus, fungovať to bude. Zapojenie obsahuje aj 2 tlačidlá, ktoré slúžia ako MUTE a SHUTDOWN funkcie.

Tí čo sa do déčok aspoň trocha rozumejú vedia, že všetko stojí a padá na výstupnom filtri vzorkovacej frekvencie. TPA3122 má vzorkovaciu frekvenciu 270kHz, avšak filter má deliacu frekvenciu už pri 27kHz. Je to tak preto, aby sa dobre odfiltrovala nežiadúca vzorkovacia frekvencia. Ani táto úprava však nepomohla, pretože keď sme v škole zosilňovač dali na lepší osciloskop a zapli FFT, tak vzorkovaciu frekvenciu bolo stále dosť podstatne vidieť. Skúsil som teda vymyslieť zlepšovák na lepšie odstránenie vzorkovacej frekvencie a v Multisime som navrhol dvojitý filter, ktorý bol na simulácii podstatne lepší ako jednoduchý, ale k praktickej realizácii som však sa nedostal.

Doska nie je nejako úhľadná a sú tam početné chyby, ale na prvotné testovanie to bolo dostačujúce. DPS mi vyrobil spolužiak fotocestou a po dôkladnom osadení a kontrole to fungovalo na prvý krát. Bol som veľmi milo prekvapený, že tento pokusný kúsok sa úspešne rozdýchal.

Po niekoľko týždňovom testovaní a meraní v škole som prišiel na to, že je to šmejd. účinnosť bola vynikajúca, sám som nameral a vypočítal 80%, ale kvalita zvuku – nič moc. Ako príčinu som videl nízku vzorkovaciu frekvenciu a veľmi nekvalitný výstupný filter, zostavený z vypájkovaných súčiastok. Tento zosilňovač mi úspešne odohral jednu rodinnú akciu a odvtedy je nevyužitý. Celkom zaujímavý kúsok ak mám pravdu povedať, integráč je takmer nezničiteľný, obsahuje podpäťovú, prepäťovú a tepelnú ochranu, ochranu proti skratu na výstupe. V škole sme z neho vytlačili dokonca viac ako udával datasheet (18W RMS, pri THD=1%). Výrobca udáva 15w, ale oni to merali pri napájaní 24V. My sme mu dodali maximálne napätie, pri ktorom ešte nevypínala prepäťová ochrana teda 30V.

Tento slabší zosilňovač som hodil do skrine a pustil sa do návrhu toho silnejšieho. Na webe k nemu už bolo písané oveľa viac ako ku predošlému a bolo odkiaľ čerpať informácie. Po pár mesiacoch sa mi podarilo do Eaglu nakresliť možno aj fungujúcu schému. Zase to bola z 70% kópia Evaluation boardu od Texas Instruments ale tam nie je moc čo meniť. Toto navrhnúť už bolo o niečo zložitejšie a žiadalo si to stále nahliadať do datasheetu. Vlastne funkciu každej druhej súčiastky som si musel naštudovať. Schéma obsahuje veľa podporných obvodov, niektoré som tam vôbec nedal a niektoré som zmenil tak aby mi vyhovovali. Keď bola schéma hotová navrhol som DPS.

Tento plošák je o čosi náročnejší a už musel byť dvojvrstvový. Po pár týždňoch bol návrh hotový a pripravený na výrobu. Čo sa týka vzhľadu, nechal som sa inšpirovať Evaluation boardom od výrobcu. Niektoré súčiastky som ponechal v SMD púzdrach ale niektoré, ako napríklad tranzistory som dal radšej do klasických puzdier, pre lepšiu pájkovatelnosť a dostupnosť. Ďalej sú tam nejaké smeti, čo zaručujú správny chod ventilátora alebo stabilizujú napätie.

Popis DPS: V hornej časti DPS sú dva diferenciálne vstupy, výstup na ventilátor a 6 lediek indikujúcich stav zosilňovača. Integrovaný obvod som naschvál umiestnil zospodu, aby sa naň dal pohodlne vyrobiť a prichytiť chladič. V spodnej časti sa nachádza už len batéria kondenzátorov 4x1000uF ako zásobáreň energie pri výkonových špičkách a výstupný LC filter vzorkovacej frekvencie, a konektory na reproduktory. Celá doska má rozmery 100x130mm a hrúbka medi by mala byť 70um. Keďže som chudobný a nemôžem si dovoliť taký luxus hrúbka medi je len 35um. Dokonca je DPS bez masky, nechcel som zbytočne navyšovať cenu, keď som nemal istotu, či to bude fungovať. Po niekoľkonásobnej dôkladnej kontrole schémy a dosky som to dal vyrobiť do PBspoja.

Takýto bol výsledok:

Pustil som sa teda do osádzania súčiastok, ktoré som si medzičasom už všetky pozháňal. Prvý bol na rade integrovaný obvod TAS5630 v puzdre TQFP64.

Osadený LC filter a konektory a zopár kondenzátorov.

Kompletne osadené a oživené zapojenie.

Zosilňovač zospodu, chladič pôvodne chladil procesor v PC. Pre zosilňovač sa rozmerovo skvelo hodil ale museli sme ho špeciálne s kamarátom vyfrézovať na CNC aby sadol presne na integráč.

Zvuk: No čo Vám budem hovoriť, je to Déčko a dáva to o sebe vedieť a to teda poriadne hlasno. Nemám to zatiaľ ako otestovať, pretože nemám dobré reproduktory a ešte si to vyžaduje zbúchať nejaký diferenciálny predzosilňovač, nakoľko integrovaný obvod má diferenciálne vstupy. Pri reprodukcii hudby z notebookovej zvukovky to nebolo nič dobré, ale keď som pripojil o čosi kvalitnejšiu USB zvukovku tak sa trocha zvýraznili basy.

Merania:

Sínus 1kHz do záťaže 4 ohm, napätie RMS 12V, to značí výkon 36W. Doma nemám také prostriedky aby som mohol zosilňovač dobre vybudiť. Napájanie si vyžaduje 50V, ja mám iba 38, záťaž by to chcelo aspoň 100W, tá moja pozostávala z dvoch dvojohmových 10 wattových rezistorov, pripevnených na chladiči. A čo mi doma najviac chýba je generátor, toto meranie je robené len za pomoci programu a zvukovej karty.

Sínus 1kHz po priblížení, na obrázku je pekne vidno, že vzorkovacia frekvencia sa neodfiltrovala úplne. Možno by pomohla spomínaná konštrukcia dvojitého filtra ale o tom potom.

Sínus 1kHz začiatok limitácie, tu nastáva veľmi nepekný jav a objavujú sa početné zákmity.

Trojuholník 1kHz, záťaž 4 ohmy, tesne pod limitáciou.

Pravouhlý 1kHz – viem, že to vyzerá zle, ale zosilňovač len kopíroval výstup zo zvukovky.

To by bolo odo mňa všetko. Bližšie merania spravím neskôr, lebo teraz mám veľa roboty s maturitou. Dúfam, že sa Vám bude môj článok páčiť. Na záver pripájam mail ak by mal niekto otázky: morgosjan@gmail.com

Tak a teraz poďte do mňa 🙂

• O autorovi
• Najnovšie príspevky

jaNEk555

Najnovšie články od jaNEk555 (zobraziť všetky)

• Zosilňovač v triede D s TAS5630 - 12. júna 2012