Projektowanie wzmacniaczy mocy

Transkrypt

1 Projektowanie wzmacniaczy mocy Zaprojektować akustyczny wzmacniacz mocy w oparciu o układ TDA 006. kład powinien posiadać następujące parametry: maksymalną moc wyjściową P Wy 0W przy maksymalnej wartości amplitudy napięcia generatora G 00m, minimalną rezystancję wejściową WE 0kΩ, dolną częstotliwość graniczną f d 6Hz. ezystancja wewnętrzna źródła sterującego wzmacniacz wynosi G kω. Wzmacniacz będzie pracował z rezystancją obciążenia L 8Ω. Oszacować wartość górnej częstotliwości granicznej układu. Obliczyć parametry radiatora odprowadzającego ciepło ze wzmacniacza, wiedząc, że wzmacniacz będzie pracował w zakresie temperatur otoczenia od 0 0 C do 50 0 C. ozwiązanie Na rys. schemat aplikacyjny wzmacniacza mocy zbudowanego z wykorzystaniem układu TDA 006. Projekt zostanie wykonany w oparciu o dane układu zawarte w nocie aplikacyjnej dostarczonej przez producenta wzmacniacza SGS Thomson. ys.. Schemat aplikacyjny układu TDA 006 Maksymalna moc wyjściowa układu wzmacniacza dana jest wyrażeniem: P WY WY () L Wzmacniacz TDA 006 pracuje w konfiguracji nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego mocy, stąd wzmocnienie napięciowe układu, dla zakresu średnich częstotliwości, dane jest równaniem:

2 K + () 3 Napięcie wyjściowe układu jest dane zależnością: WY KWE + 3 WE (3) Korzystając z zależności () wyznaczamy wartość napięcia wyjściowego potrzebną do uzyskania zadanej mocy wyjściowej: P 0W 8Ω 8. (4) WY WY L 94 Znając wartości maksymalnego napięcia z generatora ( G 00m), rezystancję generatora kω, i minimalną wartość rezystancji wejściowej układu 0kΩ można wyznaczyć współczynnik podziału napięcia generatora, a co za tym idzie wartość maksymalnego napięcia wejściowego wzmacniacza: WE 0kΩ G 00m 90. m (5) + kω WE 9 G WE Teraz znając wartość napięcia wyjściowego (8.94) wzmacniacza możemy wyznaczyć wartość wymaganego wzmocnienia napięciowego układu: WY K (6) WE Producent układu TDA 006 w nocie aplikacyjnej (patrz nota aplikacyjna str. 8 Tabela uwagi) podaje, że wzmocnienie wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego nie może być mniejsze niż 4dB. Sprawdzamy czy warunek ten będzie spełniony w przypadku projektowanego układu: K 0 log K 0log [ db] (7) Wzmocnienie jest większe od minimalnego więc teraz możemy wyznaczyć wartości rezystancji i 3 ustalających wzmocnienie układu (). Wartość rezystora 3 zakładamy zgodnie z zaleceniami producenta (nota aplikacyjna str. 8 Tabela ) równą 680Ω. Następnie wyznaczamy wartość rezystancji, przekształcając zależność (): 3( K ) 680Ω kΩ 68kΩ (8) Po zaokrągleniu wyznaczonej wartości do 68kΩ wzmocnienie napięciowe układu będzie równe () 0.

3 Wartość rezystancji wejściowej układu określa rezystor ponieważ rezystancja wejściowa układu TDA 006 jest równa 5MΩ. Ważna także jest kompensacja wejściowych prądów niezrównoważenia wzmacniacza. Aby nastąpiło zrównoważenie. Dlatego przyjmujemy wartość 68kΩ, dla której spełnione są wymagania projektowe WE > 0kΩ. Należy jednak ocenić wpływ napięcia i prądów niezrównoważenia na napięcie na wyjściu wzmacniacza. Z noty aplikacyjnej układu TDA 006 (tabela Electrical Characteristics ) odczytujemy następujące parametry: I b 3µA, I OS 80nA, OS 8m. Następnie wyznaczamy całkowite wejściowe napięcie niezrównoważenia wzmacniacza: + IOS IOS WEOS OS + OS + Ib + Ib 8m µ A 68kΩ.96µ A 68kΩ 8m m 0.8m 3.44m Chcąc wyznaczyć wartość napięcia niezrównoważenia na wyjściu wzmacniacza musimy wyznaczyć wartość wzmocnienia napięciowego układu dla składowych stałych (rys. ). ys.. Schemat wzmacniacza obowiązujący dla napięć stałych Dla napięć stałych wzmacniacz pracuje jako wtórnik napięcia więc jego wzmocnienie napięciowe K DC jest równe jedności. Stąd wyjściowe napięcie niezrównoważenia wzmacniacza wynosi: K 3. m (9) WYOS DC WEOS 44 Napięcie to powoduje przepływ przez uzwojenie głośnika obciążającego wzmacniacz niewielkiego prądu spoczynkowego. Znając wartości wszystkich rezystancji układu możemy określić rzeczywistą moc maksymalną jaka będzie się wydzielać na obciążeniu wzmacniacza: 3

4 P WY WY L G + 68kΩ 68kΩ 00m + 68kΩ + kω 680Ω 8Ω G WE L WE K.38W G G WE + WE L + 3 Jest to wartość zbyt duża jeżeli chodzi o założenia projektowe. Moc wyjściową obniżymy zmniejszając wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza. I tak dla 3 750Ω maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza będzie równa 0.W. Znając wartość maksymalnej mocy wyjściowej układu możemy na podstawie danych z noty aplikacyjnej (str. 4 rys. ) wyznaczyć wartość napięcia zasilania wzmacniacza. Z wykresu odczytujemy, że dla mocy 0.W napięcie zasilania powinno wynieść około Wartość ta jest większa od typowego zasilania + ale nie przekracza maksymalnej wartości dopuszczalnej +5 (patrz nota aplikacyjna tabela Absolute imum ratings ). Dolna częstotliwość graniczna wzmacniacza dana jest wyrażeniem: f f + f (0) d d d Bieguny f d i f d dane są zależnościami: f d () π ( g + ) C C () f d π3 Aby zapewnić stabilność układu w zakresie małych częstotliwości należy zapewnić odpowiednią separacje pomiędzy biegunami f d<< fd. Dlatego założono, że f d 0f d. Stąd korzystając z zależności (0) otrzymujemy: f (3) d 0fd 0. 04fd fd 6Hz Częstotliwość bieguna f d wynosi fd. 59Hz. Natomiast częstotliwość bieguna f d jest równa fd 0fd 5. 9Hz. Znając częstotliwości poszczególnych biegunów, korzystając z równań () i () możemy wyznaczyć wartości pojemności C i C : C.45µ F.5µ F (4) πf d( g + ) π.59hz ( 68kΩ + kω) C 3.4µ F 5µ F (5) πf π 5.9Hz 750Ω d 3 4

5 Wartości elementów 4 i C 3, C 4, C 5, C 6, C 7, D i D dobieramy zgodnie z zaleceniami producenta (patrz nota aplikacyjna str. 8 Tabela ). I tak 4 Ω, C 7 0nF. Elementy te odpowiadają za stabilność wzmacniacza w zakresie wielkich częstotliwości. Pojemności C 3, C 4 00nF, C 5, C 6 00µF są kondensatorami blokującymi napięcia zasilające wzmacniacz. Jako diody D i D zastosujemy N400. Diody te zabezpieczają wyjście układu TDA 006 przed impulsami wysokonapięciowymi. Wartość górnej częstotliwości układu wyznaczymy mając dane (patrz nota aplikacyjna str. 3 tabela Electrical characteristics ) wzmocnienie napięciowe układu TDA 006 dla otwartej pętli sprzężenia zwrotnego G 75dB ( 563 ) przy częstotliwości khz. Wynika stąd, że pole wzmocnienia wzmacniacza wynosi: B Gf Hz 5. 63MHz (6) Stąd dla wzmocnienia równa: K 39.4dB górna częstotliwość graniczna układu jest B 5.63MHz f g kHz (7) K 0 Wyznaczając parametry radiatora odprowadzającego ciepło ze wzmacniacza TDA 006 można posłużyć danymi zawartymi w nocie aplikacyjnej układu (str. 9 i 0 noty aplikacyjnej). Na stronie 0 producent zaproponował kształt radiatora oraz podał jego wymiary dla różnych mocy wyjściowych wzmacniacza. Gdy chcemy zastosować radiator o innym kształcie aniżeli podany na rys. 3 noty aplikacyjnej musimy obliczyć jego parametry. Na rys. 3 przedstawiono schematycznie sposób wymiany ciepła pomiędzy złączem półprzewodnikowym a otoczeniem, dla wzmacniacza zamontowanego do radiatora. złacze półprz. obudowa radiator otoczenie th(j-c) th(c-r) th(r-a) th(c-a) ys. 3. Schemat wymiany ciepła w układzie chłodzenia elementu aktywnego przymocowanego d radiatora Najważniejszym parametrem jest rezystancja termiczna pomiędzy radiatorem a otoczeniem. ezystancję termiczną pomiędzy radiatorem a otoczeniem wyznaczamy z zależności: 5

6 T T (8) j a Th( r a) Th( j c) Th( c r) PC gdzie: - Th(r-a) jest rezystancją termiczną pomiędzy radiatorem a otoczeniem - T j jest maksymalną temperaturą złącza półprzewodnikowego - T a jest maksymalną temperaturą otoczenia - P C jest mocą traconą na układzie scalonym - Th(j-c) jest rezystancją termiczną pomiędzy złączem a obudową elementu półprzewodnikowego - Th(c-r) jest rezystancją termiczną pomiędzy obudową elementu półprzewodnikowego a radiatorem. Maksymalna temperatura złącza T j jest równa 50 0 C. Z treści zadania wiemy, że maksymalna temperatura otoczenia w jakiej będzie pracował układ jest równa 50 0 C. Maksymalna moc wydzielana na układzie wynosi 0.6W. ezystancja termiczna pomiędzy złączem wzmacniacza a obudową wynosi Th(j-c) 3 0 C/W. ezystancję termiczną pomiędzy obudową elementu półprzewodnikowego a radiatorem ( Th(c-r) ) zależy silnie od sposobu przymocowania elementu do radiatora. Można to zrobić bezpośrednio ale należy pamiętać w tym przypadku, że zazwyczaj obudowa jest połączona z jedną z elektrod elementu. I tak np. dla wzmacniacza TDA 006 obudowa jest połączona z 3 nóżką układu, czyli z ujemnym napięciem zasilania. Jeżeli więc decydujemy się przymocować wzmacniacz bezpośrednio do radiatora musimy pamiętać o tym, że radiator będzie przymocowany do obudowy urządzenia czyli obudowa może być ewentualnie połączona elektrycznie z ujemnym zasilaniem wzmacniacza. Nie stosuje się takich rozwiązań, ponieważ obudowy urządzeń elektronicznych spełniają zazwyczaj funkcję ekranów zapobiegających emitowaniu przez urządzenie zakłóceń radioelektrycznych oraz niwelują wpływ zewnętrznych zakłóceń na pracę urządzenia. Dlatego obudowy urządzeń są łączone z masą znajdującego się wewnątrz układu elektronicznego przez co pomiędzy radiatorem i wzmacniaczem należy zastosować podkładkę izolacyjną, która zapewni jednocześnie dobre przewodnictwo ciepła. ezystancje cieplne pomiędzy obudową elementu półprzewodnikowego a radiatorem, dla różnych podkładek izolacyjnych, możemy wyznaczyć korzystając z Tabeli [3]. 6

7 Tabela. ezystancje termiczne między obudową elementu półprzewodnikowego a radiatorem dla różnych rodzajów podkładek izolacyjnych odzaj styku Th(c-r) Bez podkładki Bez podkładki z dodatku smaru silikonowego Z podkładką z oksydowanego Al.4.5 Z podkładką z oksydowanego Al z dodatkiem smaru silikonowego Z podkładką mikową 40 µm.5 Z podkładką mikową 40 µm z dodatkiem smaru silikonowego Wzmacniacz TDA 006 musi być odizolowany od radiatora, dlatego zostanie on przymocowany poprzez podkładkę mikową 40 µm, posmarowaną obustronnie pastą silikonową. Dla takiego mocowania Th(c-r) C/W. Na rys. 3 występuje dodatkowa rezystancja termiczna pomiędzy obudową wzmacniacza a otoczeniem Th(c-a). eprezentuje ona dodatkowe odprowadzanie ciepła z elementu aktywnego do otoczenia. Zakładając, że wzmacniacz będzie zamontowany do radiatora wewnątrz obudowy, nie będzie bezpośredniego wpływu otoczenia na element więc Th(c-a) 0. Dlatego też ta rezystancja nie jest uwzględniona w zależności (8). I tak, dla podanych wyżej wartości, rezystancja termiczna pomiędzy radiatorem a otoczeniem wynosi Th(r-a) C/W. Gdy radiator będzie wykonany z płaskiego kawałka blachy to jego powierzchnię dla danej rezystancji termicznej możemy wyznaczyć korzystając z zależności: S (9) λ T th( r a) gdzie λ T jest współczynnikiem wymiany ciepła. Wartości λ T dla różnych materiałów podano w Tabeli [3]. Tabela. Wartości współczynnika wymiany ciepła dla popularnych materiałów materiał λ T [W/cm 0 C] miedź aluminium żelazo Stosując w projektowanym wzmacniaczu aluminiowy radiator płaski jego powierzchnia powinna wynosić S 5.3 cm. Takim radiatorem może być odpowiednio duża obudowa wzmacniacza. Zazwyczaj jednak do chłodzenia stosuje się radiatory o bardziej złożonych kształtach. Obliczanie parametrów radiatorów o takiej budowie jest trudne. Dlatego należy opierać się na danych technicznych podawanych przez producentów tych elementów. Znając rezystancję termiczną radiatora wybieramy z katalogu element o wymaganych parametrach. 7

8 Literatura [] Nota aplikacyjna wzmacniacza TDA 006 SGS Thomson Microelectronics [] A. Pralat (red.) Laboratorium kładów Elektronicznych cz. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 998 Wrocław [3] M. Feszczuk Wzmacniacze elektroakustyczne,wkł, Warszawa 986 8