Bestuderen en realiseren van een klasse-D

Bestuderen en realiseren
van een klasse-D versterker
met een studie van
het uitgangsfilter.
Studiegebied
Industriële Wetenschappen en
Technologie
Opleiding
Elektronica
Optie
Ontwerptechnieken
Academiejaar
2005-2006
Eindwerk
Bourgois Dimitri
Bestuderen en realiseren
van een klasse-D versterker
met een studie van
het uitgangsfilter.
Studiegebied
Industriële Wetenschappen en
Technologie
Opleiding
Elektronica
Optie
Ontwerptechnieken
Academiejaar
2005-2006
Eindwerk
Bourgois Dimitri
Woord vooraf
Dit rapport wordt geschreven in het kader van mijn eindwerk als laatstejaars student
Industrieel Ingenieur Elektronica optie ontwerptechniek aan de provinciale industriële
hogeschool te Kortrijk. Dit onder leiding van Dhr.Minjauw. Met dit eindwerk kreeg ik de
kans om mijn theoretische kennis in de praktijk om te zetten.
Graag zou ik nog de mensen willen bedanken die mij tijdens dit project gesteund
hebben in de realisatie van het eindwerk. Eén en ander zou ongetwijfeld niet mogelijk
geweest zijn zonder de raadgevingen en de begeleiding van mijn promotor Dhr
Minjauw. Om een goed eindwerk tot stand te brengen heb je een goed gefundeerde
kennis nodig en daarom wil ik ook het docentenkorps van de PIH bedanken.
Ik dank ook mijn ouders en mijn vriendin die mij de kans en de steun gaven om mijn
opleiding tot een goed einde te brengen.
Bourgois Dimtri,
Ieper, 8 mei 2006.
_____________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse D versterker
II
Inleiding ............................................................................................................................ 1
1
Doelstelling .........................................................................................................2
1.1
Klasse D ...............................................................................................................2
1.2
Filter .....................................................................................................................3
2
Inleiding tot versterkers .....................................................................................4
2.1
Inleiding ................................................................................................................4
2.2
Klasse A ...............................................................................................................5
2.3
Klasse B ...............................................................................................................5
2.4
Klasse AB.............................................................................................................6
2.5
Klasse C ...............................................................................................................7
2.6
Klasse D ...............................................................................................................7
2.7
Klasse E, F, G, H..................................................................................................9
2.7.1
Klasse E ...............................................................................................................9
2.7.2
Klasse F ...............................................................................................................9
2.7.3
Klasse G...............................................................................................................9
2.7.4
Klasse H .............................................................................................................10
2.7.5
Klasse T .............................................................................................................10
3
Klasse D versterker ..........................................................................................11
3.1
Keuze voor klasse D...........................................................................................11
3.2
Werking van de klasse D ....................................................................................11
4
Ontwerp klasse D versterker ...........................................................................15
4.1
Keuze van de componenten ...............................................................................15
4.2
Stuur IC LM4651 ................................................................................................15
4.3
Power IC LM4652...............................................................................................18
4.4
Uitleg bij het schema ..........................................................................................19
4.4.1
Voorversterker ....................................................................................................19
4.4.2
Klasse D versterker ............................................................................................21
4.4.3
De voeding .........................................................................................................25
4.5
Printontwerp .......................................................................................................27
5
De spoel ............................................................................................................28
5.1
Introductie...........................................................................................................28
5.2
Kwaliteitsfactor ...................................................................................................28
5.3
Verzadiging ........................................................................................................29
5.4
Kernmaterialen ...................................................................................................31
5.5
Praktische spoel .................................................................................................37
_____________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse D versterker
III
6
De condensator ................................................................................................52
6.1
Introductie...........................................................................................................52
6.2
ESR....................................................................................................................52
6.3
Dissipatiefactor ...................................................................................................53
6.4
Verschillende diëlectrica .....................................................................................53
6.5
Capaciteitsverandering .......................................................................................55
6.6
Praktische condensator ......................................................................................55
7
Ontwerp van de uitgangsfilter .........................................................................64
7.1
Introductie...........................................................................................................64
7.2
Verschillende filters ............................................................................................64
7.2.1
Inleiding laagdoorlaatfilter ...................................................................................64
7.2.2
RC Laagdoorlaatfilter..........................................................................................64
7.2.3
LC Laagdoorlaatfilter ..........................................................................................66
7.3
Praktische realisatie............................................................................................67
8
Gevolgde strategie ...........................................................................................72
9
Componentenlijst .............................................................................................76
Besluit .............................................................................................................................77
Bibliografie .....................................................................................................................78
Bijlagen ...........................................................................................................................79
_____________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse D versterker
IV
Lijst van de gebruikte figuren:
Figuur 1: Blokschema van een versterker ..........................................................................4
Figuur 2: Klasse A versterker .............................................................................................5
Figuur 3: Klasse B versterker (push pull eindtrap) ..............................................................6
Figuur 4: Klasse AB versterker ...........................................................................................6
Figuur 5: Klasse C versterker .............................................................................................7
Figuur 6: Halve brug uitgang bij klasse D versterker...........................................................8
Figuur 7: Volle brug uitgang bij klasse D versterker ...........................................................8
Figuur 8: Klasse G versterker.............................................................................................9
Figuur 9: Basis klasse D versterker ..................................................................................12
Figuur 10: PWM signaal ...................................................................................................13
Figuur 11: Volle brugschakeling .......................................................................................14
Figuur 12: LM4651 en LM4652.........................................................................................15
Figuur 13: Schema van de voorversterker........................................................................20
Figuur 14: Schema van de klasse D versterker ................................................................23
Figuur 15: Schema van de voeding voor de klasse D versterker ......................................26
Figuur 16: BH-kromme .....................................................................................................30
Figuur 17: Praktische spoel ..............................................................................................37
Figuur 18: Verschillende spoelen .....................................................................................38
Figuur 19: Impedantie curve van de luchtspoel ................................................................40
Figuur 20: Impedantie curve van de zelfgewikkelde spoel ................................................42
Figuur 21: Impedantie curve van de gekochte spoel.........................................................44
Figuur 22: Schema om DC stroom te meten.....................................................................46
Figuur 23: DC stroom door de luchtspoel .........................................................................47
Figuur 24: DC stroom door de zelfgewikkelde spoel.........................................................48
Figuur 25: DC stroom door de gekochte spoel .................................................................49
Figuur 26: Verandering van de inductie in functie van de stroom......................................51
Figuur 27: Praktische condensator ...................................................................................56
Figuur 28: Verschillende condensatoren ..........................................................................57
Figuur 29: Impedantie curve van de elektrolytische condensator......................................58
Figuur 30: Impedantie curve van de polipropyleen condensator .......................................60
Figuur 31: Impedantie curve van de polyester condensator..............................................62
Figuur 32: RC filter ...........................................................................................................64
Figuur 33: Actief RC filter .................................................................................................65
Figuur 34: LC filter............................................................................................................66
_____________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse D versterker
V
Inleiding
In het begin van het academie jaar en in samenspraak met mijn promotor zijn we tot de
beslissing gekomen om een studie en realisatie van een klasse D versterker te maken.
Enerzijds bestaat dit eindwerk uit de realisatie van een klasse D versterker, anderzijds
ook uit een studie van deze versterker. Ook kreeg ik de opdracht dat de versterker een
minimum vermogen van 100W moest kunnen leveren en dat het geheel met een stuur
IC moest gemaakt worden. Het project moest niet low-cost blijven. Omdat er veel
verschillende spoelen en condensatoren zijn werd de opdracht beperkt tot het gebruik
van drie spoelen en drie condensatoren. Met deze informatie ben ik mijn zoektocht
begonnen om dit project te realiseren. Verder in deze scriptie komt u stap voor stap te
weten welke moeilijkheden ik ondervonden heb, maar ook de oplossingen om tot het
eindresultaat te komen.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
1
1
Doelstelling
Het doel van dit eindwerk is om een goede klasse D versterker te maken met
bijpassend uitgangsfilter. Deze moet dus een goede geluidsweergave hebben en een
vermogen kunnen leveren van minimum 100 watt.
Om dit doel te bereiken zal in een eerste fase een klasse D versterker gebouwd
worden, gebaseerd op een betrouwbare technologie. In een tweede fase worden alle
aspecten in verband met de uitgangsfilter in detail bestudeerd en worden er
verschillende filters getest.
1.1
Klasse D
Daar de opdracht was om met een stuur IC te werken ben werd er gezocht naar wat er
allemaal op de markt verkrijgbaar was. Uiteindelijk is de keuze gevallen op twee IC’s
van National Semiconductor, deze zijn de LM4651 en de LM4652. Waarom de keuze is
gevallen op deze IC’s is vrij eenvoudig. De IC’s zijn zeer vlot verkrijgbaar in de handel
en worden nog volop geleverd. Het uitgangsvermogen van deze versterker is 170 watt
die voor deze applicatie ruim voldoende is. Wat een bijkomend voordeel is dat deze
IC’s door National Semiconductor al op elkaar afgesteld zijn wat dus zeker tot een
goed resultaat moet leiden. Ook de prijs kwaliteitverhouding is zeer goed. Deze
versterker kan je zeer goedkoop gaan maken en toch een zeer goed geluidsresultaat
hebben.
De LM4651 zal het gewenste PWM signaal gaan leveren. De LM4652 is een H-brug
vermogen IC waar dan het uitgangssignaal verkregen wordt. Meer uitleg over de
werking van deze IC’s zal verder terug te vinden zijn in deze scriptie.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
2
1.2
Filter
Van het uitgangsfilter moet er een studie gemaakt worden. Daar er gewerkt wordt met
een LC filter is dit geheel sterk afhankelijk van de frequenties. De filter zal dus andere
eigenschappen hebben bij lagere frequenties dan bij hoge frequenties. Ook bestaan er
verschillende spoelen en kernmaterialen, elk met hun eigenschappen. Ook bij de
condensatoren is er een grote keuze aan soorten diëlectrica. Door het bestuderen en
simuleren van de verschillende componenten kan er te weten gekomen worden welke
spoel en condensator het best zijn voor een bepaalde toepassing. Op papier zijn het
allemaal spoelen en condensatoren, in werkelijkheid zorgen, saturatie, parasitaire
capaciteiten, parasitaire zelfinducties en parasitaire weerstanden er voor dat het filter
niet zo goed functioneert als in de simulatie. Door hiermee rekening te houden kan er
dan een goed filter ontworpen worden voor de beste performantie van de versterker.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
3
2
Inleiding tot versterkers
2.1 Inleiding
Om van een gewoon muziek signaal over te gaan naar een goed hoorbaar
uitgangssignaal voor een luidspreker moet een versterker gebruikt worden. Als het
signaal slechts lichtjes versterkt moet worden, dan wordt gebruik gemaakt van een
voorversterker. Deze voorversterker wordt niet gebruikt om luidsprekers aan te sturen.
Indien een grotere versterking nodig is zal men gebruik moeten maken van een
vermogenversterker. Iedere versterker kan symbolisch voorgesteld worden zoals in
figuur 1.
Figuur 1: Blokschema van een versterker
Aan de ingangsklemmen A en B wordt een ingangssignaal Ui gelegd, zo gaat er in de
ingangskring een stroom Ii vloeien. Voor goede versterkers is de ingangsimpedantie
hoog en is de ingangsstroom dus klein en meestal zelfs verwaarloosbaar. Bij een
goede versterker zal er op de uitgang een versterkt signaal Uu komen. Hierbij zal de
uitgang van de versterker zich gedragen als een bijna ideale spanningsbron. Hierdoor
kan er een stroom Iu vloeien door de belasting Rb. Het ingangssignaal zal dus
versterkt terug te vinden zijn op de uitgang. Het vermogen dat aan de ingang
toegevoerd is Pi en het vermogen aan de uitgang is Pu. Dankzij het door de voeding
bijgeleverde vermogen, is het mogelijk om Pu groter dan Pi te maken.
In de praktijk bestaan er verschillende soorten versterkers, deze elk met hun eigen
parameters en voor en nadelen. Om het verschil te weten van de versterkers zijn deze
ingedeeld in verschillende klasse’s. Om een goed overzicht te zien van de
verschillende klasse’s wordt eerst een korte beschrijving gegeven van wat hun
specifieke kenmerken zijn. De klasse’s stellen voor waar de transistor of mosfet
ingesteld staat op de Ic en Vce grafiek. In de schema’s wordt meestal Vcc gebruikt als
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
4
voeding voor bipolaire transistoren. Als gewerkt wordt met mosfets, dan zal dit niet Vcc
meer zijn, maar Vdd.
2.2 Klasse A versterker:
De klasse A versterker zoals weergegeven in figuur 2 kan opgebouwd worden door
één simpele transistor. In deze klasse vloeit de stroom gedurende de volledige periode
van het signaal. Dit heeft als gevolg dat er geen cross-over vervorming is en dat er een
goede lineariteit is. Echter vergt dit principe veel vermogen omdat de transistor een
volledige cyclus moet geleiden, zodat een zeer laag rendement het gevolg is (< 50%).
Het lage rendement is ook het gevolg doordat waneer er geen ingangssignaal
aanwezig is er toch al een zekere stroom door de collector vloeit.
Deze versterker wordt toegepast voor zeer kleine vermogens.
Figuur 2: Klasse A versterker
2.3 Klasse B versterker:
De klasse B versterker wordt opgebouwd met 2 transistoren die afwisselend een deel
van de periode voor zich nemen. De ene zal de positieve alternatie geleiden, de
andere zal de negatieve geleiden. Deze wordt ook wel de push-pull eindtrap genoemd
zoals te zien in figuur 3. Er is wel een nadeel aan deze schakeling. Bij overgang van
het geleiden van de ene transistor naar de andere transistor is er een vervorming op
het uitgangssignaal, dit is een soort dode zone, ook wel sperzone genoemd. De
vervorming die hier verkregen wordt is cross-over. Wat wel een groot voordeel is, is dat
het rendement gestegen is tot een 60% à 70%. Het rendement is nog niet overdreven
maar toch al beter. De klasse B wordt hoofdzakelijk gebruikt voor PA en versterkers
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
5
met groot vermogen, waar de cross-oververvorming (1.4V) relatief klein is gezien de
hoge spanningen van het uitgangssignaal (vb: >70V).
Figuur 3: Klasse B versterker (push pull eindtrap)
2.4 Klasse AB versterker:
Deze klasse is een samenstelling van een klasse A en een klasse B. Er wordt
gestreefd om het instelpunt tussen dit van een klasse A en een klasse B te leggen. De
methode hierachter is dat je voor kleine signalen werkt in klasse A omdat de lineariteit
daar goed is. Voor grotere signalen wordt het instelpunt verschoven naar klasse B.
Anders zijn de parameters ongeveer hetzelfde. Er is nog steeds cross-over vervorming,
maar dit kan weggewerkt worden door in het schema wat te wijzigen. Zoals te zien op
figuur 4 kan door het toevoegen van twee diodes die continu in geleiding zijn de 1,4V
cross-over weggewerkt worden. Het typische rendement van een klasse AB versterker
ligt rond een 75%. Deze versterker wordt het meest gebruikt in de gewone home audio
installaties.
Figuur 4: Klasse AB versterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
6
2.5 Klasse C versterker:
Deze klasse werkt met een resonantie kring zoals te zien in figuur 5. Deze wordt veel
gebruikt bij frequentie vermenigvuldigers, dus waar hoogfrequent trappen nodig zijn.
De schakeling bestaat uit één transistor die gedurende een korte tijd van een halve
periode in geleiding wordt gestuurd. Zo komt op de uitgang als het ware een puls
terecht. De trillingskring zorgt er voor dat deze piek omgezet wordt naar een bruikbaar
sinussignaal. Hoe korter de puls is, hoe efficiënter de schakeling werkt. Dit principe
heeft een rendement van ongeveer 75% wat al zeer positief is. Deze versterker wordt
niet gebruikt voor audio toepassingen.
Figuur 5: Klasse C versterker
2.6 Klasse D versterker:
Deze klasse werkt met twee of vier transistoren. Het verschil van deze schakeling bij
de andere schakelingen is dat hier de transistoren maximaal uitgestuurd worden. Dus
worden ze ofwel helemaal ‘in’ geschakeld, of helemaal ‘uit’ geschakeld. De aansturing
ligt echter wat moeilijker omdat er in pulsbreedte gemoduleerd wordt. Ook vergt de
uitgang een speciale uitgangsfilter om het gewenste muzieksignaal te reconstrueren.
Het grote voordeel van deze versterker is dat er een zeer groot rendement kan gehaald
worden, tot een goede 95% rendement wat uiteraard uitstekend is. Deze versterker
wordt het meest gebruikt voor car-audio en voor zwaardere bass versterkers. De
versterker maakt ook het meeste gebruik van mosfets in plaats van transistoren, dit
omdat mosfets een hoger rendement hebben dan bipolaire transistoren en dat ze ook
sneller schakelen dan een gewone transistor. Daar de uitgang ofwel ‘aan’ of ‘uit’
gestuurd wordt komt aan de uitgang een blokgolf signaal. Om daar het muziek signaal
uit te halen moet dit gebeuren door filteren van het uitgangssignaal. Hiervoor wordt met
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
7
een LC filter gewerkt. Een eenvoudige uitgangstrap met bijhorend LC filter kan gezien
worden in figuur 6, dit wordt ook wel de halve brug genoemd.
Figuur 6: Halve brug uitgang bij klasse D versterker
Indien het vermogen opgedreven moet worden en dus verdubbelen moet gebruik
worden gemaakt van een volle brug schakeling. Deze wordt ook wel de H-brug
genoemd zoals in figuur 7.
Figuur 7: Volle brug uitgang bij klasse D versterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
8
2.7 Klasse E, F, G, H, T versterkers:
De volgende soorten zijn nog andere verschillende klasse’s die soms gebruikt worden
maar nog niet echt gecommercialiseerd zijn. Ze zijn gewoon enkele varianten en
uitbreidingen op al de vorig besproken versterkers. Hieronder volgt een beknopt
overzicht van wat er bedoeld wordt en wat veranderd hoeft te worden aan het schema.
2.7.1. Klasse E
De klasse E is een aanpassing op de klasse D versterker. Bij de klasse D moet er in
praktijk nog rekening gehouden worden met de parasitaire capaciteiten van de mosfets
of transistoren. Bij de klasse E wordt dit weggewerkt door aan de uitgang een extra
trillingskring te plaatsen zodat de parasitaire capaciteit opgegeven wordt. Deze
versterker heeft dan nog een iets beter rendement dan de klasse D, maar dat zal zo
goed als niets schelen. Het zal van een 95% naar een 96% gaan.
2.7.2. Klasse F
De klasse F is een uitbreiding op de klasse C versterker door er nog een extra
trillingskring bij te steken. Hierdoor kan er nog meer energie aan de uitgang
toegevoegd worden. Het komt doordat er een extra frequentie uitgefilterd wordt en op
de uitgang bijgeplaatst wordt.
2.7.3. Klasse G
De klasse G versterker zoals in figuur 8 is een variant op de klasse B schakeling, deze
versterker werkt met een voeding die constant mee varieert met de uitgangsspanning.
Deze methode wordt toegepast om het spanningverlies in de transistoren te
verminderen.
Figuur 8: Klasse G versterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
9
2.7.4. Klasse H
De klasse H versterker is ongeveer hetzelfde als de klasse G versterker, maar waar de
klasse G iets mee had van de klasse B heeft deze klasse H nu iets mee van de klasse
AB.
2.7.5. Klasse T
Een klasse T versterker is een versterker die gelijkaardig is aan een klasse D
versterker. Deze werd ontwikkeld door Tripath. Het verschil zit erin dat er hier gebruik
wordt gemaakt van digitaal signaal verwerking waardoor de vervorming nog
verminderd wordt. Er zijn verschillende merken die deze technologie gebruiken in
verschillende toepassing. Een voorbeeld hiervan is Sony die dit in verschillende auto
versterkers en ook voor home-cinema systemen toepast.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
10
3
Klasse D versterker
3.1 Keuze voor klasse D
Hier zal nu duidelijk gemaakt worden waarom de keuze gevallen is op een klasse D
versterker. Hoofdzakelijk is het omwille van de verschillende moeilijkheidsgraden in het
schema en omdat het iets totaal nieuw is om zelf te ontwikkelen. Meestal worden er
klasse AB versterkers gemaakt.
Een bijkomende zaak die de keuze bevorderd is dat er normaal een rendement kan
gehaald worden van ongeveer 95% wat zeer hoog is, dus bijna al het vermogen dat er
in gestoken wordt, moet er ook weer uit komen als audio.
De verschillende moeilijkheden bij het schema:
Ingangssignaal moet pulsbreedte gemoduleerd worden.
Er wordt gewerkt met frequenties van 50khz – 300 khz.
Door deze frequenties is het ook niet vrij simpel om een goede uitgangsfilter te
ontwikkelen.
De uitgang van de versterker moet een groot vermogen kunnen leveren dus
moet er een brug schakeling gemaakt worden die voldoende stroom kan
leveren.
Het gebruik van een driver IC zal noodzakelijk worden om toch een degelijke
bewerking te kunnen hebben van ons muzieksignaal.
…
Nu de keuze gemaakt is wordt de werking van de klasse D wat meer uit de doeken
gedaan.
3.2 Werking van de klasse D
Een klasse D versterker is een versterker gebaseerd op een LC uitgangskring. Deze is
uitgerust met twee of vier tansistoren of mosfets die werken als schakelende
elementen. Het voordeel om de transistoren te gebruiken als schakelende elementen is
dat ze bijna geen vermogen kunnen dissiperen: ofwel staat er spanning over
(schakelaar open) ofwel vloeit er stroom door (schakelaar gesloten), maar er staat
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
11
nooit spanning over wanneer er stroom door vloeit. Een bijkomend voordeel is dat er
minder vermogen moet gevraagd worden van de voeding en dat de koelvinnen ook
verkleind kunnen worden.
De “D” van de klasse D wordt soms gebruikt als afkorting voor digitaal, maar dit is
echter fout, omdat het geheel nog altijd op analoge principes werkt.
Het schema van figuur 9 wordt eerst eens uit de doeken gedaan. Er is een
symmetrische voeding aanwezig, dus er is een V+ en een V-. Het schema bestaat uit
een comparator die 2 vermogen MOSFET’s stuurt die enkel aan of uit gaan. Op de
comparator zijn er 2 ingangen. Één is er om een zaagtand signaal aan te leggen, de
andere is er om het muzieksignaal aan te leggen. Aan de uitgang van de comparator
wordt dan eens een positief of negatief signaal Vc verkregen.
Figuur 9: Basis klasse D versterker
Aan de comparator zijn er nu 2 mogelijkheden:
Vs > Vt Vc = negatief
Vs < Vt Vc = positief
De spanning die op Vc verkregen is wordt gebruikt om de mosfets uit te sturen.
Als Vc positief is, kan M2 geleiden en M1 sperren. Hierdoor wordt Vo’ = V-.
Anderzijds als Vc negatief is, zal M1 geleiden en M2 sperren. Hierdoor wordt Vo’ = V+.
In werkelijkheid is er een klein spanningverlies over de geleidende MOSFET zodat Vo’
net niet V+ of V- zal zijn. Doordat het verlies klein is en de voeding meestaal hoog
genoeg kan dit spanningsverlies verwaarloosd worden.
Op de uitgang staat een laagdoorlaat filter die bestaat uit L1 en C1, deze filter is er om
de lage frequenties van Vo’ door te laten naar de luidspreker. Deze onderdrukt ook de
harmonischen van de schakelfrequentie.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
12
Ook zal er nog een klein kringetje zijn die bestaat uit R1 en C2, dit gedeelte is er om de
spoel van de luidspreker te compenseren zodat op hoge frequenties de uitgang toch
een resistieve belasting ziet.
Vervolgens wordt het pulsbreedte gemoduleerd (PWM) signaal bekeken. Zoals te zien
in figuur 10 is als voorbeeld een sinus fs van 1kHz en een zaagtand ft van 20kHz
genomen. De comparator vergelijkt beide signalen met elkaar en zet dan de uitgang
hoog of laag. Als de spanning van het laagfrequente audiosignaal groter is dan de
zaagtand, dan wordt de uitgang hoog, wordt de sinus kleiner dan de zaagtand, dan
wordt de uitgang laag.
Figuur 10: PWM signaal
De versterking van de schakeling is als volgt:
Av
Vop
Vtp
De uitgang na de mosfets is dus ook een blokgolf die in pulsbreedte gemoduleerd is.
Daar er naar de belasting toe een sinus gewenst is moet dit blokgolf signaal gefilterd
worden met een LC filter. Meer uitleg rond dit uitgangsfilter zal later nog volgen in een
verdere uitwerking van de versterker.
Omdat een hoog uitgangsvermogen gewenst is zou een schakeling met twee mosfets
niet genoeg zijn. Daarom wordt gebruik gemaakt van een brugschakeling zoals in
figuur 11.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
13
Figuur 11: Volle brugschakeling
Het voordeel van een brugschakeling is het uitgangsvermogen verhogen zonder de
voedingsspanning aan te passen. Waar erop moet gelet worden is dat beide bruggen
in tegen fase aangestuurd moeten worden, dit om ervoor te zorgen dat er een stroom
door de belasting kan gaan. Dit wil zeggen dat dus M1 en M4 moeten samenwerken of
M2 en M3 moeten samenwerken. Een bijkomend doel van bruggen ook wel bridgen
genaamd is om een versterker die ontworpen is voor een vier ohm belasting toch zijn
volledig vermogen te kunnen laten ontwikkelen in een acht ohm belasting.
Waar er ook nog rekening hoeft mee gehouden te worden is dat een klasse D
versterker elektromagnetische storing veroorzaakt. Door de hoge schakel frequenties
kan het de andere rand elektronica gaan storen. Daarom moet ervoor gezorgd worden
dat de versterker goed afgeschermd is. Deze moet ook goed geaard zijn zodanig dat
de schakel harmonischen niet kunnen doorkomen naar buiten toe. Ook om dit alles
tegen te gaan kan aan iedere ingang en uitgang laagdoorlaat, common mode filters
geplaatst worden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
14
4
Ontwerp van de klasse D versterker
4.1 Keuze van de componenten
Daar er gewenst was om te werken met een driver IC die van een sinus muziek signaal
een PWM signaal maakt is de keuze gevallen op de LM4651 en LM4652 zoals te zien
in figuur 12. Deze twee IC’s zijn qua gebruik op elkaar afgestemd. Het ene IC zorgt
voor alle sturingen terwijl het andere IC puur de brug voorstelt. Tijdens het ontwerp
moet rekening gehouden worden met verschillende zaken zodat het concept zeer goed
kan werken.
Figuur 12: LM4651 en LM4652
Er zal gezien worden dat de combinatie van beide IC’s een zeer goede keuze zal zijn.
Dit omdat er zeer veel beveiligingen op de IC’s zitten. Ook kan het geheel een
vermogen van 170W leveren op 4 ohm wat al een zeer behoorlijk resultaat is. Deze
IC’s kunnen bijvoorbeeld toegepast worden in actieve luidsprekers.
4.2 Stuur IC LM4651
De LM4651 is een volledig geïntegreerde puls breedte modulator IC. Het heeft ook een
kortsluitbeveiliging, een over modulatie beveiliging en een thermische beveiliging aan
boord. Wat ook zeer handig is, is de stand-by functie die het IC zelf aan boord heeft.
Het IC heeft een symmetrische voedingspanning nodig van een 20 tal volt. De
schakelfrequentie kan ingesteld worden tussen 65khz en 200 kHz. Dit is ruim
voldoende voor de gewenste toepassing.
Vooraleer te beginnen met het volledige ontwerp zullen alle functies van het IC eens
uitgelegd worden, hierdoor kan gezien worden dat dit IC zeer veel kan en dus een
goede IC is om te gebruiken.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
15
Pulsbreedte modulator:
Hier wordt het inkomend audio signaal vergeleken met een zaagtand spanning die een
veel hogere frequentie heeft. Deze hogere frequentie zal ingesteld kunnen worden
tussen 65kHz en 200kHz. De comparator vergelijkt beide spanningen en hierdoor
wordt een variërende duty-cycle verkregen en dus ook een variërende blokgolf.
Stand-by
Deze functie is om het signaal aan de uitgang af te kunnen schakelen. Dit gebeurt door
het pulsbreedte gemoduleerd signaal uit te schakelen. Doordat het signaal
uitgeschakeld wordt is er dus een groot voordeel dat het signaal volledig onderdrukt is,
dus er komt totaal niets meer door. Een bijkomend voordeel is dat er ook geen ruis op
de uitgang komt, dit omdat de modulatie gestopt wordt.
Undervoltage lockout
Deze beveiliging zorgt ervoor dat de mosfets niet ingeschakeld worden met een te lage
gate source spanning. Een te lage gate source spanning heeft als resultaat dat de
mosfets zich niet gedragen als een gesloten schakelaar, waardoor ze veel vermogen
dissiperen met defecte mosfets tot gevolg.
Soft start circuit
De soft start zorgt ervoor dat wanneer de versterker ingeschakeld wordt de uitgang pas
na een zekere tijd ingeschakeld wordt. Het is om de belasting te beschermen bij het
inschakelen leggen van de versterker. Als de versterker ingeschakeld wordt kunnen
zeer grote oplaadstromen ontstaan die veel groter kunnen zijn dan de gewone normale
stroom aan de uitgang. Als deze stromen direct zouden doorkomen op de uitgang dan
zou dit de belasting kunnen beschadigen. Meestal is dit in de praktijk bekend als de
antiplop functie.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
16
Kortsluiting beveiliging
Hier is dit veruit één van de beste en belangrijkste beveiligingen. Doordat de LM4652
een 10 ampère kan leveren zal wanneer de stroom hoger wordt dan die 10 ampère de
kortsluitbeveiliging in werking treden. Deze zal er dan voor zorgen dat de mosfet’s
uitgeschakeld worden. Dit heeft als gevolg dat de muziek niet meer doorkomt maar als
grote voordeel dat de uitgangstrap niet beschadigd wordt.
Thermische beveiliging
Deze beveiliging treedt in werking wanneer de junctie temperatuur van de LM4652 te
hoog wordt. Dit is bij een temperatuur van ongeveer 150°C. De LM4652 heeft een
inwendige temperatuur sensor zitten. Hierdoor kan deze weten wanneer de
temperatuur te hoog wordt, en kan het IC dan een signaal sturen naar de LM4651 die
er dan voor zorgt dat de uitgang uitgeschakeld wordt.
Dode tijd instelling
Hiermee wordt de dode tijd voor de mosfets’s ingesteld. Deze tijd is deze die er is
tussen het uitschakelen van een paar mosfet’s en het inschakelen van het andere paar
mosfet’s. Deze beveiliging is noodzakelijk omdat anders de mosfet’s samen zouden in
geleiding kunnen komen en dit een kortsluiting als gevolg zou hebben.
Oscillator
Hier kan door het regelen van een potentiometer bepaald worden wat de PWM
frequentie moet zijn. De instelling kan gebeuren tussen een 65kHz tot een 200 kHz.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
17
Overmodulatie beveiliging
Hier wordt ervoor gezorgd dat wanneer de ingang een te hoog signaal heeft het PWM
signaal toch behouden kan blijven. Als het signaal te hoog wordt zou zogezegd het
PWM signaal een lange tijd op laag of hoog blijven. Dit zorgt ervoor dat er een paar
mosfet’s geheel de tijd moet blijven geleiden en dit mag echter niet gebeuren. De
oplossing hiervoor is de overmodulatie beveiliging. De high side mosfets worden
aangestuurd met de high side drivers. Parallel aan de gate source van de bovenste
mosfets wordt een condensator geplaatst die opgeladen is tot 12V. Als de bovenste
mosfet lange tijd moet geleiden kan deze condensator ontladen door de lekstroom van
de bootstrap diode. Hierdoor daalt de gate source spanning van de bovenste mosfet
waardoor de mosfet zich niet meer gedraagt als een gesloten schakelaar. Dit resulteert
dan in mosfets die stuk gaan zoals gezien is bij undervoltage lockout. Wanneer de
bovenste mosfet toch uitgeschakeld wordt, wordt de 100nF condensator terug
opgeladen. Vandaar dat de bovenste mosfet af en toe moet uitgeschakeld worden om
toch een goede werking te hebben van de brug en zo ervoor te zorgen dat er geen
mosfets stuk gaan.
Interne spanningsregelaar
Het IC heeft een aantal interne spanningsregelaars zitten. Zo is er bijvoorbeeld één
van +6V en – 6V. Deze spanning wordt gebruikt voor bijvoorbeeld de stand-by functie
te activeren. Dit is zeer handig omdat er dan op de print geen extra voeding hoeft te
worden voorzien.
4.3 Power IC LM4652
De LM4652 is een vol geïntegreerde vermogen mosfet H-brug in een compacte
behuizing. Het heeft een temperatuur sensor zitten om de LM4651 te alarmeren indien
deze te warm krijgt. De uitgang van dit IC kan een 10 tal ampères leveren wat voor de
gewenste toepassing ruim voldoende is. De functies hoeven hier niet echt verder uit de
doeken te worden gedaan daar ze al bij de LM4651 uitgelegd werden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
18
4.4 Uitleg bij het schema
Nu er geweten is wat beide IC’s allemaal in zich hebben kan er begonnen worden met
het realiseren van de versterker.
Het standaard ontwerp uit de datasheet werd gebruikt als basisconcept, bepaalde
componentwaarden zijn echter aangepast om aan onze eigen eisen te voldoen.
Ook een voorbeeldschema was aanwezig om een versterker te realiseren die voor het
gehele audio gebied van toepassing was. Hier wordt nu stap voor stap het schema
uitgelegd en de berekeningen voor de verschillende componenten uit de doeken
gedaan.
4.4.1. Voorversterker
In figuur 13 wordt het schema van de voorversterker weergegeven. Deze versterker is
nodig om het binnenkomend audio signaal voldoende te versterken. Het audiosignaal
is normaal 1,4Vptp. Door dit kleine signaal al wat te versterken met een voorversterker
is er nu een spanning van een 14Vptp. Het gebruik van de voorversterker is handig
omdat hierdoor verschillende bronnen van verschillende sterkte aangesloten kunnen
worden. Het uitgangssignaal van de voorversterker wordt dan aan de echte ingang van
de vermogen versterker gehangen. Hierdoor ziet de vermogen versterker altijd
dezelfde impedantie. De versterking van dit geheel is als volgt:
Av
R5
R4
10 K
1K
10
Het stuk voor de versterker is een tweede orde laagdoorlaatfilter. De reden voor een
ingangsfilter op een versterker is de bandbreedte van het ingangssignaal beperken.
Storingen die van de uitgang van de klasse D versterker zelf afkomstig zijn zouden
zonder ingangsfilter ook weer op de audio ingang van de klasse D versterker kunnen
verschijnen, dat komt omdat de storingen inwerken op de audiokabel aan de ingang.
Bijgevolg is er een ongewenste terugkoppeling van de uitgang naar de ingang. Elke
ongewenste en ongecontroleerde terugkoppeling moet vermeden worden omdat deze
kunnen leiden tot oscillatie van de versterker.
De aanwezige potentiometer werkt als volumeregeling. De zenerdiodes voorzien de
dual-opamp van een 12V voedingsspanning.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
19
Figuur 13: Schema van de voorversterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
20
4.4.2. Klasse D versterker
Eerst zal het linker deel van het schema uit figuur 14 uitgelegd worden. Het stuur IC
LM4651 valt direct op. Dit IC heeft dus enkel randcomponenten nodig om tot het
gewenste resultaat te komen.
Stand-by
Om de stand-by te activeren moet er op deze pin een spanning aangelegd worden.
Deze spanning wordt genomen van de +6V die aanwezig is van het IC. Indien er 0V op
die klem staat wordt er PWM modulatie gedaan. Het schakelen tussen beide kan
eenvoudig weg met een wisselschakelaar.
Soft start circuit
C23 wordt gebruikt om het Soft start circuit te laten werken. Door deze waarde te
veranderen zal de tijd veranderen. De tijd kan als volgt berekend worden:
t start (8,4 .10 4 ) . C 23 (8,4 .10 4 ) .1,5 µF
0,126 sec
Dus met een waarde van 1,5µF resulteert dit in een 126msec uit. Dit is dus ruim
voldoende. In mijn concept is er 1µF genomen omdat dit nog steeds ruim voldoende
zal zijn en dus nog iets sneller zal werken, mijn optart tijd ligt dus op 84msec.
Kortsluiting beveiliging
De brug is intern gelimiteerd op minimum 10A. Indien er een extra weerstand
aangesloten wordt kan deze stroom verhoogd worden. Dit kan als volgt berekend
worden:
I SCKT 1.10 5 / (10 K // R9) 1.10 5 / (10 K // 39 K ) 12,56 A
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
21
In deze applicatie is er nog effectief een muziekvermogen van 10A gewenst. Dit mag
dus nog niet als kortsluiting aanzien worden. Hierdoor moet de kortsluitstroom hoger
liggen en dit kan door een weerstand toe te voegen van 39k. De bekomen
kortsluitstroom is dan 12,56A.
Dode tijd instelling
De dode tijd van de mosfet’s wordt ook ingesteld. Dit kan als volgt berekend worden:
TDLY 1,7.10
12
. (500 R8 ) 1,7.10
12
. (500 5,1K ) 9,52 ns
De dode tijd is met deze weerstand ingesteld op ongeveer een 10 ns. Dit is voldoende
om de mosfet’s van de LM4562 de tijd te geven om aan en uit te schakelen.
Oscillator
Met de potentiometer P1 kan de PWM frequentie ingesteld worden. De frequentie kan
als volgt berekend worden:
f OSC 1.10 9 / (4000 P1 ) 1.10 9 / (4000 20 K ) 41,6kHz
De potentiometer is vervangen door een 10K. Dit omdat de frequentie dan hoger gezet
wordt en de kwaliteit van de versterker dan ook verbeterd. Hoe hoger de
schakelfrequentie, hoe beter en nauwkeuriger het signaal gemoduleerd zal worden.
Uiteraard zal er opgelet moeten worden met de frequenties van het LC filter aan de
uitgang, want daar kan het zijn dat het filter zich anders gaat gedragen. Dit zal verder
bekeken worden in het hoofdstuk van de uitgangsfilter. Echter mag de frequentie ook
niet te hoog liggen want dan kan de blokgolf aan de uitgang vervormen. Dit omdat de
periode van de PWM verkleint maar de schakeltijd van de mosfets niet. Door dit
vervormen is de gemiddelde waarde van de blokgolf niet meer correct en is er een
vervorming aan de uitgang.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
22
Andere componenten
De combinatie van de weerstanden R10, R11 en R12 samen met capaciteit C17
vormen de ingangsfilter en de verschilversterker. Deze zorgt ervoor dat het
teruggekoppelde signaal vergeleken wordt met het toegevoerde signaal. Deze
terugkoppeling dient om vervorming te verminderen. De filter is een laagdoorlaatfilter
om ervoor te zorgen dat al aanwezige hoogfrequentie componenten, bijvoorbeeld
schakelruis, weggewerkt zal worden.
De andere componenten die nog overblijven zijn hoofdzakelijk capaciteiten. Als dit
bekeken wordt staan deze meestal in verbinding met de voeding. Deze dienen dus om
de voedingen voldoende te ontkoppelen en storingen weg te werken.
Figuur 14: Schema van de klasse D versterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
23
Aan de rechterzijde van het schema in figuur 14 kan de LM4652 teruggevonden
worden. Dit is de vermogentrap van de versterker.
Opnieuw zijn er de condensatoren die de voeding ontkoppelen en de storingen weg
werken. Uit deze elco’s worden dan ook de piekstromen gehaald om de stroom aan de
uitgang te kunnen leveren.
Ook kunnen de terugkoppelnetwerkjes terug gevonden worden. Deze staan er om
ervoor te zorgen dat een constante versterking verkregen wordt op de uitgang en dat
deze niet vervormd wordt. Door terug te koppelen is er geweten hoeveel er op de
uitgang aanwezig is en is er geweten als er moet bijgestuurd worden of als de
spanning op de uitgang goed is.
Parallel op de mosfet’s staan er nog vrijloopdiodes. Deze zijn van het schottky type.
Deze zorgen ervoor dat de reverse recovery tijd van de interne dioden van de mosfets
niet voor problemen zouden zorgen omdat deze traag zijn. Een schottky diode wordt
gebruikt omdat deze sneller zijn dan een gewone diode en omdat ze een lagere
voorwaartse spanning hebben. Ze kunnen echter wel minder zware stromen doorstaan
dan gewone diodes, maar voor onze applicatie zijn ze nog ruim voldoende.
Helemaal aan de rechterzijde is een connector te zien. Hier moet dan de uitgangsfilter
aangesloten worden. Dit filter is niet rechtstreeks voorzien op de print omdat daar nog
een aparte studie moest gemaakt worden van verschillende filters. Zo bestaat er een
mogelijkheid om de verschillende filters aan te sluiten op de uitgang en zien welkeen
het best past. Als het filter daar aangesloten wordt moet dit met zo kort mogelijke
draden gebeuren omdat er daar met een hoge schakelfrequentie gewerkt wordt. Dit
zou er anders voor zorgen dat er storingen verkregen worden in het systeem.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
24
4.4.3. De voeding
Er is een spanning van + en – 17VDC gewenst. Deze spanning is een zeer lage
waarde in verhouding met bijvoorbeeld een klasse AB versterker voor hetzelfde
vermogen en dezelfde belasting. Deze wensen soms spanningen tot een 70V.
Omdat een groot vermogen nodig is moet er een grote stroom geleverd kunnen
worden uit de voeding, hierdoor zullen de transfo’s dus voldoende zwaar moeten zijn.
Berekenen van de stroom:
P U . I en U
I .R
P I2 .R
I
P
R
170W
4
10,6 A
Er kan gezien worden dat er dus een stroom van 10,6A uit de voeding moet kunnen
geleverd worden aan de klasse D versterker. De transfo’s voor deze voeding moeten
dus goed gekozen worden zodat deze een voldoende RMS stroom kunnen leveren.
Door simulaties door te voeren zodat de uitgang continu 10,6 A levert gaf dit een
resultaat van 21,6A RMS door de transfo. Omdat deze maar gedurende de helft van de
tijd geleverd wordt, mag gezegd worden dat dit maar 10,8 A RMS is. Hierdoor kunnen
de transfo’s berekend worden:
21,6 A
.17V 183.6VA
2
Omdat er gewenst was om te werken met één brug voor de spanningen te realiseren
moest er een middenaftakking gemaakt worden bij de transfo’s zoals te zien in figuur
15. Dit vormt dan het massapunt.
Om vervolgens het geheel af te vlakken moesten er nog twee elco’s geplaatst worden.
De keuze van waarde is liefst zo groot mogelijk om er zo voor te zorgen dat indien een
stroompiek gewenst is, de nodige lading geleverd kan worden door die elco’s. Zo wordt
de stroom niet uit de transfo’s getrokken maar uit de elco’s. De elco’s spelen een rol
als energie verzamelaar. Deze worden opgeladen met de nodige lading en als dan veel
lading nodig is kan deze rechtstreeks uit de elco’s gehaald worden. De waarde voor de
elco’ worden ook uit de simulaties gehaald. Als de waarde te klein is, dan is er geen
afvlakking genoeg, dus moet de waarde voldoende groot zijn.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
25
Om de elco’s spontaan te doen ontladen wanneer de spanning afgelegd wordt zijn er
weerstanden met een hoge weerstandswaarde parallel over de elco’s voorzien. Deze
weerstand is berekend als volgt:
P U . I en I
U
R
P
U2
R
R
U2
P
20V 2
1,6 K
0,25W
De voedingspanning ligt op ongeveer 20VDC en de weerstand die gebruikt wordt is
een 1/4W weerstand.
Figuur 15: Schema van de voeding voor de klasse D versterker
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
26
4.5 Printontwerp
Omdat er gewerkt wordt met hoge frequenties voor de modulatie moeten ervoor
gezorgd worden dat er voldoende ontkoppeling is van de voedingen omdat die hoge
frequenties voor storingen kunnen zorgen. Ook moet er een groot massavlak voorzien
worden zodat de storingen voldoende weggewerkt kunnen worden. Deze storingen
worden dan afgeleid naar de massa. De impedantie van het massavlak is laag en over
een laagohmige massa kunnen er geen spanningsvallen optreden, hierdoor kunnen de
storingen dus weggewerkt worden.
Op de print is de voorversterker samen met de klasse D versterker en de eindtrap
samengebracht. De uitgangsfilter is voor de reden van daarnet apart ontworpen. De
print is zo compact mogelijk gemaakt. In het schema en op de print zijn ook jumpers
voorzien. Dit is om zo het mogelijk te maken om verschillende tests uit te voeren op de
versterker.
De componenten, de top layer en de bottom layer van de getekende printen zijn terug
te vinden in de bijlagen.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
27
5
De spoel
5.1 Introductie
Een spoel is een elektronische component die bestaat uit een aantal draadwikkelingen.
Deze zijn de geleiders en hierdoor zal de stroom vloeien. Deze wikkelingen liggen al
dan niet rond een magnetiseerbare kern. De spoel heeft een zekere zelfinductie, dit
houdt dus in dat iedere stroomverandering tegengewerkt wordt door een elektrische
spanning.
Ul
L.
dI
dt
In deze formule staat Ul voor de opgewekte spanning, de dI is de verandering van de
stroom binnen een bepaalde tijd dt en de L is de waarde van de zelfinductie.
De impedantie van de spoel is frequentie afhankelijk en kan berekend worden door:
Xl
2 . . f .L
In deze formules is Xl de impedantie van de spoel. De f stelt de werkfrequentie voor en
L is opnieuw de waarde van de zelfinductie.
Voor kleine frequenties vormt de spoel een kortsluiting. Op hogere frequenties zal deze
een onderbreking vormen.
5.2 De kwaliteitsfactor
Een ideale spoel bestaat niet. Iedere spoel heeft een zekere serieweerstand. Deze
wordt gevormd door de draadweerstand en door de kern waarrond de draad gewikkeld
is. Deze weerstand kan dus ongeveer vergeleken worden met de ESR van een
condensator. Enkel bij de spoel spreken we niet van de ESR maar van de
kwaliteitsfactor Q. Deze kan gevonden worden door volgende formule toe te passen:
Q
Xl
Rl
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
28
Hierin stelt Rl de serieweerstand van de spoel voor en Xl de impedantie van de spoel.
Daar Xl frequentie afhankelijk is zal de kwaliteitsfactor ook frequentie afhankelijk zijn.
De ohmse serieweerstand is ook frequentie afhankelijk, dit komt door het skin effect.
Bij hoge frequenties loopt de stroom enkel door het buitenste laagje van de geleider,
waardoor de ohmse weerstand toeneemt.
5.3 Verzadiging
Het magnetische veld
Als er rond de kern een aantal windingen liggen en er daarna een stroom door vloeit
dan ontstaat er een magnetisch veld. De grote van de veldsterkte wordt berekend met
volgende formule:
H (n . I ) / l
In de formule is n het aantal windingen om de kern heen. De I is de stroom die door de
winding vloeit en l stelt de magnetische weglengte voor.
De magnetische inductie
Het aangelegde magnetische veld zal in het kernmateriaal een magnetische inductie B
veroorzaken die veel groter kan worden dan de veldsterkte H. De grootte van deze
inductie is:
B
.H
Hierin stelt B de magnetische inductie voor. De µ in de formule stelt de permeabiliteit
voor, deze is afhankelijk van het soort kernmateriaal.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
29
De BH kromme
De relatie tussen B en H kan nader bekeken worden. Dit wordt weergegeven in figuur
16. Deze curve stelt de BH-kromme voor, ook wel de hysteresislus genaamd.
Figuur 16: BH-kromme
In het begin wordt H groter. De spoel kan zich zogezegd opladen tot een bepaald
moment Bsat. Op dit moment kan de spoel geen verdere energie opslaan en gaat de
spoel in verzadiging. Dit fenomeen wordt ook saturatie genoemd. Deze verzadiging
komt doordat het kernmateriaal een grens oplegt aan de spoel om energie op te slaan.
Er kan gezien worden wanneer de verzadiging optreedt de spoel geen lineair gedrag
meer vertoont. Omdat er liever gewerkt wordt met lineaire systemen is het beter de
spoel niet te laten werken in het saturatie gebied.
Bij een zekere H en dus bijbehorende B is een hoeveelheid energie in de kern
aanwezig. In het lineaire stuk is de energiedichtheid gelijk aan:
E (B . H ) / 2
In figuur 16 kan de stippellijn gezien worden, dit is het punt waar de B-H kromme voor
de eerste maal doorlopen is. Bij elke volgende magnetisatie gaat de kromme over in
een lus-vormige figuur waarbij op de doorgang met de y-as een zekere inductie
overblijft, dit wordt het remanent magnetisme Br genoemd. Om de inductie tot nul terug
te brengen is een tegengesteld magnetisch veld H nodig. De vorm van de lus is sterk
afhankelijk van het type kernmateriaal en varieert van vrijwel rechthoekig tot vrijwel
elliptisch. Het achterblijven van een zekere remanent magnetisme leidt tot verliezen.
Dus hoe dunner de lus is, des te minder verliezen er zijn en dus hoe beter de spoel is.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
30
5.4 Kernmaterialen
Inleiding
Er bestaan heel wat verschillende magnetische materialen. Voor spoelkernen worden
meestal lucht, ijzer, ferriet, kobalt en nikkel gebruikt. Ook bestaan er andere
magnetische materialen. Deze worden gemaakt door het legeren van de materialen
onderling of met andere, niet magnetische materialen. Zo resulteert dit dan
bijvoorbeeld in poedermetaal. Afhankelijk van hun samenstelling hebben deze
legeringen verschillende magnetische eigenschappen.
Een inductie waarde is afhankelijk van het soort kernmateriaal. Dit wordt aangetoond in
volgende formule:
L (n ² . µ . A) / l
met µ µ0 . µr
Hier stelt L de zelfinductie voor. De n is opnieuw het aantal windingen omheen de kern.
A is de doorsnede van de kern. De l is opnieuw de magnetische weglengte. De µ in de
formule stelt de permeabiliteit voor en deze is afhankelijk van het soort materiaal. Deze
µ valt uiteen in een
r
0
en een
r.
De waarde van de
0
is 4. .10 –7 H/m. De waarde van
is afhankelijk van het materiaal. Bij lucht heeft deze een waarde van één terwijl deze
voor bijvoorbeeld een specifiek soort ferriet op meer dan duizend ligt. Dit betekent dat
een zelfinductie met hetzelfde aantal wikkelingen, binnen dezelfde ruimte, vele
duizenden malen groter kan worden bij toepassing van ferriet materialen. Hier kan dan
ook de belangrijkste reden om ferriet toe te passen aangetoond worden, namelijk de
beperking van draadlengte en ruimtebesparing. Bij het gebruik van de kernmaterialen
moet er ook rekening gehouden worden met de frequentie waarop deze werken. Het
kan zijn dat een kernmateriaal op 10kHz goed werkt, maar als de frequentie
opgedreven wordt naar een veel hogere frequentie dat dit kernmateriaal dan gewoon
niet meer mee wil zodat de inductiewaarde sterk daalt.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
31
Studie van de kernmaterialen
Inleiding:
Ferriet kernen worden meestal toegepast om hun elektromagnetische eigenschappen,
en wel speciaal om hun magnetisch-veld concentrerende eigenschap, deze wordt
verder nog besproken. Ferriet materialen kunnen daarom zeer bruikbaar zijn in HFtoepassingen. Ferriet is een keramisch product dat bestaat uit een verbinding van een
metaaloxide met ijzeroxide. De poedervormige materialen worden eerst in een ruwe
vorm geperst en vervolgens een of meerdere malen verhit tot temperaturen oplopend
tot 1300 ˚C. Ferrieten voor specifieke toepassingen krijgen hun eigenschappen door
het toegevoegde oxide van mangaan (Mn), zink (Zn), nikkel (Ni), kobalt (Co), koper
(Cu), ijzer (Fe) of magnesium (Mg) en de precieze wijze van sinteren en afkoelen.
Materiaal eigenschappen:
Voor spoelkern materialen worden meestal MnZn en NiZn combinaties met ijzeroxide
gebruikt, waarbij de eerste met een hogere werkingsgraad (permeabiliteit,
> 1000)
voor lagere frequenties worden ingezet ( < 3 MHz; Ferroxcube codering 3xx ) en de
laatste met een lagere permeabiliteit (100 <
< 1000) voor hogere frequenties ( > 1
MHz; Ferroxcube codering 4xx ). Ferroxcube is de naam die de Philips Ferrieten afdeling heeft aangenomen nadat deze verzelfstandigd werd. Er wordt later terug
gekomen op de toepassingsdetails van al deze ferriet soorten. Natuurlijk wenst men
graag een materiaal toe te passen met een zo hoog mogelijke permeabiliteit en een zo
groot mogelijk frequentiebereik.
Ferriet materialen zien er na het sinteren allemaal ongeveer gelijk uit; het is een zeer
hard, grijszwart materiaal waaraan niet meer is terug te zien waaruit het is
samengesteld en welke behandeling het verder heeft ondergaan. Sommige fabrikanten
komen te hulp door deze materialen te omhullen met een kleur. Daarom wordt in de
handel vaak kern materiaal teruggevonden in allerlei kleuren. Helaas zijn deze kleuren
niet gestandaardiseerd en heeft elke fabrikant zijn eigen codes of levert uitsluitend wit
materiaal.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
32
De verschillende kernmaterialen hebben een sterk uiteenlopende elektrische
weerstand. Deze soortelijke weerstand ligt in de orde van ohm meter (Ωm) tot meer
dan 100 k m. De kleurige laag zorgt daarom ook voor een goede elektrische isolatie
met de kern, zodat wikkelingen niet worden kortgesloten op de vaak scherpe randen bij
materiaal met een lage weerstand. Waar blanke materialen worden toegepast verdient
het daarom als aanbeveling om eerst een laagje isolatie aan te brengen voordat met
wikkelen wordt begonnen. Verder is bij materialen met een lage weerstand de invloed
van de kern ook merkbaar in de toegenomen waarde van de parasitaire capaciteit, die
parallel aan de spoel wordt gemeten.
Het magnetisch - veld concentrerende eigenschap van ferriet wordt ook wel de
permeabiliteit genoemd. Deze permeabiliteit heeft de eigenschap om toe te nemen met
de temperatuur; een verandering in de
van 10 eenheden per ˚C is geen uitzondering.
Dit effect kan gunstig zijn bij gebruik in smoorspoelen en transformatoren maar
bepaald ongunstig bij gebruik in spoelen. Verder valt de
boven een bepaalde
temperatuur, de Curie temperatuur sterk terug wat altijd ongunstig is. Gelukkig ligt dit
Curie punt altijd boven de 100 °C en vaak zelfs boven de 200 °C, zodat er in de praktijk
weinig last van zal zijn.
Welke nauwelijks van ferriet kernen te onderscheiden zijn, zijn de ijzerpoeder
kernmaterialen. IJzerpoeder ( Ferroxcube codering 2Pxx ) heeft doorgaans een veel
lagere permeabiliteit (10 <
< 100), een lage kwaltijdsfactor (Q < 20). Het LF
ijzerpoeder materiaal wordt meestal gebruikt in toepassingen waar grote stromen
kunnen worden verwacht, bijvoorbeeld netfilters. Ook van dit ijzerpoeder materiaal
worden
kernen
met
ietwat
verschillende
eigenschappen
geproduceerd.
Ter
onderscheiding en ditmaal ook als roest- bescherming, worden weer gekleurde
coatings toegepast.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
33
Indeling van de materialen
In tabel 1 wordt overzicht gegeven van enkele veel gebruikte groepen van materialen
met hun eigenschappen. Hieronder wordt van elk materiaal ook nog de specifieke
kenmerken uitgelegd.
De ferriet groep van de Mangaan-Zink (MnZn) ferrieten kenmerkt zich door een
zeer hoge permeabiliteit µ en een lage ferromagnetische resonantie frequentie
fr. Deze kernen worden vaak bij spoelen in het LF gebied gebruikt en nu nog
steeds voor ontstoring.
Bij de groep van de Nikkel-Zink (NiZn) ferrieten wordt een hoge permeabiliteit
en een hoge ferromagnetische resonantie frequentie teruggevonden. Deze
groep is bij uitstek geschikt voor toepassingen in transformatoren en spoelen in
het HF gebied.
De
ijzerpoeder
groep
vertoont
een
lagere
permeabiliteit
en
lage
toepassingsfrequentie. Dat dit al wat oudere materiaal toch nog tegen komen
komt door de relatief hoge verzadigingstolerantie. Hierdoor wordt dit materiaal
veelal toegepast in laag-frequentie transformatoren.
De carbonyl materialen vertonen de laagste temperatuur coëfficiënt Tco, maar
ook de laagste permeabiliteit en de hoogste toepassingsfrequentie. Dit
materiaal is hierdoor geschikt voor toepassingen voor stabiele spoelen in het
HF gebied.
Een hoge permeabiliteit hangt samen met een lage ferromagnetische resonantie
frequentie en daarom moet er dus steeds een optimaal compromis gevonden worden
voor de applicatie waarin deze gebruikt zal worden.
Er is verder een groot verschil in het temperatuurbereik van de diverse materialen.
De maximale toepassingstemperatuur van de ferriet groepen hangt samen met de
Curie-temperatuur, waarboven het materiaal de hoge µ eigenschappen verliest. De
ijzerpoeder materialen kennen een maximale temperatuur die samenhangt met het
productieproces. Hierbij wordt ijzerpoeder met een bindermateriaal tot uitharding
gebracht en juist dit laatste beperkt de maximale toepassingstemperatuur tot ca 70 C.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
34
Tabel 1:
type
MnZn
Ferriet
NiZn
ferriet
Elektrolytisch
ijzerpoeder
Carbonyl
(ijzerpoeder)
fr (MHz)
Tco (ppm/K)
0 – 50 ºC
Tmax (ºC)
Bsat (mT)
3E8
18.000
0.4
+ 3850
100
350
3E1
3.800
0.6
+ 4620
125
400
3F4
900
4.5
+ 4130
220
450
4A11
700
5.5
+ 7950
125
350
4B1
250
25
+ 2920
250
310
4C65
125
45
+ 1650
350
400
2P90
90
ca 0.5
- Laag
140
1600
2P65
65
ca 0.7
- Laag
140
1150
2P40
40
ca 1
- Laag
140
950
Grade 3
35
ca 50
- 370
75
Medium
Grade 1
20
ca 100
- 280
75
Medium
Grade 2
10
ca 150
- 95
75
Medium
Kleurcodering van de kernmaterialen
Ten slotte wordt er nog iets over kleurcoderingen verteld. In tabel 1 worden een aantal
kleuren van veel gebruikt ferriet materialen getoond. Het genoemde kleurenschema is
geldig voor de 36mm ringkern van Ferroxcube. Als er verder nog geweten is dat elke
fabrikant die ferriet en ijzerpoeder materiaal levert zijn eigen codering heeft over de
kleuren, dan is duidelijk dat er niet op de kleur kan afgegaan worden als een bepaald
type materiaal wil aangeschaft worden.
Tabel 2:
Materiaal
3C81
3C90
3E1
3E5
3E6
3E25
3E27
3F3
3F4
3S4
4A11
4C65
kleur
bruin/wit
ultra-marijn
groen
wit / geel
paars/wit
oranje
groen/wit
blauw
bruin-beige
ongecoat
ongecoat / roze
violet
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
35
Verliezen in de kern
Eerder werd er gezien dat er grenzen zijn aan de inductie die in het ferriet materiaal
kan opgewekt worden. Dit betekend dus dat er ook verliezen optreden in het materiaal
en deze verliezen zijn frequentieafhankelijk. Er zal dus vermogen worden opgewekt in
de kernen wat leidt tot kernverliezen, hierdoor zal de temperatuur van de kern gaan
stijgen. In de praktijk treden altijd verliezen op. Oorzaken van de verliezen zijn:
warmteproductie in de spoelen, geluidsproductie en magnetische verliezen. Vooral de
warmteverliezen zijn kwantitatief belangrijk. Dit omdat zoals eerder al gezien zal een
temperatuurstijging van het ferriet materiaal de permeabiliteit van de kern doen
toenemen. Bij een te grote temperatuurstijging kan het Curiepunt overschreden worden
waardoor de relatieve permeabiliteit
r
terugvalt naar één. Er moet dus zeker uit de
buurt van dit Curiepunt gebleven worden om te zorgen dat de verliezen zo minimaal
mogelijk blijven.
Poedermetaal kernen
Elektrolytisch ijzer
De ijzerdeeltjes zijn plastisch vervormbare stukjes, die met een isolerende binder
samengeperst worden tot een hoge dichtheid. Hiermee kunnen kan een permeabiliteit
tot ongeveer 100 bereikt worden. De verzadiging gaat in de richting van de waarde van
puur ijzer en is hoger dan van ferrieten. Dit materiaal wordt terug gevonden in
toepassingen met hoge gelijkstromen. Ferroxcube ijzerpoeder ringkern materialen zijn
alle van het elektrolytisch-ijzer type, en dus uitsluitend geschikt voor LF-gebruik, < 1
MHz.
Carbonyl-ijzer
De ijzerdeeltjes zijn harde bolletjes die ook met een isolerende binder samengeperst
worden, maar dit tot een beperkte dichtheid. Hiermee kan alleen een lage
permeabiliteit bereikt worden, maar de verliezen zijn veel lager. De verzadiging is
beduidend lager dan van puur ijzer en geeft geen groot voordeel t.o.v. ferrieten.
Meestal worden deze toegepast bij hoogfrequente filters. De permeabiliteit hoeft daar
niet extreem hoog te zijn en verzadiging is in deze staafvorm ook niet snel een
probleem.
De
Q-factor
blijft
hoog
tot
frequenties
boven
de
10
MHz.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
36
5.5 Praktische spoel
Er werd nu een overzicht gegeven van een theoretische spoel. In de praktijk moet er
echter nog rekening mee gehouden worden dat een spoel een zeker inwendige
weerstand bezit en ook een zekere capaciteit. Dit wordt weergegeven in figuur 17.
Deze capaciteit komt doordat er tussen de wikkelingen een kleine afstand is
waartussen lucht zit, en dit zal zich capacitief gedragen. Deze waarden van de
weerstand en de condensator zijn echter kleine waarden maar op hoogfrequente
toepassingen zullen deze wel invloed hebben.
Figuur 17: Praktische spoel
Wiskundige berekening van het schema van de praktische spoel:
In het schema kan er gemakkelijk een serie en parallel kring gezien worden. Van elk
component moet de waarde veranderd worden naar de impedantie waarde. Dit laat toe
om de berekeningen te maken.
Z ( XL R ) // XC
Het berekenen van de vergelijking levert:
(R
Z
(R
1
j C
1
j L)
j C
j L) .
R
j L
j C
1 j RC j ² ² LC
j C
R j L
1 j RC j ² ² LC
Deze formule moet opgesplitst worden in een reëel deel en een imaginair deel, dat
omdat later de vector analyser deze waarden kan weergeven. Hierdoor kunnen dan de
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
37
berekeningen voor de capaciteit en weerstand gebeuren. De opgesplitste formule zit
als volgt ineen:
Z
R
C ² . ² ( L ² . ² R ²) 2 . C . L . ² 1
j
. ( L C . ( L ² . ² R ²))
C ² . ² ( L ² . ² R ²) 2 . C . L . ² 1
Het reëel deel wordt gelijkgesteld aan a. Het imaginaire deel aan b. De a zal de reële
waarde zijn van de impedantie en b zal de imaginaire waarde zijn. Beide waarden
kunnen afgelezen worden uit de meting van de vector analyser.
a
R
C ² . ² ( L ² . ² R ²) 2 . C . L . ² 1
b
. ( L C . ( L ² . ² R ²))
C ² . ² ( L ² . ² R ²) 2 . C . L . ² 1
Praktische werking van het schema van de praktische spoel:
Daar er verschillende spoelen uitgemeten moesten worden om de verschillende
eigenschappen van kernmaterialen te bekijken zijn er een aantal spoelen zelf
gewikkeld en er ook besteld zoals te zien in figuur 18. In feite zijn in de praktijk de
kerneigenschappen niet echt bekeken, maar vooral de elektrische eigenschappen
bestudeerd. Bijvoorbeeld is er geen meting gedaan op warmteverliezen van de kern.
De namen voor de verschillende spoelen die verder in dit rapport gebruikt zullen
worden staan er ook bij.
Van al deze spoelen moet de impedantie curve opgemeten worden en hieruit moet dan
de bijhorende capaciteit en weerstand gezocht worden. Ook is de zelfinductie in functie
van de stroom door de spoel bestudeerd. Al deze eigenschappen zijn van groot belang
omdat in een later stadium dan het filter moet ontwikkeld worden. Daar moet dan de
beste spoel gebruikt worden, en om dit te weten moeten metingen gebeuren.
Figuur 18: Verschillende spoelen
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
38
De eerste spoel die gemaakt werd is een gewone luchtspoel. Deze heeft een waarde
van 22µH.
De tweede spoel is ook zelf gewikkeld maar dit rond een poedermetaal kern. Deze
heeft ook een waarde van 22µH. Deze kern vindt men meestal terug in PC voedingen.
De keuze voor deze kern is gewoon genomen om het verschil te zien van een spoel
door het aanpassen van het kernmateriaal.
De laatste spoel is een spoel die besteld werd bij Coilcraft. Dit is een fabrikant van
allerhande spoelen. De kern van deze spoel bestaat uit ferriet. De spoel heeft ook een
waarde van 22µH.
Deze waarden zijn zo genomen omdat dit de waarden zijn die gebruikt moeten worden
voor de uitgangsfilter.
Impedantie meting
Eerst en vooral zal de impedantie van de spoelen gemeten worden. Dit kan gedaan
worden met een vector analyser. Deze stuurt een sweep doorheen de spoel, hierdoor
kan de Z11 parameter opgemeten worden. Dit komt overeen met de impedantie van de
spoel. Als dit dan gekend is kan zowel theoretisch als praktisch de waarde van de
serieweerstand en de capaciteit bekeken worden. Als beide waarden overeenkomen
laat dit toe te concluderen dat het correct is. Als deze waarden gekend zijn, kunnen er
later goede simulaties van een filter gemaakt worden
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
39
Luchtspoel
Op figuur 19 is de impedantie curve van de luchtspoel te zien. Links kan een lineair
gedrag opgemerkt worden. Dit gedeelte is puur inductief gedrag. Daarna is er een
resonantiepiek. In dit punt is de spoel zuiver ohms. Daarna bezit de spoel een
capacitief gedrag, dit doordat de afstanden tussen de wikkelingen een invloed
beginnen spelen op hogere frequenties. Om de spoel te testen werd een
spanningssweep van 9kHz tot 300MHz op de spoel aangesloten.
Figuur 19: Impedantie curve van de luchtspoel
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 43,031 Ω
b = imaginair deel = 1058,65 Ω
L = 22µH
Fres = 6,2 MHz
Fwerking = 4,09 MHz
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
40
Een wiskundig programma lost de formules van het reeël deel en het imaginair deel op
en zoekt de R en de C waarde. Als resultaat kan gezien worden dat de capaciteit een
waarde heeft van 32pF. De waarde van de weerstand is 83mΩ. Deze waarden kunnen
aanvaard worden.
Indien de waarden nu praktisch bepaald moeten worden kan dit voor de weerstand met
een milliohmmeter opgemeten worden. De waarde voor de gemeten weerstand is
53mΩ. Als de condensator praktisch bepaald moet worden, dan doen dit als volgt
gebeuren:
fres
1
2. . L C
C
1
4 . ² . L . fres ²
De fres is 6,2MHz. Dus de C kan gemakkelijk gevonden worden. Deze heeft een
praktische waarde van 30pF.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
L = 22µH
L = 22µH
R = 83mΩ
R = 53mΩ
C = 32pF
C = 30pF
Het is te zien dat de berekende en de gemeten waarden goed overeenkomen. Nu deze
waarden gekend zijn, kan duidelijk gezien worden dat een spoel niet ideaal is. Omdat
er hogere frequenties gebruikt worden is het handig om hiermee rekening te houden.
Ook voor de simulaties van de filters zal dit een ander resultaat teweeg brengen.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
41
Zelfgewikkelde spoel
Op figuur 20 is er opnieuw een impedantie curve te zien, deze is nu echter van de
zelfgewikkelde spoel. Links is er opnieuw een zo goed als lineair gedrag. Dit gedeelte
is inductief gedrag. Daarna is er terug een resonantiepiek. Daarna bezit de spoel een
capacitief gedrag. Om de spoel te testen werd een spanningssweep van 9kHz tot
300MHz op de spoel aangesloten. Er kan gezien worden dat deze spoel niet echt een
goed resultaat heeft. Dit omwille van het niet perfectie lineaire gedrag van de spoel.
Wat er wel op te merken valt is dat er al veel hoger frequenties door de spoel gestuurd
moeten worden vooraleer deze capacitief wordt. De resonantiepiek ligt hier op een
18MHz waar dat het daarnet maar op 6,2MHz was.
Figuur 20: Impedantie curve van de zelfgewikkelde spoel
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 283,059 Ω
b = imaginair deel = 411,649 Ω
L = 22µH
Fres = 18,7 MHz
Fwerking = 6 MHz
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
42
Opnieuw lost een wiskundig programma de vergelijkingen op. Als resultaat levert dit
dat de capaciteit een waarde heeft van 3,7pF. De waarde van de weerstand is 22mΩ.
De praktische metingen gebeurt op dezelfde wijze als daarnet. De waarde voor de
gemeten weerstand is 19mΩ. Voor de capaciteit gebeurt dit opnieuw als daarnet mits
aanpassen van de frequentie want de fres is nu 18,7MHz. De C kan gemakkelijk
uitgehaald worden, deze levert een waarde van 3,2pF.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
L = 22µH
L = 22µH
R = 22mΩ
R = 19mΩ
C = 3,7pF
C = 3,2pF
Opnieuw wordt gezien dat de berekende en de gemeten waarden overeenkomen. De
spoel mag opnieuw niet als ideaal beschouwd worden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
43
Gekochte spoel
Op figuur 21 is er opnieuw een impedantie curve zichtbaar, deze is nu van de gekochte
spoel. Links is er terug een lineair gedrag merkbaar. Dit gedeelte is inductief. Daarna is
er terug een resonantiepiek. Daarna bezit de spoel zoals de andere spoelen een
capacitief gedrag. Om de spoel te testen werd een spanningssweep van 9kHz tot
300MHz op de spoel aangesloten. Het is direct zichtbaar dat deze spoel veruit het
beste resultaat heeft omdat het inductieve deel perfect lineair is. Wat er wel op te
merken valt is dat er terug maar gegaan wordt tot een 300MHz. Dit wil dus zeggen dat
deze spoel niet zal kunnen gebruikt worden voor zeer hoge frequenties.
Figuur 21: Impedantie curve van de gekochte spoel
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 298,609 Ω
b = imaginair deel = 1416,47 Ω
L = 22µH
Fres = 6,2 MHz
Fwerking = 4,65 MHz
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
44
Opnieuw berekent een wiskundig programma het reeële en imaginaire deel de
weerstand en capaciteit. Als resultaat heeft de capaciteit een waarde van 29pF. De
waarde van de weerstand is 16mΩ.
Indien de waarden nu praktisch gewenst zijn kan dit met een milliohmmeter gemeten
worden. De waarde voor de gemeten weerstand is 11mΩ.
Als de condensator gewenst is kan dit opnieuw als daarnet mits aanpassen van de
frequentie naar 6,2MHz. De C heeft nu een waarde van 29,9pF.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
L = 22µH
L = 22µH
R = 16mΩ
R = 11mΩ
C = 29pF
C = 29,9pF
Opnieuw is er merkbaar dat de praktische en theoretische waarden overeenkomen.
Hier zijn deze wel zo goed als helemaal perfect. Ook hier is zichtbaar dat de spoel niet
ideaal is.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
45
DC meting
Als de stroom door een bepaalde spoel geweten moet zijn kan dit zeer eenvoudig
gemeten worden met volgende meetopstelling in figuur 22. Hiervoor is er een eigen
proefopstelling gemaakt omdat er geen testopstelling voor handen was.
Schema:
Figuur 22: Schema om DC stroom te meten
Het principe bestaat eruit een korte piekstroom door de spoel te sturen.
Aan de ingang J2 wordt kortstondig een puls gelegd. Deze wordt ingestuurd op een
mosfet driver. Dit is in onze toepassing een TC4422 van microchip. Deze driver zal een
hoogvermogen mosfet aansturen. In ons geval kan deze mosfet tegen piekstromen van
240A, wat dus ruim voldoende is voor de meting, omdat er immers maar 10A moet
kunnen gehaald worden uit onze klasse D versterker.
Als er een puls aangelegd wordt dan schakelt de mosfet in en zal er dus een stroom
door de spoel J3 gaan vloeien. De energie wordt geleverd door de condensatoren die
opgeladen zijn, hierdoor kunnen er dus grote piekstromen gaan vloeien. Indien er nu
een korte puls aangelegd wordt zal de stroom door de spoel lineair stijgen. Met een
scoop kan geen stroom gemeten worden, dat kan opgelost worden door de spanning
over een weerstand te meten. De stroom die door R3 gaat is dezelfde als door de
spoel. Zo kan er dan op de spoel toch het lineaire stroomverloop zichtbaar worden
gemaakt. Als de puls langer wordt gemaakt kan de spoel meer opladen en kan er
nagegaan worden wanneer de spoel gaat satureren. Dit is gebeurd voor de
verschillende spoelen die gebruikt zijn.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
46
Luchtspoel
In figuur 23 is de stroom door de luchtspoel te zien. Er is te zien dat er een puls
aangelegd wordt van ongeveer 100µs (10µs/div). Hierdoor krijgt de spoel de tijd om
zich op te laden. Wat er echter te zien is, is dat de stroom niet echt lineair stijgt wat
echter wel te verwachten is. Deze niet lineaire maar exponentiële stijging is het gevolg
van de ohmse weerstand van de spoel.
Als de stroom door de spoel berekend moet worden kan dit als volgt:
I
U 6,5 . 200mV / Div
130 A
0,01
R
Er wordt dus een piekstroom door de spoel gestuurd van 130A wat al zeer veel is voor
onze toepassing. Wij moeten maar een tiental ampère kunnen leveren door de spoel,
dit omdat de uitgang van de versterker niet veel meer zal geven.
Wat er ook te zien is, is dat er hier geen saturatie optreed van de spoel. Dit komt omdat
de kern puur lucht is. Dit kan dus niet gaan satureren en hierdoor is de stroom door de
spoel in principe onbegrensd. Dus iedere stroom die door de spoel gestuurd zal
worden resulteert in een weinige variatie van de spoelwaarde.
Figuur 23: DC stroom door de luchtspoel
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
47
Zelfgewikkelde spoel
In figuur 24 is de stroom die door de zelfgewikkelde spoel gaat te zien. De puls die
aangelegd wordt is ongeveer 60µs (10µs/div). Hierdoor krijgt de spoel de tijd om zich
op te laden. Wat echter opvalt, is dat de stroom niet lineair stijgt.
Wat nu zeer belangrijk is dat er saturatie optreed van de spoel. Omdat de spoel niet
lineair oplaad kan geconcludeerd worden dat er saturatie is. Misschien kan er toch
gezegd worden dat gedurende de eerste 15µs de stroom nog lineair is. De stroom op
dit moment is dan:
I
U
R
1, 2 . 200mV / Div
0,01
24 A
Daarna wordt de grafiek sterk afgebogen wat resulteert in een niet lineair
stroomverloop. In dit gebied is het niet gewenst om de spoel te gebruiken, omdat de
spoel zich dan al niet meer goed gedraagt. De oorzaak van deze saturatie ligt bij de
kern. Deze is nu niet meer puur lucht maar veranderd naar een poedermetaal kern.
Blijkbaar zorgt poedermetaal vrij vlug voor verzadiging. Als er poedermetaal gebruikt
wordt is het beter deze te gebruiken voor lage stromen maar niet voor hoge stromen,
zoals in de meting te zien is. Meteen is het zichtbaar dat het soort kernmateriaal wel
degelijk van belang is om een goede spoel te maken.
Figuur 24: DC stroom door de zelfgewikkelde spoel
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
48
Gekochte spoel
In figuur 25 is het stroomverloop van de gekochte spoel zichtbaar. De puls die
aangelegd wordt is ongeveer 32,5µs (5µs/div). Hierdoor krijgt de spoel de tijd om zich
op te laden. Wat echter direct te zien is, is dat de stroom hier voor een stuk lineair is
maar voor een ander stuk dan ook niet lineair.
Waar het stuk nu niet lineair is betekend dit terug dat er saturatie optreed van de spoel.
De stroom is gedurende de eerste 25µs nog lineair. De stroom op dit moment is dan:
I
U
R
2 . 200mV / Div
40 A
0,01
Daarna wordt de grafiek sterk afgebogen. Dit resulteert dus in een niet lineair
stroomverloop. Op dit moment zal de spoel een groot deel van zijn inductie waarde
verliezen. Deze saturatie komt opnieuw door het kernmateriaal. Hier wordt ferriet
gebruikt. Hier zou er kunnen gesteld worden dat ferriet iets beter is dan poedermetaal
omdat de stroom langer lineair blijft.
Figuur 25: DC stroom door de gekochte spoel
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
49
Conclusie
Er zijn nu verschillende spoelen opgemeten en er kan nu misschien al een conclusie
getrokken worden. Als conclusie kan gesteld worden dat de luchtspoel het best is.
Deze heeft een lineair stroomverloop, en gaat niet in saturatie. Ook zijn
impedantiecurve is betrekkelijk goed. Daarnaast is de gekochte spoel ook zeer goed.
De keuze zal vallen op de gekochte spoel. Dit in eerste plaats omdat voor de
benodigde stroom de spoel nog steeds lineair gedrag vertoont. Ook zijn impedantie
karakteristieken zijn zeer goed. Een punt waarop er ook nog gelet kan worden is de
plaatsbezetting. De gekochte spoel van 22µH met kern zal een veel kleinere dimensie
hebben dan een luchtspoel van 22µH. Dit was een korte vergelijking en een vlotte
keuze. Bij de realisatie van de uitgangsfilter zal er nog een vergelijking gemaakt
worden van alle opgemeten spoelen. Daar kan dan een keuze gemaakt worden met
een goede verwoording.
Om het verschil van de spoelen te vergelijken moet een tabel gemaakt worden van de
variatie van de inductiewaarde in functie van de stroom.
Daar er geweten is dat:
Ul
L.
dI
dt
Kan de inductiewaarde hier uitgehaald worden. Dit wordt dus:
L
Ul .
dt
dI
De waarde van de spanning Ul is de spanning die aan de spoel aangesloten wordt. In
onze toepassing is deze 20V. Het volstaat dus om de variatie van de tijd en de stroom
te bekijken op de grafieken en deze te vermenigvuldigen met de spanning. Dit alles is
te zien in tabel 3.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
50
Tabel3:
Stroom
(A)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Luchtspoel (µH) Zelfgewikkelde (µH)
19
18
19
18
19
18
19
16
19
10
19
10
19
8
19
6
19
6
19
4
19
4
19
4
Gekochte spoel
(µH)
20
20
20
20
12
8
4
4
4
4
4
4
Er kan gezien worden dat naarmate de stroom door de spoel stijgt de waarde van de
spoel zal veranderen. Bij een luchtspoel blijft deze waarde echter gelijk want de spoel
kan nooit in saturatie gaan. De twee andere spoelen zullen doordat deze een kern
bezitten echter wel gaan satureren. Eerst wordt gestart bij lage stromen door de spoel.
De waarden van de spoelen zijn ongeveer de 22µH. Indien de stroom verder stijgt,
gaat de waarde dalen en kan er dus gesteld worden dat de spoel in saturatie gaat.
Zoals te zien is heeft de spoel bij zeer hoge stromen heel andere waarde. Daarom
moet ervoor gezorgd worden dat de waarde van de spoel voor de gebruikte stromen zo
weinig mogelijk veranderd. De resultaten van de drie verschillende spoelen in functie
van de stroom worden weergegeven in figuur 26.
25
Inductie(µH)
20
15
Luchtspoel
Zelfgewikkelde
10
Gekochte
spoel
5
0
0
20
40
60
80
Stroom(A)
100
120
140
Figuur 26: Verandering van de inductie in functie van de stroom
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
51
6
De condensator
6.1 Introductie
Een condensator is een elektronische component die opgebouwd is uit 2 geleiders die
een bepaalde oppervlakte hebben. Deze 2 stukken zijn van elkaar gescheiden door
een isolator, dit wordt het diëlektricum genoemd.
Een condensator is in staat om een elektrische lading vast te houden. Deze
eigenschap wordt de capaciteit van de condensator genoemd en wordt uitgedrukt in
Farad.
Q C .U
De Q stelt de lading van de condensator voor. De C is de capaciteit terwijl de U de
spanning is die over de condensator staat.
De stroom die door de condensator vloeit wordt gegeven door:
I C.
dU
dt
Ook de condensator heeft een impedantie en deze is eveneens frequentie afhankelijk.
Dit wordt in onderstaande formule aangetoond:
Xc
1
2. . f C
De condensator doet het omgekeerde van de spoel. Wanneer de frequentie die eraan
gelegd wordt een hoge frequentie is zal de condensator een kortsluiting zijn, bij lage
frequenties echter een onderbreking.
6.2 ESR
Zoals eerder gezien bij de spoel had deze een inwendige serieweerstand. Bij de
condensator is deze serieweerstand ook aanwezig. Deze weerstand wordt gevormd
door de aansluitdraden, alsook door de metalen platen en het diëlectricum ervan. Het
totaal van al deze weerstanden noemt met de ESR, dit staat voor equivalent series
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
52
resistance. Deze weerstand kan naargelang de condensator ouder wordt gaan
veranderen, meestal dan in de toenemende zin. ESR veranderingen treden vooral bij
elco’s op omdat daar het elektroliet opdroogt. Bij folie of keramische condensatoren is
de wijziging veel kleiner.
De ESR heeft problemen bij grote stromen. Wanneer de stroom hoog is zal de
spanning over die weerstand ook hoog zijn met als gevolg dat er verlies is. Dit
resulteert in het opwarmen van de condensator.
6.3 Dissipatie factor
De verhouding van de dissipatie factor tot de power factor zegt welk vermogen van het
toegevoerde vermogen verloren zal gaan in warmte. Het resultaat verhoudt zich
volgens volgende formule:
Dissipatie factor
ESR
2 . . f .C .ESR
Xc
De waarden zijn meestal klein en bepalen de kwaliteit van de condensator. Deze wordt
ook wel de kwaliteitsfactor van de condensator genoemd.
6.4 Verschillende diëlectrica
Er bestaan verschillende soorten diëlektrica, bijvoorbeeld: lucht, mica, bariumtitanaat,
glas, aluminiumoxide, tantaaloxide, …. Elk van deze materialen heeft zijn eigen
kenmerken doordat ze elk een beperkte geleidbaarheid hebben. Ook bestaan er
condensatoren op basis van plastics. Deze zijn bijvoorbeeld polypropyleen en
polyester. Hiervan bestaan er heel wat verschillende soorten.
Er is ook een verschil in de opbouw van de condensatoren. Specifiek is er nu een
polyester condensator bekeken, dit omdat deze het beste resultaat heeft bij de
metingen en er normaal gezien deze ook gebruikt zal worden bij de uitgangsfilter.
In deze reeks is er zowel “Metallized polyester film” als “Metal polyester film”.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
53
Metallized polyester film
Hier wordt het metaal op de polyester opgedampt. Hierdoor is er dus een zeer dun
laagje metaal nodig. De eigenschappen zijn meestal slechter wat inwendige weerstand
betreft omdat er een zeer dunne laag metaal aanwezig is. Toch zijn deze
condensatoren beter bestand tegen doorslag.
Metal polyester film
Bij deze soort is het metaal niet rechtstreeks op het plastiek. Hier is het als het ware
samengebracht en dit dan zo dicht mogelijk.
In tabel 4 wordt een overzicht gegeven van verschillende diëlectrica met elk hun eigen
parameters. Er kan gezien worden dat afhankelijk van het gebruikte materiaal ook de
condensator juist moet gekozen worden voor de toepassing.
Tabel 4:
Temperatuur
Dissipatie
Frequentie
Capaciteits
range
factor
bereik
verandering
Elektroliet
-40~+ 80°C
0,16
Slecht voor HF
± 20%
Keramisch
-55~+ 85°C
0,025
MHz
± 20%
Papier
-40~+ 110°C
0,013
Goed voor HF
± 10%
Polyester
-40~+ 100°C
0,01
Polypropileen
-55~+ 100°C
0,0004
Polystereen
-100~+ 60°C
0,0003
Mika
-40~+ 85°C
0,003
Goed tot
100kHz
Zeer goed voor
HF
Zeer goed voor
LF
Goed voor HF
± 10%
± 5%
± 1%
± 1%
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
54
6.5 Capaciteitsverandering
In functie van de frequentie
Als er in de datasheets van condensatoren gekeken wordt kan er een grafiek terug
gevonden worden waar de waarde van de condensator uitgetekend staat in functie van
de frequentie. Bij vele condensatoren verandert de waarde van de capaciteit bij een
wijziging van de frequentie. In de grafieken is te zien dat de capaciteit eigenlijk nooit
stabiel blijft. Bij lage frequenties is er al een verandering van de capaciteit waar te
nemen. Hoe verder de frequentie opvoert, des te groter de afwijking van de
condensator wordt. De verandering van waarde uit zich in een vermindering van de
capaciteit. Deze grafiek van een foliecondensator is terug te vinden in de bijlagen.
In functie van de temperatuur en spanning
Ook bestaat er een grafiek die de verandering van capaciteitswaarde aanduidt in
functie van de temperatuur. Wanneer er naar kamertemperatuur gekeken wordt kan er
gezien worden dat de waarde zo goed als constant blijft. Helaas als de temperatuur
stijgt of daalt dan zal deze waarde veranderen. Het kan zijn dat de waarde stijgt of
afneemt omdat het afhangt van het gebruikte diëlectricum. Ook is de verandering
afhankelijk van de spanning die over de condensator aangelegd wordt. Een
condensator van 63V zal heel anders veranderen in waarde dan één van 400V. Dit
omdat het gebruikte diëlectricum anders is. Ook deze grafiek is terug te vinden in de
bijlagen.
6.6 Praktische condensator
Daar er al wat meer geweten is over de condensator zal al vlug geconcludeerd kunnen
worden dat een condensator in de praktijk er ook wel anders zal uit zien. De praktische
condensator zoals weergegeven in figuur 27 zal ook opnieuw een inwendige
weerstand hebben en een inwendige spoel. Deze spoel komt doordat de
aansluitdraden van de condensator een zelfinductie hebben. Iedere draad heeft in feite
een zekere inductiewaarde, bijvoorbeeld 1nH/mm. Opnieuw zullen deze waarden klein
zijn maar op hoge frequenties zullen deze de schakeling weer sterk beïnvloeden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
55
Figuur 27: Praktische condensator
Wiskundige berekening van het schema van de praktische capaciteit:
Er is gemakkelijk een seriekring te herkennen in dit schema. Van de componenten
wordt de waarde omgezet naar de impedantie waarde. Dit laat toe om de berekeningen
te maken.
Z
R XC XL
Het doorrekenen van de kring geeft volgend resultaat:
Z R
j . .L
1
j. .C
j. .R.C
j ². ².L.C 1
j. .C
De formule moet opgesplitst worden in een reëel deel en een imaginair deel. Dit omdat
later de vector analyser deze waarden kan weergeven. Dit laat toe de berekeningen
voor de spoel en de weerstand te doen. De formule wordt:
Z R
j
( L.C. ² 1)
R
.C
j
.L
1
.C
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
56
Het reëel deel wordt gelijk gesteld aan a. Het imaginaire deel aan b. De a zal de reële
waarde zijn van de impedantie en b zal de imaginaire waarde zijn. Beide waarden
kunnen afgelezen worden uit de meting van de vector analyser.
a
R
b
( L.C. ² 1)
.C
Praktische werking van het schema van de praktische capaciteit:
Daar er opnieuw verschillende condensatoren opgemeten moeten worden om de
verschillende kenmerken te bekijken zijn er een drietal verschillende modellen bekeken
zoals te zien in figuur 28. De namen voor de verschillende condensatoren die verder in
deze scriptie gebruikt worden staan er ook bij.
Van al deze condensatoren moet de impedantie curve gemeten worden en hieruit dan
de bijhorende spoel en weerstand zoeken. Deze eigenschappen zijn van groot belang
omdat in een later stadium de filter ontwikkeld moet worden. Daar zal dan de beste
condensator moeten gebruikt worden in combinatie met de al gevonden beste spoel,
en om dit te weten moeten metingen gebeuren.
Figuur 28: Verschillende condensatoren
Al de waarden van de condensatoren zijn 100nF. Dit zijn de waarden die gebruikt
moeten worden in de uitgangsfilter. De keuze om verschillende modellen te gebruiken
is omdat ze allemaal anders opgebouwd zijn en ze dus elk hun eigen parameters
hebben.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
57
Impedantie meting
Voor de impedantie van de spoelen wordt dezelfde methode als bij de spoelen
gebruikt. Er zal gebruik worden gemaakt van de vector analyser. Deze zal een sweep
sturen doorheen de condensator, hierdoor kan de Z11 parameter gaan opmeten die
overeen komt met de impedantie van de condensator. Als dit dan geweten is kan zowel
de theoretische als praktische waarde van de serieweerstand en de spoel bekeken
worden. Als beide waarden overeen komen is dit teken dat het goed is. Met deze
waarden kunnen later goede simulaties van een filter gemaakt worden.
Elektrolytische condensator
Figuur 29 toont de impedantie curve van de elektrolytische condensator. Links is er
een lineair gedrag. Dit gedeelte is puur capacitief gedrag. Daarna is er een
resonantiepiek. Hier is de condensator zuiver ohms. Daarna bezit de condensator een
inductief gedrag, dit omwille van de redenen van daarnet. Dit zal een invloed spelen op
hogere frequenties. Om de condensator te testen werd een spanningssweep van 9kHz
tot 4GHz erover geplaatst.
Figuur 29: Impedantie curve van de elektrolytische condensator
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
58
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 0,36319 Ω
b = imaginair deel = -0,9206 Ω
C = 100nF
Fres = 1,74 MHz
Fwerking = 1,1 MHz
R = 336,4mΩ
Een wiskundig programma lost de formules op en geeft de waarde van L en R. Als
resultaat wordt een spoel van 74,4nH bekomen. De waarde van de weerstand is
363mΩ. Deze waarden mogen ook aanvaard worden.
Als de spoel gewenst is dan kan dit als volgt:
fres
1
2. . L C
L
1
4 . ² . C . fres ²
De fres is 1,74MHz. Dus kan de L gemakkelijk gevonden worden. Deze heeft een
waarde van 83.6nH.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
C = 100nF
C = 100nF
R = 363mΩ
R = 336,4mΩ
L = 74,4nH
L = 83,6nH
De berekende en gemeten waarden komen goed overeen, zoals hierboven te zien. Met
deze waarden is direct duidelijk dat een condensator niet ideaal is. Omdat er hogere
frequenties gebruikt worden is het best handig om hiermee rekening te houden. Ook
voor de simulaties van de filters zal dit een ander resultaat teweeg brengen.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
59
Polypropyleen
Op figuur 30 is de impedantie curve van de polipropyleen condensator te zien.
Hetzelfde gedrag van daarnet valt op. Dus links merk is er een lineair gedrag. Dit
gedeelte is puur capacitief. Daarna terug een resonantiepiek. En daarna bezit de spoel
terug een inductief gedrag. Wat er wel direct opvalt is dat de resonantiepiek veel
scherper is. Om de condensator te testen werd een spanningssweep van 9kHz tot
4GHz erover geplaatst.
Figuur 30: Impedantie curve van de polipropyleen condensator
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 0,0212721 Ω
b = imaginair deel = -0,800277 Ω
C = 100nF
Fres = 1,92 MHz
Fwerking = 1,18 MHz
R = 22,46mΩ
Opnieuw zoekt een wiskundig programma de spoel en weerstand. Als resultaat heeft
de spoel een waarde van 73,9nH. De waarde van de weerstand is 21,2mΩ.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
60
De praktische metingen gebeuren zoals daarnet. De waarde van de spoel kan opnieuw
gebeuren als daarnet mits aanpassen van de frequentie want fres is nu 1,92MHz. Deze
heeft een waarde van 68,7nH.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
C = 100nF
C = 100nF
R = 21,2mΩ
R = 22,46mΩ
L = 73,9nH
L = 68,7nH
De berekende en gemeten waarden komen goed overeen.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
61
Polyester
Figuur 31 toont de impedantie curve van de polyester condensator. Er is weinig
verschil in vergelijking met de polipropyleen condensator. Waar het verschil wel ligt is
bij de frequenties, de resonantiepiek ligt iets verder, hierdoor kan deze condensator
werken op hogere frequenties omdat deze langer een capacitief gedrag zal vertonen.
Om de condensator te testen werd een spanningssweep van 9kHz tot 4GHz gebruikt.
Figuur 31: Impedantie curve van de polyester condensator
De gegevens die uit de meting kunnen gehaald worden zijn:
a = reëel deel = 0,02559 Ω
b = imaginair deel = -0,689203 Ω
C = 100nF
Fres = 2,41 MHz
Fwerking = 1,43 MHz
R = 14,87mΩ
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
62
Een wiskundig programma berekent de parasitaire zelfinductie en weerstand. De spoel
heeft een waarde van 47,1nH. De waarde van de weerstand is 25,5mΩ.
De praktische gebeuren zoals gewoonlijk. De fres wordt aangepast op 2,41MHz.
Hierdoor heeft de spoel een waarde van 43,6nH.
Vergelijken van de waarden levert:
Berekend
Gemeten
C = 100nF
C = 100nF
R = 25,5mΩ
R = 14,87mΩ
L = 47,1nH
L = 43,6nH
De berekende en gemeten waarden stemmen overeen. Nog steeds kan gezien worden
dat deze condensator niet ideaal is.
Conclusie
Er werden nu 3 condensatoren opgemeten. Deze hebben dus totaal andere
eigenschappen. Er kunnen nu al enkele conclusies getrokken worden. De elektrolyt zal
in elk geval niet gebruikt worden. De eigenschappen van deze zijn niet echt goed voor
onze toepassing. Dit omdat de parasitaire inductiewaarde en weerstandwaarde groot
zijn in vergelijking met de andere condensatoren en ook omdat dit soort condensator
niet invers gepolariseerd mag worden.
Dan zijn er nog de polypropyleen en de polyester over. Beiden hebben ongeveer
dezelfde resultaten. Daarom is de keuze gevallen voor de polyester condensator. Dit
omdat zijn weerstandswaarde en spoelwaarde het laagst lagen. Ook is er een
bijkomend voordeel, deze condensator is klein. Daardoor kan er plaats gewonnen
worden voor de printopbouw.
Dit was een korte vergelijking van de condensatoren. In de effectieve uitwerking van de
filter zal dan een definitieve keuze gemaakt worden van welke condensator er zal
gebruikt worden. Dit wordt uitgelegd in volgend hoofdstuk.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
63
7
Ontwerp van de uitgangsfilter
7.1 Introductie
Daar er nu geweten is hoe een spoel en een condensator zich gaan gedragen voor
verschillende frequenties kan een combinatie gemaakt worden van verschillende
elektronische componenten. Zo kan er een filter ontwikkeld worden. Er bestaan
verschillende soorten filters met elk hun eigenschappen.
7.2 Verschillende filters
7.2.1.Inleiding laagdoorlaatfilter
Een laagdoorlaatfilter is de filter die het meest gaat gebruikt worden in het eindwerk.
Zowel het ingangssignaal aan de PWM driver als de uitgang aan de H-brug gebruikt
een laagdoorlaatfilter. De keuze voor een laagdoorlaatfilter is omdat het audio gebied
bestreken moet worden. Dit loopt van 20Hz tot 20kHz. Al de frequenties hoger dan de
20kHz zijn voor de mens al niet meer hoorbaar. Dus vanaf een 20kHz moeten deze
frequenties gedempt worden.
7.2.2.RC Laagdoorlaatfilter
Aan de ingang van de versterker zal een eenvoudig RC filter geplaatst worden zoals in
figuur 32. De werking wordt hier uitgelegd.
Figuur 32: RC filter
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
64
De transferfunctie van deze kring is:
TF
Vout
Vin
1
j C
1
R
j C
Xc
R Xc
1
j C
j RC 1
j C
1
1 j RC
De fase van deze kring is:
F bgtg
R
Xc
bgtg
R
1
C
bgtg ( RC )
Om een filterkring te bekijken volstaat het om het BODE diagram te bekijken. Dit is een
diagram die een weergave geeft van de magnitude (TF) in functie van de fase (F) en
deze beiden in functie van de frequentie. Meestal wordt deze grafiek logaritmisch
afgelezen.
Om de performantie van de ingangsfilter uit te breiden zal er gebruik gemaakt worden
van een actief RC filter zoals in figuur 33. Het betekend dan een filterkring waar een
opamp gebruikt wordt. Deze wordt gebruikt omdat een passieve kring het signaal altijd
verzwakt. Wanneer een opamp gebruikt wordt is er geen last van die verzwakking.
Figuur 33: Actief RC filter
De uitgang in functie van de ingang is als volgt:
t2
Vout
1
. Vin . dt
R . C t1
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
65
7.2.3.LC Laagdoorlaatfilter
Aan de uitgang van de versterker zal gebruik worden gemaakt van een eerste orde LC
filter. Dit omdat er door de uitgang grote stromen moeten lopen en een RC filter dit niet
aan zou kunnen. Er zou al een zware vermogenweerstand gebruikt moeten worden om
de RC kring te maken. Dit zou veel plaats vragen. Het bijkomende voordeel is dat er
twee frequentie afhankelijke componenten gebruikt worden, hierdoor kan de filter
ingesteld worden naar ieders wensen. Het voorbeeldschema van deze filter wordt in
figuur 34 aangetoond.
Waar er echter rekening mee moet gehouden worden is met de verschillende soorten
die er zijn van de componenten. Dus bij een spoel goed opletten welk kernmateriaal
gebruikt wordt en bij condensatoren welke isolator gebruikt wordt.
Figuur 34: LC filter
De transferfunctie van deze kring is:
TF
Vout
Vin
1
j C
Xl
Xl
Xc
j L
1
j C
j
2
1
j C
2
LC 1
j C
1
1
2
LC
De fase van deze kring is:
F bgtg
Xl
Xc
bgtg
jwL
1
j C
bgtg (
2
LC )
De fase zal bij lage frequenties op 0° liggen. Wanneer de frequentie opgedreven word
zal de fase -180° worden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
66
7.3 Praktische realisatie
In dit gedeelte zal de keuze gemaakt worden voor de filter. Er zal een combinatie
gemaakt worden van de verschillende spoelen met de verschillende condensatoren.
Daarna moet er bekeken worden welke combinatie het beste resultaat heeft. Dit
gebeurt door simulaties door te voeren. Hierdoor kan gemakkelijk het BODE diagram
bekeken worden en het geheel beoordeeld worden.
Vooraleerst worden de resultaten van de spoelen en de condensatoren samengevat.
Doordat er drie spoelen en drie capaciteiten zijn kunnen er negen verschillende filters
gemaakt worden. Van elk van deze filters zal de bodeplot bekeken worden en daaruit
moet dan de beste gekozen worden. Deze bodeplots zijn terug te vinden in de bijlagen.
De motivatie waarom er filters wegvallen, wordt hier ook uitgelegd.
Spoelen
Luchtspoel:
L = 22µH
R = 53mΩ
C = 30pF
Zelfgewikkelde spoel:
L = 22µH
R = 19mΩ
C = 3,2pF
Gekochte spoel:
L = 22µH
R = 11mΩ
C = 29,9pF
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
67
Condensatoren
Elektrolyt:
C = 100nF
R = 336,4mΩ
L = 83,6nH
Polipropyleen:
C = 100nF
R = 22,46mΩ
L = 68,7nH
Polyester:
C = 100nF
R = 14,87mΩ
L = 43,6nH
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
68
Simulaties met de luchtspoel:
Er wordt een filter gemaakt met de luchtspoel. Daar worden dan de drie verschillende
condensatoren aan toegevoegd. Dit wordt gesimuleerd en daarna wordt de bode
diagram opgevraagd.
Er is ook een ideaal filter bij gesimuleerd om aan te tonen dat er wel degelijk een
verschil is tussen een theoretisch en een praktische filter.
Als er nu gekeken wordt naar de filter is vlot te zien dat nog deze nog goed werkt tot
een goede 1MHz. Na dat punt werkt de filter minder goed. Dit komt omdat de
inwendige weerstanden en dergelijke van de componenten een sterke invloed
beginnen hebben.
Bij ieder filter worden twee resonantiepieken verkregen. Deze komen er omdat er
componenten in parallel en serie komen te staan. Deze pieken moeten zoveel als
mogelijk onderdrukt worden omdat op zo’n momenten grote stromen ontstaan.
Het is direct zichtbaar dat de elektrolyt zich vreemd gedraagt en de filter het vroegst
begint slecht te werken. Daarom wordt deze deze condensator al geschrapt.
De keuze van condensator die hier gemaakt is, is voor de polyester condensator,
omdat deze het dichtst de ideale curve benadert. Als het fasediagram bekeken wordt
klopt deze nog tot een 1MHz. Op deze grafiek is de elektrolyt opnieuw het slechtst. De
fase verspringt van -180° naar 0° en dan naar 180°. Deze fasesprongen komen omdat
de spoelen en condensatoren anders gedragen op hoogfrequent. Er kan dus
geconcludeerd worden dat al deze componenten andere eigenschappen hebben op
hoogfrequent. Als er nu nog rekening gehouden wordt met de DC stroom van de
luchtspoel was deze nog als betrekkelijk goed ten aanzien. Dit betrekkelijke komt
omdat het niet puur lineair was.
Momenteel valt de keuze dus op de luchtspoel en de polyester condensator.
Simulaties met de zelfgewikkelde spoel:
Met de zelfgewikkelde spoel zijn de bode diagramma’s iets anders. Er zijn terug die
twee pieken te herkennen. Ook hier is de elektrolyt de slechtste condensator. Als de
filters bekeken worden kan gezien worden dat ze zich het best gedragen tot opnieuw
een 1MHz. Daarna is er terug een sterke afwijking van het ideaal filter. Ook bij het
fasediagram is er terug een groot verschil. De fasesprongen zijn opnieuw terug te
vinden. Als er hier een keuze moet worden gemaakt voor de condensator wordt dit
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
69
terug de polyester condensator. De zelfgewikkelde spoel heeft dus een ander gedrag
dan de luchtspoel en heeft eigenlijk geen al te goed gedrag. Ook als de DC stroom van
deze spoel bekeken wordt is dit niet naar onze wensen. Daarom zal die zelfgewikkelde
spoel niet gebruikt worden.
De keuze blijft dus nog steeds de luchtspoel in combinatie met de polyester
condensator.
Simulaties met de gekochte spoel:
Als de simulaties bekeken worden zijn deze zo goed als hetzelfde resultaat als deze
van de luchtspoel. Het systeem blijft goed filteren tot een 1MHz. Daarna zijn er terug
die resonantiepieken te zien. Als het fase diagram bekeken wordt vertoond dit opnieuw
een heel aantal fasesprongen. Dit is om dezelfde redenen als bij de andere filters. Dus
de grafiek van de luchtspoel en de gekochte spoel zijn zo goed als gelijk. Eigenlijk mag
er gezegd worden dat beide spoelen gebruikt mogen worden. Als de DC stroom nog
bekeken word kan gezien worden dat bij de luchtspoel deze niet perfect lineair verliep.
Als er dan gekeken wordt naar deze van de gekochte spoel is deze perfect lineair
voordat deze in saturatie overgaat.
De keuze voor de filter valt nu op de gekochte spoel in combinatie met de
polyester condensator.
Een korte samenvatting van de componenten en de reden waarom deze niet gekozen
worden word hier vermeld.
Spoelen
Luchtspoel: Een goede werking van de filter tot een 1MHz wat ruim voldoende
is voor de toepassing omdat er gewerkt wordt tot een 200kHz. Het DC gedrag
is tamelijk goed maar er wordt een zeer goede filter gewenst. De grootte van
deze spoel is ook al redelijk. Dus deze spoel zal niet gebruikt worden.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
70
Zelfgewikkelde spoel: Deze zal voor de filter ook wel nog lukken want deze
werkt ook nog goed tot een 1MHz. Helaas is van deze spoel het DC gedrag niet
denderend. Daarom werd deze spoel al vlug geëlimineerd.
Gekochte spoel: Deze filter werkt ook nog tot een 1MHZ. Het DC gedrag is ook
zeer goed. Deze spoel heeft ook nog als voordeel dat deze vrij compact is. Dus
deze spoel heeft vele voordelen en is dus ideaal voor onze toepassing. Deze
spoel is ook gemakkelijk te verkrijgen via coilcraft wat hem dus uitermate
geschikt maakt voor deze versterker. Ook spoelen van een ander merk zijn
even geschikt.
Condensatoren
Elektrolyt: In de filter kan deze wel nog mee tot een 1MHz. Helaas heeft deze
slechtere eigenschappen voor de impedantie grafiek want de serieweerstand is
veel te groot. Ook kan al vlug gezien worden dat de andere condensatoren
beter zijn dus deze elektrolyt zal niet gebruikt worden.
Polypropyleen: Deze heeft een goede werking voor de filter. De impedantie
grafiek is ook zeer goed. In feite mag deze condensator ook gebruikt worden
maar wat deze heeft is dat hij groot is. Daarom vervalt deze ook.
Polyester: Deze condensator heeft een zeer goede werking want deze benadert
de ideale filter het best. De impedantie grafiek is zeer goed en de condensator
is ook vrij compact. De keuze voor de condensator is dus ook vlug gemaakt.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
71
8
Gevolgde strategie
In de eerste maanden is er gezocht naar wat een klasse D versterker precies is.
Waarin deze verschilt met andere versterkers en waarom deze dan beter is. Ook werd
de moeilijkheidsgraad van dit concept bekeken. Al vlug werd duidelijk dat het ontwerp
van de uitgangsfilter van deze versterker wel speciaal zou worden. De realisatie van de
versterker zelf was ook niet al te eenvoudig. Dit omdat het verwerken van het signaal
anders verloopt dan bij de klassieke versterkers. Ook het aansturen van de uitgang is
anders dan bij de gewone versterkers.
Na deze complete studie van de versterker te hebben gedaan moest er op zoek
gegaan worden naar de componenten die gebruikt moesten worden. Daar er gebruik
moest gemaakt worden van een stuur IC is deze zoektocht dan begonnen. Dit door
allerhande datasheets te bestuderen en te kijken welke het best zou werken voor mijn
toepassing. Verschillende IC’s werden gevonden maar deze hadden onvoldoende
uitgangsvermogen. Uiteindelijk is de keuze dan gevallen op de LM46512 en LM4652.
Deze trokken ons direct aan omdat ze ons technisch het best leken.
Eenmaal gekend was welke IC’s gingen gebruikt worden werden deze dan besteld. De
tijd die gewacht moest worden vooraleer de IC’s geleverd werden is er begonnen met
een prototype te maken van de versterker. Dit alles hield in dat het gehele schema
moest getekend worden en de printen ontworpen moesten worden om tot een zo goed
mogelijk resultaat te komen. Deze gehele uitwerking heeft enkele weken geduurd daar
er toch een zeer goed resultaat gewenst was. Als dit gebeurt, was werd de print geëtst
en bestukt. Zo was een prototype voor handen.
Als de print bestukt was werden de verschillende delen van de schakeling afzonderlijk
getest. Eerst de voorversterker. Deze werkte naar wensen. Het signaal dat er
ingestuurd werd, kwam er versterkt uit zoals verwacht. Daarna werd het driver IC
ingeplugd en werd getest. Het IC werkte ook goed en de resultaten waren wat er
verwacht werd. De correct pulsbreedte modulatie kwam eruit en de frequentie van de
modulatie kon ingesteld worden. Daarna werd de brug nog op de print bestukt en
getest maar hier waren er toch wat problemen. Zo kreeg de brug steeds veel te warm
en kwam er geen gewenst resultaat aan de uitgang. Na wat zoekwerk werd
geconcludeerd dat er een fout zat in het ontwerp. De mosfets werden steeds
aangestuurd maar niet uitgeschakeld met als gevolg dat er continu een kortsluiting was
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
72
van de voeding naar de massa. Dit resulteerde dus in het opwarmen van de brug en
het stuk gaan van de brug.
Doordat de fout gevonden was werd de print wat aangepast. Ook wat componenten
werden aangepast en wat bijkomstigheden werden aan het schema en aan de print
toegekend. Zo werd er een goed afgewerkt resultaat verkregen. Na dit alles getekend
te hebben werd een nieuwe print geëtst en bestukt. Opnieuw werden alle metingen
gedaan en de conclusie was dat alles nu wel goed werkte. De brug kreeg niet meer
warm en op de uitgang was het gewenste resultaat te zien. Daar er voor de tests in het
labo de bron onvoldoende vermogen kon leveren werd er nog een extra voeding
bijgemaakt om zo genoeg stroom te kunnen leveren.
Op dit moment gekomen was er nu al een versterker die zijn werk deed maar er moest
nog een gehele studie gemaakt worden van de uitgangsfilter. Door de voorstudie die er
gebeurd was werden al vlug enkele zaken duidelijk waar rekening mee moest
gehouden worden.
Zo is er eerst begonnen met het bestuderen van de verschillende componenten in de
filter. Dit was dus de spoel en de condensator. Deze componenten waren complexer
dan gedacht. Van deze componenten werd de impedantie gemeten om zo
berekeningen en simulaties te kunnen doen. Van de spoelen is er ook nog de DC
stroom bestudeerd. Door dit alles te doen werd ingezien dat er een groot verschil is
tussen een theoretische component en een praktische component. Gelukkig werd alles
goed bestudeerd want dit was noodzakelijk om een goede filter te kunnen ontwerpen.
Als alle componenten dan gecontroleerd waren zijn deze dan allemaal gesimuleerd om
zo een verschillend gedrag te zien van de verschillende filters. In totaal werden er
negen filters gesimuleerd, getest en bekeken. Door eliminatie werd er dan tot het beste
filter gewerkt. Doordat er nu een goede filter ontwikkeld was werd deze dan
aangesloten op de versterker en dit gaf een zeer goed resultaat. Door aanleg van
muzieksignaal aan de ingang kwam er aan de uitgang van de filter het versterkte
signaal eruit. Dus het gewenste resultaat werd bereikt, er komt een goed
muzieksignaal uit en dit zonder veel ruis en veel extra problemen.
Als dit alles gedaan was is er begonnen met alles te bundelen. Dit resulteerde zich in
deze scriptie.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
73
PROJECT SHEET
Project titel: Bestuderen en realiseren van een klasse-D versterker met een studie
van het uitgangsfilter.
Project Type: Studie + realisatie
Firma: PIH , Graaf Karel de Goedelaan 5, B-8500 Kortrijk
Project team: Bourgois Dimitri, Minjauw Wouter
Doelstellingen:
Het bestaande ontwerp van de klasse-D versterker gaan
verbeteren of zelfs gaan vernieuwen zodanig dat een goed ruisvrij
en geluidsvriendelijk signaal verkregen wordt.
Een studie maken van verschillenden soorten uitgangsfilters om zo
de verschillende kenmerken te weten te komen.
Kwaliteits voorwaarden:
Volgens wetgeving: Nee
Veiligheidsvoorschriften: Nee
Milieuvoorwaarden: Nee
Input:
Basiskennis Elektronica Bourgois D.
Basiskennis versterkers Bourgois D.
Opzoekingswerk van Bourgois D.
Kennis van Minjauw W.
Wekelijks contact met Minjauw W.
Componenten geleverd door PIH
Output:
Een goede studie en realisatie van LC filters en versterkers
Een degelijk uitgangsfilter voor een goede muziekkwaliteit
Eindwerk voor het PIH
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
74
Op wat beoordelen:
Realisatie en kwaliteit van de versterker en LC filters
Performantie van de filter
Op wat niet beoordelen:
Kostprijs
Goedkeuring projecteigenaar
Goedkeuring projectleider
naam: Minjauw Wouter
naam: Bourgois Dimitri
datum:
datum:
handtekening:
handtekening:
Mijlpalen tijdens het project:
No.
Mijlpaal
Datum
1
Studie Klasse-D verstekers + LC filters
21-10-05
2
Studie van de bestaande versterker plus een
23-12-05
eventueel nieuw ontwerp
3
Theoretisch ontwerp van LC filters
10-03-06
4
Praktische realisatie van de filters + test
05-05-06
5
Integratie van versterker en filter
19-05-06
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
75
9
Componentenlijst
Tabel 5: Benodigde componenten voor de realisatie van de versterker
Aantal
14
4
1
1
1
2
1
2
5
2
3
1
1
1
9
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
4
1
1
1
1
2
2
2
12
1
2
4
Component
Waarde
Label
C12,C25,C4,C15,C27,C16,C6,C28,
CAPACITOR
100nf
C18,C19,C9,C20,C10,C11
CAPACITOR
1nF
C2,C26,C29,C32
CAPACITOR
1µF
C1
CAPACITOR
2,2nF
C3
CAPACITOR
390pF
C17
CAPACITOR
50pF
C38,C39
ELCO
1,5µF
C23
ELCO
1000µF C34,C31
ELCO
1µF
C13,C8,C30,C21,C33
ELCO
4700µF C14,C22
ELCO
47µF
C24,C5,C7
HDR_3
HDR_3
J2
HDR_3
HDR_3
J5
HDR_4
HDR_4
J1
JUMPER
JUMPER JP9,JP1,JP2,JP3,JP4,JP5,JP6,JP7,JP8
LM4651
LM4651 LM4651
LM4652
LM4652 LM4652
LM833
LM833
LM833
POT.METER_1 10k
P2
POT.METER_1 20k
P1
RESISTOR
100k
R13
RESISTOR
10k
R5,R10
RESISTOR
1k
R4
RESISTOR
1M
R12
RESISTOR
2k7
R2,R3
RESISTOR
3.3
R14,R15,R16,R17
RESISTOR
39k
R9
RESISTOR
3k3
R11
RESISTOR
47k
R1
RESISTOR
5k1
R8
RESISTOR
620k
R18,R20
RESISTOR
62k
R19,R21
RESISTOR
750
R6,R7
TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,TP6,
TEST_PIN
TESTPIN
TP7,TP8,TP9,TP10,TP11,TP12
WISSCH
Wissch
SW1
ZENER_DIODE 12 V
D1,D2
ZENER_DIODE 1A / 50 V D3,D4,D5,D6
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
76
Besluit
Wat de samenwerking betreft met school en de begeleider werd dit als zeer vlot
beschouwd. Hier werd geen slechte ervaring aan overgehouden. Van alle zaken die
gevraagd werden werd zo vlug als mogelijk voor gekeken en eventuele problemen
werden zo vlug mogelijk opgelost.
Wat het project betreft zijn we tevreden van het resultaat. Alles wat gevraagd werd is
afgewerkt kunnen worden binnen het gewenste tijdsdomein. Ook het resultaat is zeer
goed. De versterker werkt zeer goed, is zeer compact, is zeer ruisarm en bovenal is de
kostprijs zeer laag. Met andere woorden is deze versterker alles wat men de dag van
vandaag verwacht van een versterker.
Bij de studie van de filters was ik wat geschrokken. Het was de eerste keer dat een
echte zoektocht gemaakt werd met betrekking tot zowel condensatoren als spoelen. Dit
omdat er een grote variatie is van wat allemaal bestaat en met wat er al rekening mee
gehouden moet worden. Zowel qua materialen, vormen, soorten en veel meer is dit
zeer complex. Voor iedere praktische toepassing bestaat er wel een geschikte spoel en
condensator. Deze studie werd goed gedaan zodanig dat een goede filter kon gemaakt
worden die in de toepassing een goed resultaat kon geven.
Ik ben blij dat het resultaat, dat er bereikt is na deze periode, werkt en een mooi geheel
kan vormen. Veel kan er niet verbeterd worden want persoonlijk denk ik dat alles dat
gedaan kon worden ook effectief gebeurd is.
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
77
Bibliografie
Ronan van der Zee, High efficiency Audio Power Amplifiers, 1e druk, Nijmegen, 1999,
115blz. ( ISBN 90-36512875)
W Marshall Leach, Introduction to electroacoustics and Audio Amplifier design, 2e druk,
2001, 298blz. (ISBN 0757503756)
Bruno Putzeys, Digital audio’s final frontier, 1e druk, Maart 2003, blz 35 -39
LM4651. Datasheet, National Semiconductor, Juni 2004, 32blz.
LM4652. Datasheet, National Semiconductor, Juni 2004, 32blz.
PCV-2series. Datasheet, COILCRAFT, Januari 2005, 3blz.
Cursus versterkertechniek 3e jaar Chris Stevens
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
78
Bijlagen
Bijlage 1: Schema
Bijlage 2: Printontwerp
Bijlage 3: Capaciteitsverandering
Bijlage 4: Simulaties van de filters
Bijlage 5: Datasheet van de LM4651 en LM4652
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
79
Bijlage 1: Schema
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
80
Bijlage 2: Printontwerp
Top:
Bottom:
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
81
Bijlage 3: Capaciteitsverandering
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
82
Bijlage 4: Simulaties van de filters
Luchtspoel:
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
83
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
84
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
85
Zelfgewikkelde spoel:
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
86
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
87
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
88
Gekochte spoel:
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
89
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
90
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
91
Bijlage 5: Datasheet van de LM4651 en LM4652
______________________________________________________________________
Studie en realisatie van een klasse-D versterker
92