Projektarbeit: Computer Added Engineering (CAE ...

1 Seite: 1 Projektarbeit CAE - Entwicklung und Aufbau eines Class D Verst rkers Daniel Immel Elektronische Leistungsverst rker werden aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise in Klas sen (Classes) eingeteilt. Die un terschiedlichen Klassen werden durch Buchstaben unterschieden. Die meist verbreiteten Klassen sollen hier kurz vorgestellt wer den: Class A: Class A Verst rker haben heute nur noch historische Bedeutung. Sie waren die ersten Verst rker schaltungen. (Sehr h ufig in R h renverst rkern eingesetzt). Class A Verst rker zeichnen sich durch eine sehr hohe Linearit t aus. Sie haben allerdings den gro en Nachteil, dass sie einen maxima len Wirkungsgrad von 6,25% haben unabh ngig von der Last. Ein Verst rker mit 10 Watt Aus gangsleistung wandelt also st n dig 60 Watt in W rmeenergie um. Aufgrund dieses gro en Nachteils sind solche Verst rker heute kaum noch verbreitet. Aufbau auf eine Lochrasterplatine des Class D Verst rkers Einleitung Projektarbeit: Computer Added Engineering (CAE) Mai 2007 Daniel Immel widatec@t Entwicklung und Aufbau eines Class-D Verst rkers Anforderungen: Digitale Endstufe mit MOS Feldeffekt transistoren in Voll br ckenschaltung (auch H Br cke genannt) Hoher Wirkungs grad Kurzschlussfest Aussteuerrungsan zeige mit Clipping Detektor Gute Klangeigen schaften Betriebsspannung von 14 25V.

2 Bei kleinerer Betriebs spannung erfolgt Abschaltung 23 Laststabil Einschaltverz ge rung LEDs Informieren ber den Betriebs zustand Inhalt: AnforderungenAnforderungenAnforderungenA nforderungen 1 EinleitungEinleitungEinleitungEinleitung Class A Class AB Class D Funktionsweise eines Class D Verst rkers 1 1 2 2 2 AufgabenstellungAufgabenstellungAufgaben stellungAufgabenstellung 3 SchaltungsteileSchaltungsteileSchaltungs teileSchaltungsteile Spannungsversorgung Dreieckgenerator Praktische Probleme Vorverst rker Modulator Endstufe Simulationsprobleme Praktische Probleme Ausgangsfilter (Lowpass) SchutzschaltungenSchutzschaltungenSchutz schaltungenSchutzschaltungen Logikteil Unterspannungsdetektor Strombegrenzung bersteuerungsanzeige Aussteuerungsanzeige 4 5 7 8 9 11 16 17 18 20 20 21 21 22 AnhangAnhangAnhangAnhang Platinenlayout und St ckliste Kostenrechnung Inhalt der CD ROM Einbinden der Simulationsmodelle 22 24 25 25 ZusammenfassungZusammenfassungZusammenfa ssungZusammenfassung Kostenrechnung Ergebnisse und Fazit 26 27 Prinzipschaltung eines Class A Verst rkers Seite.

3 2 Projektarbeit CAE - Entwicklung und Aufbau eines Class D Verst rkers Daniel Immel Energieverbrauch Klasse D im Vergleich zur Klasse AB Quelle: Elektronik von 12. November 2002 +Ub -Ub Ausgangssignal Spannungsabfall an der Endstufe Spannungsabfall an der Last +Ub -Ub Typische Verluste in einer Class D Endstufe Spannungsabfall an der Endstufe Ausgangssignal Spannungsabfall an der Last Class AB: Die Klasse AB ist die wohl am meisten verbreitete Ver st rkertechnik. Die beiden Transistoren bilden eine Gegentaktendstufe: Sie leiten abwechselnd, da durch flie t kein Strom mehr direkt ber die End stufe. (Lediglich ein gerin ger Ruhestrom, um soge nannte bernahmeverzer rungen zu vermeiden). Da es an den Endstufentransis toren zu einem Spannungs abfall kommt liegt der the oretische maximale Wirkungs grad von Class AB Verst rkern bei 78,5%. In der Praxis werden als effektiver maxima ler Wirkungsgrad erreicht. Die Class AB Verst rkertechnik ist mittlerweile stark ausgereift.

4 Es ist m glich, qualitativ sehr gute HiFi Verst rker zu bauen. Durch den Einsatz von vollin tegrierten ( LM3886) Ver st rkerstufen k nnen AB Verst rker sehr leicht mit nur wenigen Bauteilen realisiert werden. Solche Verst rker sind nebenbei auch sehr kosteng ns tig. Vollintegrierte Class AB Verst rker werden sehr h ufig in Hifi Receivern, Autoradios und Fernsehger ten eingesetzt. Class D: Vor allem in mobilen Anwen dungen kann die Class D punk ten ( Handy, tragbare Au dioger te,..). Bei diesen An wendungen steht wenig Energie zur Verf gung und diese muss optimal genutzt werden, weiter ist auch der zur Verf gung stehende Platz meist sehr ge ring. Hier zeichnet sich der Klasse D Verst rker durch sei nen geringen Stromverbrauch und des Entfallens der K hlk r per aus. Der h here Schaltungs aufwand der Klasse D wird mit moderner Technik wettge macht. Mittlerweile gibt es IC's, welche auf geringster Fl che einen kompletten Klasse D Verst rker enthalten und beina he ohne externe Bauteile aus kommen.

5 ( TDAA Serie von TI und die Philips TDA897x Serie). Der gesamte st rungsanf llige analoge Sig nalweg wird dadurch vermie den und das Rauschen verrin gert. F r Verst rker, bei denen hohe Ausgangsleistung gefragt ist ( bei PA Verst rkern), eignet sich die Klasse D sehr gut. Aufgrund des Entfallens des K hlk rpers und der Ver wendung eines Schaltnetzteils kann eine gewaltige Ausgangs leistung auf kleinem Raum verwirklicht werden. Funktionsweise eines Class D Verst rkers: Ein Class D Verst rker ver st rkt das Signal nicht Analog (so wie es am Eingang anliegt) sondern wandelt das Signal in Entwicklung und Aufbau eines Class-D Verst rkers Prinzipschaltung eines Class AB Verst rkers Typische Verluste in einer Class AB Endstufe ..der theoretische maximale Wirkungsgrad von Class AB Verst rkern liegt bei 78,5%. In der Praxis Seite: 3 Projektarbeit CAE - Entwicklung und Aufbau eines Class D Verst rkers Daniel Immel Signal-quelle Vorver-st rker Dreieck-generator PWM Modulator Digitaler Leis-tungsverst rker Tiefpass Filter Laut-sprecher Modularer Aufbau eines Class D Verst rkers loge Signal zu rekonstruieren, muss ber mehrere Perioden der Mittelwert gebildet werden.

6 Dies bernimmt ein LC Filter kreis, oder der Lautsprecher selbst (durch seine Induktivit t und Tr gheit). Um EMI (Electro Magnetic Interference) zu vermeiden, sollte am Aus gang aber immer ein LC Filter verwendet werden. Ansonsten w rden die Lautsprecherkabel auch als Sendeantenne fungie ren. Man k nnte den Verst rker also mit einem AM Radio h ren . Auch w rden eventu ell gesch tzte Frequenzb nder durch Einstreuungen gest rt werden. Ziel dieser Projektarbeit soll es sein, einen funktionsf higen Class D Verst rker zu entwickeln und aufzubauen. Die Schaltung soll zuerst in dem Elektroniksi mulator PSpice simuliert werden um von vorneherein auf Fehler im Design aufmerksam zu ma chen. Die Schaltungsteile werden danach auf ein Steckbrett aufge baut und getestet. Funktioniert die Schaltung zufrieden stellend wird ein Platinenlayout erstellt und die Schaltung auf eine Loch rasterplatine aufgebaut. Die An forderungen an die Schaltung sind im Detail Seite 1 zu entnehmen.

7 Der Schwerpunkt soll dabei nicht auf der Simulation, sondern auf dem praktischen Aufbau der Schaltung liegen. (Platinendesign, Probleme die im Simulator nicht aufgetaucht sind, die Auswirkun gen nicht idealer Bauteile). Diese Entwicklungsprobleme sollen erl utert und analysiert werden. L sungen sollen aufgezeigt wer den. Der Class D Verst rker soll ohne R ckkopplung einen subjek tiv guten H reindruck machen. Diverse Sicherheitsschaltungen sollen den Verst rker vor Zerst rung durch Fehlbedienung sch t zen. Der Verst rker wird in Mo noausf hrung gebaut. F r Stereo betrieb sind dann 2 Verst rkerauf bauten notwendig. Ein funktions f higer Aufbau auf einer Lochras terplatine soll im Rahmen der Vorlesung/Projektvorstellung sofern gew nscht gezeigt wer den. Aufgabenstellung ein Digitales. Meistens wird hierzu die so genannte PWM (Pulsweitenmodulation) ver wendet. Das neue PWM Modu lierte Signal ist viel hochfre quenter (Typischerweise 250kHz bis 500kHz) und kann anschlie end verlustarm ver st rkt werden.

8 Das PWM Mo dulierte Signal kennt nur zwei Zust nde (High und Low). Die Information, welche im Audio signal enthalten war, steckt nun im Tastverh ltnis des modulier ten Signals. Der Mittelwert ist ber eine Zeiteinheit berechnet proportional zum Mittelwert des Audiosignals. Um nach der Verst rkung das originale ana Daniel Immel Bild einer Class D PA Endstufe. Eckdaten: 4 x 1000 W an 2' ( 2 x 2000 W an 4' bei nur 10Kg Gewicht. Quelle: http://pro( ..Man k nnte den Verst rker also mit einem AM-Radio h ren . Seite: 4 Projektarbeit CAE - Entwicklung und Aufbau eines Class D Verst rkers Daniel Immel Der 6V Spannungsteiler. Die beiden Kondensatoren dienen der Stabilisierung der Spannung IUP*=Die Endstufe ben tigt, au er der 14 25V Gleichspannung noch 3 weitere Betriebs spannungen. Die angelegte Betriebs spannung von 14 25V wird zuerst ber einen so ge nannten Angstkondensa tor (100nF) und gro en Elektrolytkondensatoren (4x 2200LF) gesiebt, damit die Spannung bei den auf tretenden hohen Impuls str men nicht zusammenbricht.))

9 Die Erzeugung der 12V Be triebsspannung f r die Vorstufe und Sicherheitsschaltung wird mit einem LM7812 (=12V Fest spannungsregler) erzeugt (IC4). Die LM78xx Serie zeichnet sich durch hohe Stabilit t und Zuverl ssigkeit aus. Des Weite ren sind fast keine externen Bauteile notwendig. In dem Class D Verst rker wurden jedoch wie im Datenblatt emp fohlen am Aus und Eingang ein 100nF Angstkondensator eingef gt (C16 und C12). Ein weiterer 1000LF Siebkondensa tor (C13)am Ausgang stabili siert die 12V zus tzlich. Da der 12V Spannungsregler am Ein gang zwischen minimal 14V und maximal 27V vertr gt, wurden hier auch die maxima len Werte der Eingangsspan nung definiert. Von 25V bis 27V ergibt sich eine Reserve von 2V. Die Bauteile sollten nicht an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden. Auch sind die MOSFETs in der Endstufe nur bis 30V Drain Source Spannung ausgelegt. Die Vorstufe weist eine Strom aufnahme von ca. 180mA (gemessen mit einem Labor netzteil) auf (wenn alle LEDs leuchten).

10 An dem Spannungs regler fallen bei 25V Betriebs spannung 13V ab. Da diese Spannungsregler die Verluste vollst ndig in W rme umwan deln ergibt sich nach der For mel eine Verlustleistung von 2,47 Watt. Also sollte ein K hlk r per verwendet werden, damit der Spannungsregler nicht ber hitzt und so zerst rt wird. Mit 2 weiteren Festspannungs reglern (L7810 f r 10V, IC3 und IC4) werden die Betriebs spannungen f r die Gateansteu erung der Endstufen MOSFETs erzeugt. Zu Beginn war geplant, die Gates direkt mit 12V anzu steuern, dieses hatte jedoch zur Folge, dass das Entladen der Gates relativ lange dauerte und somit eine zu gro e Totzeit entstand (mehr dazu im Ab schnitt Endstufe). Des Weiteren ist im Datenblatt die maximale Gatespannung mit 12V angege ben auch hier sollte man ein wenig Abstand von den Ma ximalwerten halten. In der Pra xis kam es dann auch zu gegen seitigen St rungen der Halbbr cken, die auf St rimpulse in der 10V Spannungsversorgung zur ckzuf hren war.