einfacher pwm- verstärker
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DESIGNTIPPS IN ZUSAMMENARBEIT MIT Power für die Tasche (1) < Fortsetzung von Seite 20 „ Thema. Die Produkte der Firma finden in großen HLK-Anlagen und industriellen Kältesystemen Anwendung. Fausto Rizzi, Entwicklungsingenieur bei Selpro, erläutert: „Wir haben In unserer neuesten Produktlinie haben wir sowohl die Leistungs- als auch die Steuerelektronik im selben System untergebracht, welches unmittelbar auf dem Motor installiert ist… Francesco Borghesi, F&EKonstrukteur bei Studioemme “ es geschafft, die IEC-Normen zu erfüllen, indem wir den Einsatz unserer Technologien aktualisiert und verfeinert haben. Spannungsstufensysteme sind an sich oberschwingungsfrei, da sie auf Spartransformatoren basieren, die lineare Bauteile sind und daher keine Verzerrungen erzeugen. Im Gegensatz dazu erzeugen Phasenpartialisationssysteme Verzerrungen. Durch Ausnutzung der induktiven Natur und Modularität der Last (welche aus mehreren Lüftern besteht) und den Betrieb innerhalb eines bestimmten Phasenwinkels ist es 22 eTech - AUSGABE 1 möglich, die Oberschwingungen auf das von der Norm für Ströme von 16 bis 75 A (IEC 61000-3-12) vorgegebene Limit zu reduzieren. Diese Lösung kann jedoch nicht für Ströme bis 16 A angewendet werden, da hier eine andere Norm mit niedrigeren Grenzwerten für Oberschwingungen (IEC 61000-3-2) gilt. Sehr bald schon werden wir mit dem Problem der Energieeffizienz konfrontiert werden, und ich denke, dass wir die Wechselrichtersteuerungstechnologie nutzen und DSP-Systeme einsetzen müssen.“ Praktische Ziele für Aufzüge, das Preis-Leistungs-Verhältnis und die einfache Installation sind derzeit das Hauptaugenmerk von SMS Sistemi e Microsistemi (Crespellano, Bologna), einem Unternehmen, das Steuerungssysteme für Aufzüge entwickelt und herstellt. Das Produktangebot des Unternehmens umfasst Starter, Geschwindigkeitsregler, Geräte, die ein Fahrzeug im Falle eines Stromausfalls zurück auf Bodenhöhe bringen, Platinen für Steuerpulte und Antriebswellen. „Wir versuchen, den Installationstechnikern das Leben leichter zu machen, indem wir vorverkabelte Produkte anbieten“, erklärt Emanuele Castagnini, einer der Konstrukteure des Unternehmens. „Die Wechselrichter, die dazu verwendet werden, das Fahrzeug im Falle eines Stromausfalls zurück auf Bodenhöhe zu bringen, sind nicht sehr kompliziert, da die Positionierung nicht allzu präzise sein muss. Für diese Produkte planen wir den Einsatz von Mikrocontrollern; hierzu brauchen wir keine DSPs.“ Die Notwendigkeit, den Energieverbrauch zu verringern, hat auch einen Einfluss auf diesen Markt. „Unsere Wechselrichter für den Normalbetrieb in sowohl elektrischen als auch hydraulischen Aufzügen stehen im Mittelpunkt unserer Bemühungen zur Energieoptimierung“, fügt Castagnini hinzu. „Bei Aufzügen sollte die Bewertung des Stromverbrauchs allerdings auf dem System als Ganzes, nicht auf einer einzelnen Komponente beruhen.“ EINFACHER PWMVERSTÄRKER Ton Giesberts (Elektor Labs) Schaltungen für einfache Endstufen gibt es im Überfluss. Meist sind das Klasse-ABoder Klasse-B-Entwürfe. Hier wird ein sehr kompakter Klasse-D-Verstärker vorgestellt, der sogar im Batteriebetrieb ordentlich Dezibel aus einem Lautsprecher kitzeln kann. Der Motorlösungen Ganz gleich, wie Ihre Herausforderung in puncto Motorantrieb und Motorsteuerung aussieht – RS hat Produkte, die Ihre Lösung unterstützen. Unser Sortiment an Mikrocontrollern, DSPs, DSCs, Encodern, Stromsensoren, MOSFETs, IGBTs usw. finden Sie unter www.rsonline.de/elektronik in diesem Artikel beschriebene Audioleistungsverstärker ist nicht einfach ein normaler analoger Verstärker, sondern eine „digitale“ Version, die die Pulsweitenmodulation (Pulsewidth Modulation, PWM) nutzt. Der Fairness halber sei gesagt, dass bei diesem Verstärker ein gewisses Maß an Verzerrung unvermeidlich ist; es handelt sich daher nicht um einen Hi-Fi- oder High-EndVerstärker. Dazu ist der Schaltkreis bei Weitem zu einfach. Andererseits sorgt er für einen sehr speziellen Sound. Man könnte beim digitalen Verstärker vielleicht von einem „röhrenähnlichen“ Sound sprechen. PWM-Verstärker Ein PWM-Verstärker hat aus Prinzip einen hohen Wirkungsgrad, da sein Ausgang (mit hoher Frequenz) zwischen maximaler Betriebsspannung und Masse hin- und herschaltet (siehe Bild 1). Die Ausgangstransistoren nehmen deshalb keine Zwischenstände ein, sondern leiten voll oder überhaupt nicht. Von Schaltverlusten abgesehen wird also kaum Energie vergeudet und die Schaltung bleibt daher auch recht kühl. Der Verstärker liefert im Prinzip kein analoges, sondern ein Rechtecksignal, dessen Impulsbreite von der Eingangsspannung abhängt. Die Impulsbreite ist also ein Maß für das aktuelle analoge Signal. Dieser Zusammenhang zwischen Impulsbreite und analoger Spannung ist in Bild 1 gut zu sehen: Die breitesten Impulse korrespondieren mit der maximalen analogen Spannung und die schmalsten entsprechen der minimalen Spannung. Bei einem Tastverhältnis (Verhältnis Impulsdauer zu Periodendauer) > 50 % ist die Spannung Technische Daten • 1 W an 8 Ω, 1,7 W an 4 Ω • Klasse-D • Betriebsspannung 6 - 9 V (4 AA-Zellen) • Sehr kompakter Verstärker • Einfacher Aufbau ohne SMDs positiv und bei < 50 % entsprechend negativ. Die Höhe der Ausgangsspannung hängt linear mit dem Tastverhältnis zusammen. Zur Rückumwandlung des PWM-Signals in das (verstärkte) ursprüngliche Signal ist lediglich ein Tiefpassfilter erforderlich. Dieser entfernt die hohe Schaltfrequenz von dem Signal, so dass nur eine Art „Durchschnitt“ zurückbleibt, der exakt dem ursprünglichen Signal entspricht. Fortsetzung auf Seite 24 > eTech - AUSGABE 1 23 DESIGNTIPPS DESIGNTIPPS < Fortsetzung von Seite 23 +9 C1 3 IC1 IC1 = 4050 8 R2 10k 470k 10u 63V R1 IC1B 5 1 9 I-PAK-Gehäuse (TO-251AA) von International Rectifier. Trotz der kleinen Abmessungen kann T1 bei noch bei 100 °C bis zu 3,6 A verkraften und T2 sogar fast das Doppelte. Dabei hat T1 im durchgeschalteten Zustand einen Drain-SourceWiderstand von etwa 0,5 Ω, wobei hier T2 mit weniger als der Hälfte wiederum bessere Daten aufweist. Aufgrund dieser niedrigen Kanalwiderstandswerte ist es wichtig, dass beide Transistoren nicht gleichzeitig eingeschaltet werden (d.h. es ist eine Totzeit erforderlich). In Serie mit den Ausgängen der Gates sind 220 Ω-Widerstände geschaltet, jeder parallel mit einer SchottkyDiode. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung am Gate eines der MOSFETs schneller entladen wird als sie am Gate des anderen MOSFETs geladen wird. Für den Tiefpassfilter am Ausgang wird mit L1 eine Standard-Spule eingesetzt, die bis zu 1 2 1 1 11 270p 1 1 T1 220R R4 IRFU9120 10 L1 R5 220R D2 15 BAT85 C7 1000u 40uH IRLU120 12 IC1F 14 BAT85 D1 6 R6 25V C5 T2 LS1 8Ω 330n C6 220n 080277 - 11 Bild 2. Die Schaltung konnte ziemlich einfach gehalten werden, wodurch der komplette Digitalverstärker auf eine winzige Platine passt. 24 eTech - AUSGABE 1 2 A belastbar ist. Solange sie auf die Platine passen, können auch andere Spulentypen gleicher Induktivität verwendet werden. Die Strombelastbarkeit kann auch etwas kleiner als 2 A sein, denn selbst bei einer Belastung des Verstärkers mit 4 Ω liegt der Spitzenstrom noch unter 1 A. Eine Luftspule wäre viel zu groß. Spulen mit Kern weisen hingegen um so stärkere Nichtlinearitäten auf, je mehr man sich ihrer Sättigung nähert. Wenn die Spule mehr Strom als nötig verkraftet, reduziert dies also die Verzerrungen. Wenn man eine axiale Spule stehend bestückt, benötigt sie wenig Platinenfläche. L1 bildet zusammen mit C5 einen ButterworthTiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von etwa 40 kHz. Höhere Frequenzen werden unterdrückt und die Grundfrequenz des PWM-Signals ist mehr als zehn Mal so groß. Das RC-Glied R6/C6 sorgt für Stabilität bei höheren Frequenzen. R1 zieht den Minuspol von C1 auf Massepotenzial, sodass kein „Ploppen“ zu hören ist, wenn erst nach dem Einschalten der Stromversorgung ein Audiosignal angelegt wird. Beim Lautsprecher wird davon ausgegangen, dass dieser permanent angeschlossen bleibt, weshalb kein extra Belastungswiderstand angeschlossen werden muss. +9V IC1E C4 080277 - 12 Bild 1. Das durch ein Sinus-Signal modulierte PWM-Signal. Nach Filterung kommt das verstärke Sinussignal wieder zum Vorschein. IC1D 4 Ein Lautsprecher ist kein Widerstand, sondern eine komplexe Last und bei höheren Frequenzen vor allem induktiv. Die „Verstärkung“ der Schaltung wird durch die Gegenkopplung bzw. durch das Verhältnis R2/R3 bestimmt. Mit der angegebenen Dimensionierung ergibt sich eine etwa einfache Verstärkung, was bezüglich Versorgungsspannung und erzielbarer Ausgangsleistung recht gut passt. Praxistests haben allerdings gezeigt, dass -6 10 C7 S1 R5 20 50 100 200 500 1k 2k Hz 5k 10 k 20 k Resultate Bei einer Versorgungsspannung von 9 V ist der Ruhestrom mit 44 mA deutlich zu hoch für Batteriebetrieb. Dieser Strom wird vor allem durch die ziemlich hohe Schaltfrequenz von 660 kHz verursacht. Ein weiterer Faktor ist die nicht ganz perfekte Methode der TotzeitEinstellung mittels Widerstand und Diode in der Gate-Leitung. Glücklicherweise aber nimmt die Frequenz und damit der Ruhestrom bei niedrigeren Spannungen deutlich ab, da die verwendeten Puffer bei niedrigeren Spannungen langsamer schalten. Bei 6 V sinkt die Frequenz auf 510 kHz und die Stromaufnahme in Ruhe beträgt nur noch 10 mA. Mit vier AA-Zellen in Serie kann man den Verstärker also durchaus einige Stunden betreiben. Bei 5 V und dann nur noch 450 kHz muss man sogar nur noch mit 6 mA rechnen. Wir empfehlen aber dennoch, den Verstärker mit Spannungen zwischen 6 V und 9 V zu betreiben. Der Maximalwert liegt mit 9,5 V etwa 5 % über dem größten Nominalwert und hierbei ergibt sich ein Ruhestrom von 60 mA. Bei weniger als 5 V Versorgungsspannung können die Gates von T1 und T2 nicht mehr voll ausgesteuert werden. Bei 9 V beträgt die maximale Leistung an 8 Ω gut 1 W. An 4 Ω sind etwa 1,7 W möglich. Bei 4 Ω spielen Verluste durch die Widerstände von Spule, Transistoren und Ausgangselkos schon eine größere Rolle. R4 D2 LS1 C5 C6 - 40 k 080277 - 13 Bild 3. Der Frequenzgang hängt etwas von der Lastimpedanz ab. Ein 8-Ω-Widerstand ergibt die blaue und ein realer Lautsprecher die rote Kurve. manche Signalquellen wie Soundkarten von PCs etc. einen etwas zu geringen Pegel für Vollaussteuerung liefern. Doch auch das ist kein Problem: In der nächsten Elektor-Ausgabe wird ein für diese Endstufe passender Vorverstärker beschrieben, der auch noch eine Klangeinstellung für Bässe, Mitten und Höhen mitbringt. C3 L1 R6 T1 T2 C4 -5 IC1C 7 R3 -4 D1 -3 8R2 C3 100u 40V IC1 1 C2 +0 -2 R3 12k 100n R1R2 +1 -1 t [s] + + d +3 B +2 r A BT1 C2 C1 +4 IC1A BT1 9V - +5 Die Ansteuerung der Ausgangstransistoren wird von einer Parallelschaltung einiger CMOS-Puffer aus der 4.000er Logik-Serie übernommen. Es müssen nämlich bei jedem Schaltvorgang die nicht unwesentlichen Eingangskapazitäten der beiden MOSFETs von zusammen rund 1 nF umgeladen werden. Die eingesetzte Logik-Familie hat den Vorteil eines hohen Versorgungsspannungsbereichs. Ihre begrenzte Schaltgeschwindigkeit wirkt sich bei den hier vorkommenden Frequenzen noch nicht aus. Der nichtinvertierende Typ 4050 hat gegenüber seinem invertierenden Äquivalent 4049 den Vorteil, dass ein Puffer aus zwei hintereinander geschalteten Transistorstufen besteht, was der Verstärkung nützt. Außerdem sitzt vor dieser Parallelschaltung noch ein einzelner Puffer, was dem präzisen Schalten und ebenfalls der Verstärkung zugute kommt. Die Leistungstransistoren sind MOSFETs im S1 +7 +6 Da der Verstärker unsymmetrisch mit nur einer Spannung versorgt wird, benötigt man am Ein- und Ausgang mit C1 und C7 je einen Koppelkondensator, um das Gleichspannungspotenzial abzutrennen. Die untere vom Verstärker noch übertragene Frequenz wird vom Ausgangselko bestimmt. Der vorgeschlagene Wert von 1.000 µF ist ein Kompromiss zwischen Abmessungen und Bandbreite (ab 20 Hz), ganz wie bei analogen Verstärkern. +9V +8 u [V] Die Schaltung Die Schaltung in Bild 2 besteht im Wesentlichen aus einem so genannten „selbstschwingenden Pulsbreitenmodulator“. Im Prinzip ist das ein oszillierender Verstärker, bei dem ein Signal am Eingang die Eigenschwingungen beeinflussen kann. Diese Beeinflussung geschieht dabei in Form einer Änderung des Tastverhältnisses bzw. der Impulsbreite. Bei 9 V kann der Winzverstärker durchaus schon eine Menge Krach produzieren, selbst wenn man nur kleine Lautsprecher anschließt. Bei 1 mW ergeben sich Verzerrungen von weniger als 0,5 %. Die Bandbreite beträgt bei 8 Ω Last gut 20 - 40.000 Hz (blaue Kurve in Bild 3). Die obere Grenzfrequenz wird durch den Tiefpassfilter aus L1 und C5 festgelegt. Die blaue Kurve in Bild 3 zeigt die Verhältnisse an einer ohmschen Last von 8 Ω. Bei der roten Kurve mit echtem Lautsprecher ist eine kleine Eigenresonanz bei etwa 120 Hz (Amplitudenerhöhung um etwa 1 dB) zu sehen. In der Nähe der Resonanzfrequenz des Filters aus L1 und C5 ist ebenfalls eine signifikante Amplitudenerhöhung um einige dB zu bemerken. Der Tiefpassfilter wird durch die Induktivität des Lautsprechers in diesem Bereich nicht mehr korrekt bedämpft. Besonderen Einfluss auf den Klang hat dies allerdings nicht, denn die Amplitude ist bei 20 kHz nur um 2,5 dB erhöht. Die meisten Menschen hören bei diesen Frequenzen sowieso kaum noch etwas. Die Platine ist sehr kompakt gelungen. Der für den nächsten Monat geplante Vorverstärker hat die gleichen Platinenabmessungen. Übereinander montiert ergibt sich ein äußerst kompakter Miniverstärker. In der nächsten Ausgabe (Februar 2010) werden wir auf die Verfügbarkeit der Platine eingehen. Bild 4. Trotz der Verwendung von StandardBauteilen ist die Platine klein geblieben. Dafür sind die Bauteile dann recht dicht gepackt. Teileliste RS Bestellnummern dienen nur zur Orientierung. Die vollständigen Spezifikationen finden Sie auf den Datenblättern. Widerstände R1 = 470 kΩ R2 = 10 kΩ R3 = 12 kΩ R4,R5 = 220 Ω R6 = 8 Ω2 (151-331) (150-928) (151-151) (157-569) (385-982) Kondensatoren C1 = 10 µF 63 V, radial, 6 mm Durchm. (228-6947) C2 = 100 nF Keramik, Anschlussabstand 5 mm (652-9995) C5 = 330 nF, MKT, Anschlussabstand 0,3” (7,5 mm) (483-3999) C6 = 220 nF, MKT Anschlussabstand 0,3” (7,5 mm) (483-3832) C7 = 1000 µF 25 V, radial, 10 mm Durchm., Anschlussabstand 0,2” (571-981) Induktoren L1 = 40 µH 2 A axial (vertikale Montage) Halbleiter D1, D2 = BAT85 (300-978) T1 = IRFU9120NPBF (TO-251AA/I-PAK, International Rectifier) (541-1275) T2 = IRLU120NPBF (TO-251AA/I-PAK, International Rectifier) (543-1718) IC1 = 4050 Verschiedenes S1 = 1 Kontaktschluss, 1 A min. (080277-I) eTech - AUSGABE 1 25
