Elektronik und Digitaltechnik
Werbung
Elektronik und Digitaltechnik – Analog (EDT) Schule: HTBLuVA St. Pölten Abteilung / Zweig: Elektronik / Technische Informatik Lehrperson: Prof. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Wagner Jahrgang: 2006 / 07 Klasse: 5AHELI 1 Anmerkung Bei den Tests wurden stets Verständnisfragen gestellt – z.B. die Entwicklung einer geeigneten Schaltung. Unterstützende Unterlagen: • Datenblatt µA7800 Series 2 Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 Anmerkung......................................................................................................................... 2 Inhaltsverzeichnis............................................................................................................... 2 Netzteile ............................................................................................................................. 4 3.1 Linear geregelte Netzteile (LNT)............................................................................... 4 3.1.1 Blockschaltbild................................................................................................... 4 3.1.2 Sicherheit............................................................................................................ 5 3.1.3 Gleichrichter....................................................................................................... 5 3.1.4 Trafos ................................................................................................................. 6 3.1.5 Ströme und Spannungen..................................................................................... 8 3.1.6 Ausführungsformen von Brückengleichrichtern.............................................. 11 3.1.7 Glättungselkos.................................................................................................. 12 3.1.8 Siebung............................................................................................................. 13 3.1.9 Regelung/Stabilisation ..................................................................................... 13 3.1.10 Kühlkörperberechnung..................................................................................... 14 3.2 78xx.......................................................................................................................... 16 3.2.1 Transistoren parallel schalten........................................................................... 17 3.2.2 Strombegrenzung ............................................................................................. 18 4-Draht Messung .............................................................................................................. 20 Referenzquellen................................................................................................................ 20 Schaltnetzteile .................................................................................................................. 21 6.1 Aufwärtswandler ...................................................................................................... 22 6.2 Abwärtswandler ....................................................................................................... 22 NF-, Audioleistungsverstärker ......................................................................................... 23 7.1 Anforderungen ......................................................................................................... 23 7.2 Technische Daten ..................................................................................................... 24 7.2.1 Ausgangsleistung ............................................................................................. 24 7.2.2 Klirrspektrum ................................................................................................... 27 7.2.3 Rauschen .......................................................................................................... 27 7.2.4 Frequenzgang ................................................................................................... 28 7.2.5 Leistungsbandbreite ......................................................................................... 29 7.3 Messobjekt IC-Verstärker TDA2030 ....................................................................... 29 7.3.1 Innenschaltung ................................................................................................. 31 7.4 Gegentaktendstufe.................................................................................................... 32 7.4.1 Ruhestromstabilisierung................................................................................... 34 7.5 Brückenendstufe (BTL Amplifier)........................................................................... 37 Aktive Filter ..................................................................................................................... 37 8.1 Anti-Aliasing-Filter.................................................................................................. 37 8.2 Passive Filter ............................................................................................................ 38 8.3 Aktive Filter ............................................................................................................. 40 HTL / EDT 5AHELI Seite 2 / 47 9 8.4 Wobbeln ................................................................................................................... 41 Akustik ............................................................................................................................. 45 9.1 Kennschalldruckpegel (SPL).................................................................................... 46 9.2 Pegelanpassung ........................................................................................................ 46 9.3 Trennung .................................................................................................................. 47 HTL / EDT 5AHELI Seite 3 / 47 3 Netzteile Linear geregelte Netzteile (LNT) ↔ Schaltnetzteile (SNT) Netzteile bestehen normalerweise aus einem Gleichrichter und einem Spannungswandler (3,3V (Logik), 5V (Logik), 6V, 12V (Relais), 15V (OPV), 24V (SPS), 60V (Telefonie)). Außerdem soll ein Netzteil eine galvanische Trennung zum Netz herstellen. keine galvanische Trennung! Gefahr für Personen! Kleinspannungen dürfen nicht durch Vorwiderstände, Spannungsteiler etc. erzeugt werden. Ausnahme: Doppelte Plastikisolierung (mit Plastikknöpfen etc.) In Rasiersteckdosen sind kleine Trafos Æ Mann kann mit einer Hand hineingreifen. Steckdosen mit Trafos gibt es auch im Labor. 3.1 Linear geregelte Netzteile (LNT) 3.1.1 Blockschaltbild HTL / EDT 5AHELI Seite 4 / 47 3.1.2 Sicherheit EMV-Filter und Überspannungsschutz werden meist aus Kostengründen eingespart. Ein Netztrafo ist kein normaler Trafo (besonders auf Durchschlag getestet). Æ Achtung bei Spartrafos (nicht verwenden!). …Spartrafo Es gibt auch Geräteklassen: 1. Schutzleiter (z.B. Waschmaschine) 2. Kontourstecker, Zwischen Klasse 1 und 3 3. Schutzisoliert, kein Schukostecker (z.B. Mixer, Fön) Betriebs- und Schutzisolation Vorsicht beim Design – Potentiometer mit eisengewinde können Klasse 3 verhindern. Kunststoffschrauben sind verboten! (Könnten bei einer Reparatur durch normale ersetzt werden.) Die Leiterbahnen des Netztrafos müssen einen Mindestabstand von 5mm haben. Trafos muss man sichern: Primärsicherung, Sekundärsicherung, Eigensicherung 3.1.3 Gleichrichter 3.1.3.1 Brückengleichrichter (Graetz-Schaltung, bridge rectifier) Man kann Brückengleichrichter selbst bauen, oder ein fertiges Bauelement verwenden (Printfläche). HTL / EDT 5AHELI Seite 5 / 47 3.1.3.2 Zweiweg-Gleichrichter Zweiweg-Gleichrichter sind billiger. Außerdem verliert man beim Brücken-Gleichrichter 2x die Diodenspannung (~ 2mal 1V). Beim Zweiweg-Gleichrichter ist meist die Minus-Leitung Masse Æ Störungen kurzgeschlossen. Nachteil: Trafos mit Mittelanzapfung sind teurer. Einweg-Gleichrichter sind für Netzteile unbrauchbar. 3.1.4 Trafos 3.1.4.1 Primärseite beides sind Netztrafos für 230V Vorteil: bei amerikanischem Netz die beiden 115V Spulen parallel schalten. Achtung beim Layout: Induktivitäten und Felder heben sich auf, nur noch Kupferwiderstand begrenzt Strom (10Ω, 230V~) Æ Trafo brennt ab. Tipp: 100er Birne in Serie Æ wenn sie aufleuchtet wäre es ein Kurzschluss. HTL / EDT 5AHELI Seite 6 / 47 3.1.4.2 Sekundärseite Die Leerlaufspannung kann um vieles größer als die Nennspannung sein. Die Angaben beziehen sich auf Wechselgrößen. Trafo mit 2 Sekundärwindungen: Vorteil: HTL / EDT 5AHELI Seite 7 / 47 Wicklung mit Mittelanzapfung Beim Trafobeispiel oben werden tatsächlich alle 4 Anschlüsse herausgeführt. Beim Trafo mit Mittelanzapfung ist dies nicht der Fall. Æ keine 12V/2A möglich. 3.1.5 Ströme und Spannungen Da beim Ladevorgang kein ohmscher Widerstand vorhanden ist, entsteht beim Laden keine e-Potenz. Saugt RL wenig Strom, ist das für den Trafo ein Leerlauf Æ mehr Trafospannung. Der Wechselspannungsanteil, der auf der gleichgerichteten Spannung über bleibt, heißt „Brummspannung“. Bei den ersten Röhrenradios erzeugte er ein 100MHz Brummen (50Hz gleichgerichtet) im Lautsprecher. Ist die Exponentialfunktion beim Entladevorgang zu steil, ist der ELKO zu klein oder der Laststrom zu groß. HTL / EDT 5AHELI Seite 8 / 47 In Wirklichkeit lädt sich der ELKO auf die Spitzenspannung – 2 UD auf. Früher passierte es auch, dass die ELKOs austrockneten (Röhren nebenan) – dadurch wird die Kapazität kleiner. Warum so viel Strom? Die Ladung, die der ELKO lange Zeit hält, muss von der Gleichrichterschaltung kurzzeitig geliefert werden. Deshalb auch UD ≈ 1V (einige Ampere IF) HTL / EDT 5AHELI Seite 9 / 47 Die Diode muss also einige Watt aushalten, sie hat aber auch 2 Perioden von iGLR Zeit, sich abzukühlen. (Die andere Stromspitze rinnt durch das zweite Diodenpaar des Gleichrichters.) Netzgleichrichter-Dioden 1N400X: 4001: … 4007: 1A/50V 1A/100V 1A/1000V Mit dieser Diode kann man einen Netzgleichrichter aufbauen, welchem man 1A entnehmen kann. Æ Werte gelten nur bei 50/60Hz! Nicht für höhere Frequenzen Æ zu langsam! IFAVM 3.1.5.1 Einschaltvorgang (ELKO ungeladen) Bei dicken ELKOS dauert der Einschaltvorgang länger: Die Gleichrichterdioden halten manchmal (Sekunden bis Minuten) auch solche extrem große Ströme aus. HTL / EDT 5AHELI Seite 10 / 47 Damit beim Einschalten nicht die Sicherung fällt, benutzt man einen Widerstand, der nach dem Ladevorgang kurzgeschlossen wird. Bei großen Dioden erfolgt die Kühlung per Anschlussdraht Æ Mindestgröße für Pads. Das gilt auch für Leistungswiderstände Æ „selbstauslötend“ 3.1.6 Ausführungsformen von Brückengleichrichtern DIL-Brücke Rund-Gleichrichter Flachgleichrichter HTL / EDT 5AHELI Seite 11 / 47 „Metallbrücken“ Früher gab es für diese Gleichrichter eine europäische Bezeichnung: Bsp.: B40C3200/2000 B400C600 optional B…Bridge 40…maximaler Effektivwert der Eingangsspannung (Achtung: Netz hat Oberwellen, Trafo im Leerlauft Æ 40V für ~ 24V verwenden) C…Für kapazitive Last zugelassen 3200…I= in mA (gekühlt) 2000…I= in mA (ungekühlt) 3.1.7 Glättungselkos Es gibt Formeln zum berechnen, wobei darin meist unbekannte/uninteressante Parameter vorkommen. Praktische Dimensionierung: pro 1A I= ca. 500 bis 2000µF größere Kondensatoren Æ kleinerer Brumm bei HIFI Æ wenig Brummen bei digitalen Schaltungen Æ eher egal Kondensatoren haben sowieso -50…+100% Toleranz ELKOs gibt es mit 2 Temperaturwerten: 80° und 105°C Ab einer gewissen Brummspannung bringt es nichts mehr, größere ELKOs einzubauen. HTL / EDT 5AHELI Seite 12 / 47 Abhilfe: 3.1.8 Siebung Durch das LC-Glied wird der Brumm weggefiltert (teuer). Zur Dimensionierung wird der Brumm als Sinus angenähert und dann komplexe Wechselgrößenrechnung angewandt. Problem mit L: • teuer • groß • schwer • Spannungsabfall am RCu • Sättigung Es gibt auch eine RC-Siebung (R statt L). Allerdings vernichtet dieser noch mehr Leistung und wird heiß. (Häufig in alten Lehrbüchern) Häufiger verwendet: 3.1.9 Regelung/Stabilisation Wurde in der Steinzeit mit Z-Dioden gemacht. 3.1.9.1 Fixspannungsregler LM78xx 05 12 15 24 HTL / EDT üblicherweise TO220 Gehäuse (typ. für Transistoren) +5V +12V … 5AHELI Seite 13 / 47 Die Kondensatoren werden benötigt, damit der IC nicht schwingt. Liegt der Stützelko des Prints gleich neben dem Fixspannungsregler, kann man auf den C am Eingang verzichten. Wichtig: Uein ≥ Uaus + UDROPmin (ca. 1,5…2V) Abhilfe gegen UDROP, Low-Drop-Regler (48xx) – ist einige € teurer, dafür einige 100mV UDROP (Batteriebetrieb). Ptot = (UIN – UOUT) * IOUT = UDROP * IOUT 3.1.10 Kühlkörperberechnung Thermisches ESB: Das thermische ESB wandelt thermische Größen in ein elektrisches Schaltbild um, um sie leichter verständlich zu machen. Für die Leistung wird eine Stromquelle benutzt, weil die Leistung fließt, egal welche thermischen Maßnahmen man ergreift. Rϑiso …Isolationswiderstand (Isolierplättchen,…) RϑHS …Heat Sink (Kühlkörper, vor allem durch die Größe beeinflusst) ϑamb …Theta Ambient (Umgebungstemperatur – als 70° gerechnet!) HTL / EDT 5AHELI Seite 14 / 47 Die Spannungen sind als Temperaturdifferenz zu sehen. Die Potentiale sind absolute Temperaturen ϑ junction darf max. 175°C sein (Silizium), bei Germanium 80°C ∑ Rϑ = ϑ j − ϑamb max Ptot Es müssen genug niederohmige „Widerstände“ geschalten werden, sodass ϑ jmax nicht zu groß wird. Rϑ jC steht im Datenblatt, man hat keinen Einfluss darauf. Rϑiso hängt davon ab, wie gut der Bauteil angeschraubt ist, Wärmeleitpaste etc. (0,5 bis 1K/W) Die Wärme ist immer in Kelvin angegeben (Temperaturdifferenz). 1K/W bedeutet, dass pro Watt, welches durchfließt, 1 Kelvin abfällt. Weniger K/W sind besser. Bsp.: Ptot = 7W, ϑamb =70°C (Geräteinneres) 7805 (TO-220 Gehäuse): Rϑ = 3K/W, ϑ jmax = 150°C ϑ j ist als „virtuell“ angegeben, weil sie nicht gemessen, sondern nur berechnet werden kann. max ∑ Rϑ = 150 − 70 80 = = 11,1K / W 7 7 RϑHSmax = 11,1 − 3 − 1 = 7 K / W Besser (weniger K/W) darf der Kühlkörper natürlich sein. Gewählt: 5K/W (5 + 3 + 1) K / W * 7W = 63K + 70°C = 133°C …Operating virtual junction temperature Betreibt man einen IC ohne Kühlkörper, verwendet man den Rϑamb . HTL / EDT 5AHELI Seite 15 / 47 3.2 78xx Innenschaltung 78xx – längsgeregeltes NT (seriengeregelt) OPV-Schaltung legt Uref an den Ausgang. Mit einem Spannungsteiler (grün) kann man die Ausgangsspannung variabel machen. Braucht man eine Spannung <Uref, sieht die Schaltung so aus: Probleme die beim Aufbau auftreten können: • OPV muss mit GND und unstabilisierter Spannung versorgt werden. • Der ELKO und der OPV müssen einiges mehr aushalten als im Betriebsfall (Spannung am ELKO steigt im Leerlauf an). • Manche OPVs kommen bei der Aussteuerung nicht bis ganz nach unten. Æ Man kann nicht 1V am Ausgang einstellen, wenn der OPV erst bei 3V anfängt. • Transistoren mit I Cmax = 3 A haben ein schlechtes hFE (β). OPVs können das aber oft nicht liefern. Abhilfe wäre ein Darlington Transistor (β einige 100-1000), allerdings UBE von 1,4V. Baut man einen Darlington selbst auf, ist man flexibler: hFEges = hFE1 * hFE2 HTL / EDT 5AHELI Seite 16 / 47 Ptotmax = (U einmax − U ausmin ) * I ausmax Es muss mit der U einmax und der U ausmin gerechnet werden. Daraus ergibt sich die größtmögliche Leistung. Es wird von einem variablen Fixspannungsregler ausgegangen. Beispiel: (35-0)V*3A = 105W ! Bei 105W muss die Leistung auf Transistoren + Kühlkörper aufgeteilt werden. Andere Möglichkeit: Dem Netzgerät nicht erlauben auf 0V zu gehen (Erst ab 5V Æ 3,3V dann allerdings nicht möglich). Viele Hersteller schalten die Trafowicklung um. Æ Andere Eingangsspannung. Umgeschalten wird mit einem Relais oder Thyristor (teuer). 3.2.1 Transistoren parallel schalten Die Transistoren sind nicht gleich, außerdem sind sie leicht unterschiedlich gekühlt. Der heißere Transistor wird besser leitend (NTC). HTL / EDT 5AHELI Seite 17 / 47 Æ Der heißere leitet besser Æ wird noch heißer Æ leitet noch besser. Es handelt sich um einen Mitkopplung Æ Der erste brennt ab und danach der zweite. Deshalb baut man Emitterwiderstände ein (Gegenkopplung). RE ist typisch <1Ω (ansonsten zu großer Spannungsabfall). Bei MOSFETs ergibt sich dieses Problem nicht, da sie einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. MOSFETs werden für Netzteile nicht verwendet. 3.2.2 Strombegrenzung Die 3A am Ausgang sind hier nicht wirklich vorhanden. Wird der Ausgang kurzgeschlossen, gelten die 3A nicht. Man baut deshalb eine Strombegrenzung ein (grün). Ist der Strom kleiner als 3A, ist die Spannung am Widerstand <0,7V. Der Widerstand beeinflusst den Ausgang nicht, da der OPV alles bis zur Rückkopplung ausgleicht. Bei 0,7V wird der Transistor leitend, dann nimmt er dem anderen Transistor den Basisstrom weg Æ Der Strom pendelt sich bei 3A ein. HTL / EDT 5AHELI Seite 18 / 47 Einstellbare Strombegrenzung: Es gibt auch eine Alternative zur Strombegrenzung – Die elektronische Sicherung. Dabei schaltet das Netzgerät ab, bis der Kurzschluss entfernt wurde. …Fold back Kennlinie HTL / EDT 5AHELI Seite 19 / 47 4 4-Draht Messung Zur Messung von extrem kleinen Widerständen benutzt man die 4-Draht Messung. Die Regelung soll schauen, was am Lastwiderstand liegt (Sense-Leitungen) und nicht an den Anschlussklemmen. Bei manchen Messgeräten sind die Sense Leitungen standardmäßig mit den Standardklemmen verbunden. Die Spannung wird üblicherweise mit fertigen Panelmetern angezeigt. Eingestellt wird mit Jumpern oder Drahtbrücken. Der Bereich ist meistens bis 1,999V (Spannungsteiler verwenden und Dezimalpunkt richtig setzen). Stromanzeigen müssen vor der Rückkopplung eingehängt werden. Æ OPV regelt Spannungsabfall aus. Bei den meisten Pannelmetern muss die Versorgungsspannung mit einem Extra-Trafo erzeugt werden. (Die teuren kann man auch an die erzeugte Spannung hängen). 5 Referenzquellen sind ICs, aus denen eine sehr genaue Spannung kommt. typische Werte: 1,000V 2,500V 2,048V 4,096V 5,000V HTL / EDT 5AHELI Seite 20 / 47 Wichtig beim Kauf: • Genauigkeit (absolute in mV) [Die eigenen Handmultimeter sind schlechter als diese ICs.] • Temperaturdrift (ppm/K) • Alterungseinfluss • Stromverbrauch • Einfluss von UB Die Innenschaltung geht auf die „Bandgap“-Referenz zurück. Grob gesagt handelt es sich dabei um Spannungen im atomaren Bereich. Jeder IC wird per Laser abgeglichen. Die Spannungen von 2,048V und 4,096V werden für ADCs und DACs verwendet. Hier muss die Referenzspannung hochgenau sein. Die Uref wird für das LSB benötigt. ADCs mit externer Referenzquelle sind genauer aber teurer. Durch die krummen Werte bei Uref ergeben sich schöne Werte am Ausgang. 6 Schaltnetzteile Schaltnetzteile Aufwärtswandler Aufwärtswandler: Abwärtswandler: HTL / EDT Abwärtswandler Hintergrundbeleuchtung bei Laptop & Handy CORE-Spannung der CPU 5AHELI Seite 21 / 47 6.1 Aufwärtswandler Die Spule magnetisiert sich auf, dann wird abgeschalten und die Spule treibt den Strom in den Kondensator. Damit die Spannung nicht zu groß wird, baut man eine Regelung (Pulsbreitenmodulation) ein. Im Labor verwendet man eine Z-Diode als Last. Diese begrenzt die Spannung auf 33V (falls jemand den RL absteckt). Achtung: Die Z-Diode ist nicht Teil der Schaltung! Dieser Aufwärtswandler schafft ~1W. 6.2 Abwärtswandler Normalerweise werden Fixspannungsregler verwendet. Abwärtswandler benutzt man, wenn man den Leistungsabfall am Fixspannungsregler nicht verkraftet (Kühlung). Schalter zu: Strom rinnt über Spule und ELKO. Wird ausgeschalten, treibt die Spule den Strom weiter. Das muss man so machen, weil der Kondensator sich nicht so schnell laden kann. Die Drossel hilft dem Kondensator quasi beim Laststrom. HTL / EDT 5AHELI Seite 22 / 47 Problem: Der Transistor muss im 100kHz-Bereich arbeiten. Man kann auch nicht einfach einen Transistor hineinhängen. Problem – Potential schwankt (auf -0,7V), Regelung nicht möglich. Abhilfe: High side switch 7 NF-, Audioleistungsverstärker PowerAmp Endstufe 7.1 Anforderungen HTL / EDT 5AHELI Seite 23 / 47 Der Widerstand (Ri = 50…100Ω) dient als Schutz, falls man einen Kurzschluss verursacht oder 2 Ausgänge verbindet. Der Spannungsteiler gleicht ihn aus (50k zu 50Ω). Manchmal nimmt man auch 2Ω. Allerdings gibt es keine 2Ω Boxen, dann muss man zwei 4Ω Boxen parallel schalten. TT…Tieftöner Bei impedanzkritischen Boxen (Zmin sehr klein) braucht man einen „stabilen“ Verstärker, der das auch aushält. Ausgang – einige V, 10-15A 7.2 Technische Daten 7.2.1 Ausgangsleistung HTL / EDT 5AHELI Seite 24 / 47 Ab den Aussteuergrenzen kommt es zur Aussteuerung („clipping“). Manche Verzerrungen (Sinus verzerrt) sieht man am Scope nicht. Deshalb benutzt man eine Klirrfaktor-Messbrücke: THD…Total harmonic distortion (Klirrfaktor) Die Kennlinie wird nicht angegeben (Kunden interessiert sie nicht, bzw. kennen sich nicht aus) HTL / EDT 5AHELI Seite 25 / 47 Deshalb gibt man an: Pout bei 0,1% Pout bei 1% Diese Angaben sind sinnvoll, weil man Klirrfaktoren ab 1% hört (Musiker ~ 0,1%). Die 0,1% sind angegeben, um zu zeigen, wie gut der Verstärker ist. Bei Klavierstücken hört man den Klirrfaktor am ehesten, deshalb werden Tests mit klassischer Musik durchgeführt. Angegeben als: Dubiose Angaben: SINUS NENN DAUER RMS … MUSIK SPITZENLEISTUNG PMPO Dubiose Angaben: Der Hintergrund ist, dass Musik kein Sinus ist und keine konstante Lautstärke hat. Da diese Spitzen selten sind, dimensioniert man die Kühlkörper und ELKOs anders. Bei der Messung der Musikleistung benutzt man Bursts: PMPO: Bei der PMPO-Messung wird das Netzteil künstlich auf dem Spitzenwert gehalten. Æ unsinnige Angabe, da nicht praktisch verwertbar. Vorsicht bei Messungen: Mit starken Sinussignalen kann man die Endstufe leicht umbringen. Sinus nur kurzzeitig anlegen. HTL / EDT 5AHELI Seite 26 / 47 7.2.2 Klirrspektrum Problem bei Messung mit Spektrumanalysator: Betrachtet man die Oberwellen, übersteuert der Speki und erzeugt selber Oberwellen, die angezeigt werden. Der THD ist nicht ganz so wichtig. Viel wichtiger ist es, dass die 2. Oberwelle klein ist. Die dritte hört sich bei der Musik gut an (obwohl nicht natürlich), die zweite wirkt jedoch störend (weil die Töne in den Oktaven nicht vorkommen). 7.2.3 Rauschen Auf jedem Musiktitel ist auch Rauschen mit aufgenommen. Spielt keine Musik mehr, hört man den Verstärker rauschen. Brummen ist heute kein Problem mehr (nur wenn Stecker nicht richtig verbunden, oder Masseschleife). Das Ohr ist so gut, dass man dieses Rauschen dennoch hört. Meist ist das Rauschen der Musik stärker, als das des Verstärkers (Ausnahme – voll elektronisch erzeugte Musik). HTL / EDT 5AHELI Seite 27 / 47 wichtig bei der Rauschpegelmessung: • • breitbandig messen (20Hz-20kHz)! Æ Fremdspannung Das Rauschen über 20kHz interessiert allerdings keinen Æ wird nicht mehr gehört. Der Fremdspannungsabstand gibt an, wie viel Rauschen der Verstärker zur Musik dazugibt. Bewertungsfilter: Das Ohr hört nicht überall gleich gut, im Sprachbereich ist es besonders empfindlich. Man wirft das Rauschen in das A-Filter Æ Geräuschspannung Æ Geräuschspannungsabstand Angabe als: Geräuschspannungsabstand: z.B. 108dB(A) Bei Messgeräten heißt die Option meist „A-weighted“. 7.2.4 Frequenzgang typ. 20 – 20kHz ± 0,5dB HTL / EDT 5AHELI Seite 28 / 47 Der Frequenzgang geht deshalb bis einige 100kHz flach, weil es sonst im Hörbereich zu einer Phasenverschiebung kommt. Æ Es treten unterschiedliche Frequenzlaufzeiten auf, was bei der Musik störend wirkt. Das größere Problem bei Verstärkern ist, dass die Rückkopplung zu schwingen beginnt. (Bei 180° muss die Verstärkung <0dB sein). 7.2.5 Leistungsbandbreite Man misst den Frequenzgang bei 3 Leistungen. Die Kurve ergibt sich deswegen, weil bei Vollaussteuerung große Ströme rinnen, dadurch werden auch die Transistoren langsamer. 7.3 Messobjekt IC-Verstärker TDA2030 Vorteil: funktioniert bei fast allen Versorgungsspannungen, Single Supply und ± HTL / EDT 5AHELI Seite 29 / 47 Der Ausgang ist stärker als bei einem normalen OPV. Vorsicht: Bei Entlastung steigt die Spannung des Netzteils an (bei ungeregelten) Æ Nicht an die Grenze des Verstärkers dimensionieren! Am Eingang darf auf keinen Fall eine Gleichspannung liegen! Diese wird verstärkt und heizt den Lautsprecher. Auch nur einige V bringen den Lautsprecher um (4Ω!). Es gibt Verstärker, mit DC-Protection, diese schalten ab, wenn eine Gleichspannung am Eingang liegt. Als ersten Test die Endstufe ohne Last einschalten und die Auisgangsspannung messen (sollte 0V sein). Der 47k wird benötigt, um dem Verstärker ein definiertes Potential (Masse) am Eingang zu geben. Wie eine OPV-Schaltung braucht auch der Verstärker eine Rückkopplung (v0 >>). Der Spannungsteiler wird je nach Anwendung dimensioniert. Die Schaltung würde schon funktionieren, man baut aber einen Kondensator ein (wegen der Leerlaufoffsetspannung). Deshalb hängt man an den Spannungsteiler einen Kondensator der bei ~10Hz ein Kurzschluss ist. Æ Er lässt die Musik durch, für den Arbeitspunkt ist er aber sichtbar. Das RC-Glied nach dem Spannungsteiler soll das Schwingen verhindern. (Zobel-Glied, Boucherd- oder Snubber-Netzwerk). Bei hohen Frequenzen ist der Kondensator ein Kurzschluss Æ Verstärker mit 100Ω belastet Æ kann nicht schwingen. Wenn man den OPV nicht ± versorgt, legt man das Signal in die Mitte: HTL / EDT 5AHELI Seite 30 / 47 Der Kondensator am Ausgang ermöglicht es, einen negativen Strom durch den Lautsprecher zu pumpen. (Koppelko entfernt die Gleichspannung). Ein weiterer Vorteil dieser Beschaltung ist der Fehlerfall. Stirbt die Endstufe, ist meist einer der Ausgangstransistoren kaputt Æ +UB oder –UB am Ausgang. Ohre DC-Protection würde der Lautsprecher abbrennen. 7.3.1 Innenschaltung Die Verstärker steuern nicht ganz aus, bei alten OPVs verliert man 2-3V. Bei neuen rail-torail OPVs verliert man ~50mV. Bei typischen Endstufen verliert man 3 bis 5V. Durch zu starkes aufdrehen entsteht clipping (rot dargestellt). Viele Endstufen haben eine LED, die Clipping anzeigt. Æ schlecht für Hochtöner. P= U eff P4 Ω = RL 2 = U pkpk 2 8 RL 50 2 = 78W 8 RL HTL / EDT Der Faktor 8 ergibt sich durch die Division durch 2 (peak-peak) und √2 (effektiv weg) sowie das Quadrieren. 5AHELI Seite 31 / 47 Die Versorgungsspannung ist meist nicht frei wählbar (keine krummen Trafo-Werte). Die Spannung, welche man verliert macht sehr viel aus, da die Leistung mit dem Quadrat der Spannung steigt. Beispiel: Statt 2*5V verliert man nur 2*2,5V: 552 = 94,5W 32 25V I pk = = 6A 4Ω In der Praxis ist der Unterschied zwischen 8 und 4Ω Boxen nicht die Hälfte. Schließt man 4Ω Boxen an, bricht die Betriebsspannung mehr ein, als bei 8Ω Boxen. 7.4 Gegentaktendstufe Ruhezustand: Am Eingang liegen 0V, am Ausgang auch. Æ Transistoren leiten mangels UBE nicht. Bis 0,7V passiert nichts, ab 0,7V leitet der obere Transistor Æ Es rinnt ein Strom von +UB durch den Lautsprecher. Es handelt sich um eine Kollektorgrundschaltung (Emitterfolger). Der Lautsprecher dient als Emitterwiderstand. Negative Halbwelle: Dasselbe nur negativ. HTL / EDT 5AHELI Seite 32 / 47 Daraus ergeben sich Übernahmeverzerrungen. Bei lauter Musik ist das egal, bei leiser verheerend: Abhilfe: Die Widerstände werden benötigt, um die Dioden in den 0,7V Bereich zu bekommen (brauchen entsprechend Strom). Durch die 0,7V an der Basis leiten die Transistoren sofort wenn ein Signal angelegt wird (nicht erst bei 0,7V). Wunsch: Dioden- und Transistorspannung sollen gleich groß sein. In der Praxis funktioniert das jedoch nicht. Æ Æ UD leitet bei 0,6V UBE leitet bei 0,7V UD leitet bei 0,7V UBE leitet bei 0,6V noch immer leichte Verzerrungen Transistoren leiten immer! Bei 1A und ±30V sind das 60W. Dieser große Ruhestrom wird auch bewusst genutzt (Klasse A Endstufen – sehr teuer und selten – Hitze entwickelnd) Üblich ist ein Ruhestrom von ca. 100mA (6W). Problem: Wie bekommt man die 100mA hin? Temperaturdrifts, Bauteilstreuungen und Steuerung HTL / EDT 5AHELI Seite 33 / 47 Der Transistor wird durch den Strom warm (leitet besser), die Diode wird jedoch nicht warm (UDiode bleibt gleich). Der Transistor wird also immer wärmer. (Bei Mosfets oder Glühbirnen umgekehrt) Man muss den Ruhestrom stabilisieren. 7.4.1 Ruhestromstabilisierung Zur Stabiliesierung baut man Emitterwiderstände ein. (RE ~ 0,1 1Ω, einige W) RE kann nicht größer sein, da die Boxen bereits 4Ω haben. (Spannungsteiler!!!) Den Ruhestrom misst man, indem man die Spannung am Emitterwiderstand misst. Die Spannungsabfälle am RE werden mit einer dritten Diode eingestellt (auch als LEDs – über die Farbe kann der Ruhestrom eingestellt werden Æ rauschen allerdings) In der Praxis benutzt man eine „einstellbare Z-Diode“. „einstellbare Z-Diode“: Die 0,7V liegen immer an, der Basisstrom ist vernachlässigbar. Der Strom durch die Widerstände wird durch deren Verhältnis bestimmt. Die Spannung am oberen Widerstand ist nur vom Strom abhängig Æ Mit dem unteren Widerstand lässt sich das Widerstandsverhältnis und dadurch die Spannung am oberen Widerstand einstellen. Steigt der Strom durch die Schaltung an, bekommt der Transistor um einige µA mehr Basisstrom Æ Dadurch wird der Transistor besser leitend und leitet den überflüssigen Strom an den Widerständen vorbei. HTL / EDT 5AHELI Seite 34 / 47 Einfügen in die Schaltung: Der Transistor (Sinus) schiebt das Potential der ZDioden-Schaltung. Man kann den Transistor auch unten statt oben einbauen. Die Schaltung hat ein vu von nahezu Null. Æ Der Spannungshub muss schon vorher bestehen (für einen OPV ist das kein Problem). Der OPV kann dafür keinen großen Strom liefern, diesen liefert die Schaltung Endstufe = vi OPV = vu Problem: Transistoren haben ein zu kleines β bzw. hFE (geringes vi). Man hat am Ausgang nur 40*I = 10W (wenig!) Abhilfe: Darlington-Transistor = β-Superverstärker (βges = β1 * β2) Der vordere Transistor ist meist der kleinere Æ liefert β Der zweite ist ein starker Æ muss β1 aushalten (Verlustleistung) Darlington-Transistoren haben ein β von ~10.000 z.B. BD40…40 BD600…10000 von der Basis zum Emitter ist eine Unterbrechung (für Multimetertests). HTL / EDT 5AHELI Seite 35 / 47 Vorteil von fertigen Darlington: • nur 1 Bauteil, keine Probleme • sind sicher aufeinander abgestimmt Nachteile: • gibt nur sehr wenige • sind sehr temperaturabhängig Æ Wird ein Transistor heiß, heizt er den anderen mit (beide driften sehr), verwendet man 2 Transistoren, kann man den 2. kühlen. Man braucht für die Endstufe einen PNP-Darlington: In Wirklichkeit sind sie aus einem PNP und einem NPN aufgebaut: …White Folger Grund dafür ist, dass es früher nur sehr wenige und schlechte PNP-Transistoren gab (mögliche Maturafrage). Achtung: 2 * 0,7V = 1,4V Æ Die einstellbare Z-Diode muss geändert werden! MOS-FET (n-Kanal [billig] und p-Kanal [teuer]) Mosfets werden im Gegensatz zu Transistoren leitend, wenn die Gate-Source-Spannung ca. 56V ist. Vorteil: sehr hochohmig (einige MΩ) das heißt es fließt kein Strom hinein MOS-FETs sind temperaturstabil, er wird heißer und benötigt mehr Spannung Æ regelt sich selbst Braucht man mehr Strom Æ Mehr Mosfets parallel schalten Æ sind ja spannungsgesteuert. Der Strom teilt sich zwischen den Mosfets schön auf (Æ der heißeste nimmt den wenigsten Strom) Bei Transistoren ist das nicht so leicht (Symmetrierung). HTL / EDT 5AHELI Seite 36 / 47 einziges Problem: FETs schwingen gern Æ Man sendet mit 10W! …Hier hätte man ¼ Leistungsverlust (von 100W auf 75W!) 7.5 Brückenendstufe (BTL Amplifier) BTL…Bridge Tied Load Bei einer Brückenendstufe werden 2 Verstärker gegenphasig angesteuert. 8 Aktive Filter 8.1 Anti-Aliasing-Filter Sample Hold: Der Analogwert wird abgegriffen und für die Dauer der Wandlung gespeichert. HTL / EDT 5AHELI Seite 37 / 47 Auf Grund des Filters wird keine Frequenz zum ADC durchgelassen, die das Abtasttheorem nicht erfüllt. Bei DACs verwendet man am Ausgang einen Tiefpass zur Glättung des Signals. 8.2 Passive Filter 1. Ordnung 20dB/Dek. 2. Ordnung 40dB/Dek. 3. Ordnung 60dB/Dek. Parameter: • Bauteilaufwand • Spulen • Toleranzen Die Bauteile der Filter werden üblicherweise aus Tabellen gelesen oder mit Programmen berechnet. Je mehr Bauteile vorhanden sind, je steiler wird das Filter. Dabei sind aber nicht alle Spulen und Kondensatoren gleich groß. Die beste Steilheit erreicht man, wenn die Bauteile nicht gleich groß sind. Schaltet man gleiche Bauteile hintereinander, hat man mit dem ersten eine 3dB Grenzfrequenz, schaltet man ein gleiches Glied nach, hat man hier schon -6dB. Zusätzlich belasten die nachfolgenden Filter die vorigen. HTL / EDT 5AHELI Seite 38 / 47 Probleme: • Filtertypen • statt Ls: OPVs • Toleranzen (Widerstände egal, Kondensatoren 20%!) In der Serienproduktion kann man nichts abgleichen! Diese Bauteile zu berechnen ist Mathematik (Partialbruchzerlegung). Mit dieser Methode kann man verschiedene Filtertypen bauen. In der Telekommunikation normiert man die Filter auf die Frequenz f0. Dadurch sehen die gleichen Filter auch immer gleich aus, egal auf welcher Grenzfrequenz liegen. Da Tiefpässe am häufigsten verwendet werden, berechnet man nur diese (Programm: filterpro (TI)) und konvertiert es dann bei Bedarf in einen anderen Filtertyp. Die unterschiedlichen Filtertypen haben deshalb ihre Daseinsberechtigung, weil es nicht immer nur auf eine große Steilheit drauf ankommt. Interessant ist auch das Einschwingverhalten: Tschebyscheff-Filter sind zwar steil, haben aber eine Welligkeit im Durchlassbereich. Man bedenke z.B. bei einer Audio-Endstufe eine Welligkeit im Durchlassbereich von 3dB, will man weniger Welligkeit, muss man eine geringere Steilheit in Kauf nehmen. HTL / EDT 5AHELI Seite 39 / 47 Cauer-Filter sind am steilsten, haben aber auch eine Welligkeit im Sperrbereich. Bei allen anderen Filtern wird die Dämpfung immer besser, beim Cauer-Filter muss man einen Abstand zur Welligkeit definieren. Problem: Realisierbarkeit Ein großes Problem sind die Toleranzen und die Spulen. Spulen sind groß, gewickelt, haben große Toleranzen, sind teuer, haben einen Kupferwiderstand und fangen vielleicht noch das Streufeld des Trafos auf. Außerdem ergeben sich aus der Rechnung oft extrem krumme Werte. Abhilfe: aktive Filter • • • SC-Filter (Switched Capacitor) OPV-Filter Gyrator-Filter 8.3 Aktive Filter Beispiel: TP mit OPV (2. Ordnung) Man nimmt diese Schaltung und lässt ein Programm die Bauteile berechnen. Einige Grundschaltungen haben sich hier etabliert: • Sallen-Key • Einfach/Mehrfachgegenkopplung • … Diese Methoden haben nichts mit dem Filtertyp (Cauer, Tschebyscheff,…) gemeinsam. Diese sind mathematische Beschreibungen für die Filter. Die Methoden hier behandeln den Aufbau mit Bauelementen. Die Grundschaltungen behandeln Dinge wie Verstärkung, invertierend oder nicht, OPV-Rauschen. Ein anderer Faktor ist der Preis (5% Widerstände sind billiger als 1%). Diese OPV-Schaltungen kann man problemlos hintereinander Schalten (im Gegensatz zu passiven Filtern). Allerdings müssen die einzelnen Stufen andere Bauteilwerte haben (die 3dB Grenzfrequenz würde wieder verrutschen). Bei der Laborübung wird ein aktives Filter 2. Ordnung berechnet und aufgebaut. Außerdem gibt es eine Übung für Sweep / Wobbeln / Wobbelmesstechnik. HTL / EDT 5AHELI Seite 40 / 47 8.4 Wobbeln Wobblen (engl. Sweep) wird verwendet, wenn man mit z.B. das Bodediagramm eines Filters aufnehmen will. Um das Bodediagramm nicht Punkt für Punkt aufnehmen zu müssen, verwendet man den XY-Betrieb des Oszis. Der Sägezahn erzeugt mit einem VCO einen stetigen Frequenzanstieg. Da man der Spannung eine Frequenz zuordnen kann, kann das Oszi den Frequenzgang automatisch aufnehmen. Mühsam ist hier allerdings, dass die Frequenz beim Oszi einzustellen. Damit die Fläche am Oszi nicht ausgefüllt ist, muss am Ausgang ein Spitzenwertgleichrichter geschaltet werden. Beispiel: START-Frequenz 1Hz STOPP-Frequenz 10kHz Wobbelzeit (auch Wobbelfrequenz) 1s HTL / EDT 5AHELI Seite 41 / 47 Der Spitzenwertgleichrichter sollte ungefähr 100n sein. Hier wird der Spitzenwertgleichrichter als Spitzenwertdetektor bezeichnet (um Verwechslungen mit Trafoschaltungen zu vermeiden). Ist der Kondensator zu klein, sieht man den Sinus. Ist er zu groß, entlädt er sich nicht. Die Zeitkonstante C zu RL muss mit der Wobbelzeit zusammenpassen. Die Wobbelzeit war früher wichtiger, da man keine Speicheroszis hatte. War die Wobbelzeit zu langsam, konnte man den Punkt zusehen wie er über den Bildschirm fährt, war die Wobbelzeit zu groß, war die Kurve falsch. Heute kann ein Gerät den Sägezahn generieren und hat den VCO schon drin. Diese Geräte werden als Wobbelgenerator / Swepp-Gen. / Wobbelsender (HF-Technik) bezeichnet. Das Gerät wird deshalb als Sender bezeichnet, weil HF-Generatoren oft zu Testzwecken (Radios) verwendet werden Æ Der Messsender erzeugt das Signal für Radiotests. Einige Anmerkungen zum Scope: • • XY-Betrieb Die Sägezahnspannung ist die x-Achse. Der Ausgang wird als y-Achse verwendet. Es sollte dann am besten eine Tabelle erstellt werden, welche Spannung am Sägezahn welcher Frequenz entspricht und wo die Frequenz dann am Scope ist. Man kann das Signal am Scope auch so einstellen, dass man die Startfrequenz auf den linken Rand stellt und die Stoppfrequenz auf den rechten Rand (10 Kästchen). Eine weitere (aufwändige) Methode wäre, die Frequenz per Hand einzustellen und immer den Punkt zu markieren (Folie über Oszi legen und Strich machen). Xt-Betrieb Bei guten Generatoren kann man sich darauf verlassen, dass die Frequenz genau ansteigt (quarzgenau, z.B. 10mHz pro ms). Die meisten Generatoren liefern einen Triggerimpuls, wenn er bei der Startfrequenz beginnt. Mit dem Oszi triggert man dann auf die Startfrequenz (am linken Bildschirmrand). Heutzutage haben Geräte auch keinen Sägezahngenerator mehr eingebaut. Ein µC übernimmt meist den Frequenzdurchlauf. Was man am Scope sieht ist kein Bodediagramm! Bodediagramme sind im doppelt-logarithmischen Maßstab. Es gibt spezielle Scopes, die eine logarithmische Frequenzskala haben und am Eingang einen logarithmischen Verstärker. Am Wobbelgenerator lässt sich zwischen log/lin umschalten. Man könnte den Ausgang auch mit einem Speci messen. In vielen Firmen gibt es allerdings keine Specis (teuer), deshalb lernen wir diese Variante. HTL / EDT 5AHELI Seite 42 / 47 Wichtig ist: Bodediagramme sind im doppelt logarithmischen Maßstab. Ohne doppelt logarithmischen Maßstab sind die Linien nicht gerade. Am Oszi geht das Signal natürlich auf 0 zu Zur Bestimmund der Steilheit kann man die Frequenz bei 0,5V messen. Kleinere Spannungen kann man allerdings nicht wirklich vom Oszi ablesen. (z.B.: -40dB) Die Abhilfe wäre einen logarithmischen Verstärker einzubauen (vor dem Oszi). Das ist allerdings so umständlich und teuer, dass man am besten einen Speci kauft. In Datenblättern benutzt man die normierte Frequenz als Achse. Man trägt lgω auf. Die Grenzfrequenz fg definiert man als 1, eine Dekade drüber ist 10, eine drunter 0,1. Die Achse wird mit Ω beschriftet. Ω= ω ωg HTL / EDT 5AHELI Seite 43 / 47 Ohne Messgleichrichter erhält man folgendes Bild: Mit Spitzenwertgleichrichter sieht das Bild wieder „schön“ aus. Die Diode schneidet die negative Halbwelle weg: Der Kondensator verbindet dann die Spitzen. C zu groß C richtig C zu klein Am Bildschirm sieht man dann nur die Kondensatorspannung. Die Diode sollte natürlich auch schnell genug sein (keine Netzgleichrichterdioden). Die Ausgangsspannung des Filters muss außerdem größer als die 0,7V der Diode sein. Einen Designer für aktive Filter gibt es unter www.aktivfilter.de HTL / EDT 5AHELI Seite 44 / 47 9 Akustik Die tiefen Frequenzen sind ein Problem, die Membranlänge ist gegenüber der Wellenlänge zu kurz. Deshalb baut man große Boxen. Kompensation: • Mit einem Bassregler beim Verstärker werden die niedrigen Frequenzen mehr verstärkt. Dadurch bewegt sich aber die Membran mehr, es entsteht ein großer Klirrfaktor, die Boxen werden hin etc. • Lautsprechergehäuse Man baut eine Bassreflexbox. Verstärkerkurve Bassreflex Um auch hohe Frequenzen wiedergeben zu können, verwendet man eine zweite Box (Hochtöner). Ein Problem ist, dass die Boxen unterschiedlich laut sind. HTL / EDT 5AHELI Seite 45 / 47 Hochtöner und Tieftöner werden üblicherweise in eine Box gebaut (Zweiwegbox). Es gibt auch Dreiwegboxen (diese geben optisch mehr her, sind aber akustisch meist nicht besser). 9.1 Kennschalldruckpegel (SPL) SPL…Sound Pressure Level z.B.: 92 dB/W*m Der SPL ist quasi die Lautheit des Lautsprechers. Der SPL wird folgendermaßen gemessen: 1W hinein (1kHz) 1m Distanz wird gemessen Die Angabe ist deshalb ungenau, weil der Lautsprecher gerade bei 1kHz einen Peek haben könnte, dann wird er besser interpretiert, als er ist. 88dBdB/W*m sind schlecht, 100dB/W*m werden bei Open Air Konzerten benutzt. 9.2 Pegelanpassung Meistens ist es so, dass die Hochtöner deutlich stärker sind, man muss ihn dann dämpfen, um einen ebenen Frequenzgang zu erhalten. (Tieftöner kann man nicht drosseln.) HTL / EDT 5AHELI Seite 46 / 47 Bei vielen Boxen kann man die Pegelanpassung umschalten. Hat man beispielsweise in seinem Zimmer viel Einrichtung, die dämpft (Vorhänge, Sofa, …), sollte man die hohen Frequenzen lauter stellen. Andererseits sollten in einem Raum mit viel Schall die oberen Frequenzen gedämpft werden. Manchmal gibt es auch ein „L-Pad“, damit kann man die Pegelanpassung stufenlos regeln. 9.3 Trennung Die Frequenzen der beiden Boxen müssen getrennt werden, damit nicht beide Boxen die selbe Frequenz ausgeben. Aus diesem Grund baute man früher in Serie zum Tieftöner eine Spule ein. Die Spule hat einige mH, sollte kein Eisen haben und 0Ω haben. Kostenpunkt ~100€ Wichtiger ist ein Hochpass, denn der Hochtöner wird kaputt, wenn er tiefe Frequenzen bekommt. HTL / EDT 5AHELI Seite 47 / 47
