Class D audio PA on 136kHz by R7NT 2013

1. Prototype
2. KIT
3. Modification
4. Design
5. Measurements
6. Tuning


Кто первым предложил и реализовал в железе линейные усилители класса D для аудио с ШИМ(PWM) я точно не знаю. Можно предположить, что это были TI, поскольку в 1999 году у них уже фигурируют Class D audio power amplifier в Techical report. Ещё есть статья датированная January 2001.
В чём "фишка" применения таких усилителей?: высокая экономичность по потреблению, линейность и очень хорошие и стабильные параметры, возможность регулировать выходную мощность PA также как и у обычного усилителя - входным потенциометром, отработанные конструкции и технологии по элементам и защите усилителей, разнообразие предлагаемых уже готовых конструкций по сравнительно низкой цене (массовое производство)... Почему бы не попробовать "перегнать" их на 136kHz?
IR (International Rectifier) (и не только она, а почти все производители аудио: Maxim, TI, Philips, Sanyo...) начала выпускать с 2005 года целый ряд специализированных микросхем для аудио усилителей класса D - part 1 и part II. Например, такие как IR2011S и IR2092 с Application Note AN-1138 и более современные и ещё более экономичные IR43xx. Также разработаны специальные полевые транзисторы.
Были предложены практические варианты реализации аудиоусилителей D класса и начата продажа KIT'ов для разработчиков. Проанализировав варианты аудио усилителей класса D разных фирм-производителей, я остановился на PA на основе IR2092:
IRAUDAMP7D , IRAUDAMP7S и мощного IRAUDAMP9 как наиболее удобных для переделки на наши 136kHz, а главное очень хорошо описанные авторами и повторены сторонними производителями аудио.

back to top


IR опубликовала в свободном доступе все платы и монтажки своих конструкций, но делать платы, закупать компоненты и потом всё это собирать в моих условия затруднительно. Сами же KIT'ы от IR стоят достаточно много на мой взгляд - например iraudamp7s за $199. Простым поиском в инэте я обнаружил китайские аналоги KIT'ов IR от Sure Electronics Co, Ltd , но по цене практически в 5 раза ниже! Та же iraudamp7s за $38 на ebay и это уже цена с доставкой. Есть и американские аналоги (по некоторым внешним признакам) от classDaudio , которые дешевле чуть меньше чем в 2 раза от IR (iraudamp7s за $145). Пока я раздумывал какой вариант заказывать у Sure, мне достался случайным образом в самом Таганроге китайский вариант 2х125W. Анализ показал, что это упрощенный вариант IRAUDAMP7S-150 только без некоторых элементов:
- для использования обоих каналов усилителя одновременно в мостовой (Bridged) схеме (получается режим Mono, но выходная мощность удваивается) отсутствуют некоторые элементы: U300 (одноканальный операционник TLC071), резисторы R300 (22k), R301(22k) и переключатель S300 включения усилителя в режимы Stereo или Mono. Входной сигнал при Bridged (Mono) подаётся только на канал A.
- отсутствуют светодиоды сигнализации "Авария" CSD1A/B и и элементы его включения FET2A/B (BS250P) и R14A/B (4,7k),
- нет выключателя S1 (Mute) - отключение ШИМ и управляющих выходными транзисторами напряжений
- не установлен на радиаторе терморезистор TH100 TH 2,2k (NTC), хотя все остальные нужные элементы запаяны (Q101, R101-R104)
и несколько другая конструкция радиатора. Сама плата полный аналог IR - даже элементы пропечатаны как у IR !

back to top


Мой вариант модификации IRAUDAMP7S (ссылка на элементы по схеме IRAUDAMP7S ) для 136kHz на коаксиал 50 Ом:
- замена электролитического конденсатора CP1 на неполярный 470nF
- убрал C1 на 1nF (вообще-то лучше подобрать с несколько меньшей ёмкостью и обрезать по входу верхние частоты)
- убрал R28 и R29 (вообще-то лучше подобрать вместе с C8 и C9)
- убрал R30 (вообще-то лучше подобрать вместе с C13 при необходимости)
- заменил L1 22uH на другую с 14.6uH (конструкция ниже)
- заменил C12 0.47uF на 0.148uF типа К71-7 250V
- сделал тр-р 4 Ом / 50 Ом на кольце (не было достаточного - пришлось задействовать какое было - излишнего габарита :-) 63х36х28 N87 c первичной 10 витков и вторичной 21. При настройке на активные 50 Ом пришлось домотать первичную и немного отмотать со вторичной - поэтому соотношение не совсем "то".

Поскольку первичная обмотка очень грелась, то для исключения насышения кольца (2 кольца М2000 28х16х9) сделан один пропил "болгаркой" диском 1.6мм. Кол-во витков 10 - индуктивность 14.6uH
L1_C12
L1 и C12 вполне помещаются и сверху платы - т.е. показан отладочный вариант расположения.
Частоту ШИМ (PWM) установил ~530кГц (сейчас у меня около 600кГц)

back to top



Усилитель собран в более-менее подходящем металлическом корпусе размерами 380х300х100 (великоват). Имеется возможность снимать все боковые крышки, что очень удобно.
PA1PA2PA4PA3
Кликайте и смотрите увеличенные картинки. Кажется обратной стороны усилителя в инэте ещё нет.
БП сделан из перемотанного тр-ра ТС-330 - намотаны 2 вторичные обмотки по 140 витков проводом 1.7мм на каждой половине тр-ра. Мост KBPC2510W (25A 1000V) установлен на радиатор. В каждом плече по 2 конденсатора 10000uF 80V. Ёмкости и каждый диод зашунтированы блокировочными конденсаторами, а ёмкости дополнительно 2Вт резисторами по 2К. Поскольку необходимо двухполярное питание +\- 55V, то применена мостовая схема со средней точкой - тогда провод необходим меньшего диаметра.
PS
Выходной согласующий тр-р и L1 с C12 вообще-то можно исключить, если пересчитать L1 и C12 на согласование 4 Ом \ 50 Ом на частоте 137kHz. Например, в MMANA, используя её сервис "СУ на LC"LC
Требования к L те же что и к L1, описанной выше. Конденсатор должен иметь напряжение 1kV как минимум и хорошего качества. Как будет возможность, то попробую этот вариант.

back to top


  • 5. MEASUREMENTS
17 Feb удалось наконец всё закончить и приступить к испытаниям. На активной нагрузке 50 Ом получались устойчивые 250 Вт с очень чистой синусоидой. Вообще-то многочисленные защиты усилителя работают отлично - чуть чего-то не так - сразу выключается ШИМ. Но конечно всего не предусмотрели - бывают совсем дураки, которые суют разное железное прямо в плату со стороны SMD монтажа :-( Реактивные нагрузки усилитель переносит достаточно легко, хотя опять же, при превышении известных только производителям IR2092 параметров, срабатывают защиты. Есть особенность - если запитать усилитель прямо на антенну, то при увеличении реактивной составляющей антенны, ток в антенне продолжает расти и защиты срабатывают при около 330 Вт выходной ! Полагаю, что в этом случае выходное сопротивление усилителя стремится к малым значениям. Ведь по параметрам IR данный усилитель имеет 125 Вт на 8 Ом нагрузке и 250 Вт при 4 Ом. - т.е. чем меньше нагрузка, тем выше выходная мощность.
Проверил сквозной КПД усилителя с БП: з сети ~220V потребляет 276W, а на нагрузке получается 225W = 81,5 %. Причём чем выше выходная мощность, тем выше и общий КПД. Правда из-за не очень мощного трансформатора падает постоянное напряжение питание PA и мощность а автенну "плавает" из-за нестабильности сетевого напряжения

back to top


  • 6. TUNING
Согласование РА с антенной на ДВ всегда являются очень непростой задачей. Самый простой вариант - это ламповый усилитель, который "цепляется" прямо на антенну. Самый сложный - самодельный усилитель класса D, который подсоединяется к антенне через коаксиальный кабель. В мое случае вариант более-менее, поскольку усилитель имеет многочисленные защиты, но осложнен удаленностью собственно СУ антенны от PA.
После многочисленных экспериментов, я решил задачу следующим образом (как мне кажется самый быстрый и точный способ):
- измерил AA-54 импеданс антенны на 137kHz на зажимах без ёмкости: Z=29 + j340 Ом
- просчитал в MMANA в сервисе "СУ на LC" согласование антенны с 50 Омным коаксиалом
ant_coax
(вообще-то импеданс на резонансе 137kHz с резонансной ёмкостью показывал Z=26 Ом чистых - почему пока не понял (?). Но в реальности почти такие номиналы конденсаторов и получились в конце-концов. Возможен вариант без параллельного конденсатора - там будет индуктивность (щелкните конд последовательно), но я остановился на конденсаторах (которые у меня в избытке и они практически всегда имеют значительно больший Q чем катушки)
- подсоединил 50 Омный коаксиал длиной порядка 30-40м и проверил Z в шэке - чистые Z=50 Ом
- усилитель, настроенный на активные 50 Ом сразу же заработал без проблем - перестройка по частоте только изменяла ток в антенне - на 136kHz больше 3А, а на 137.8 - около 2.5А. Измерения напряжения на зажимах антенны и пересчет на токи показали, что реальные выходные мощности были только вблизи частоты где было чисто активное сопротивление антенны. На краях диапазона были какие-то нереальные больше 460 Вт или совсем маленькие. В общем-то это и понятно - фазы между током и напряжением там совсем не совпадали. Т.е. высокие напряжения и токи не всегда являются признаками и высокой мощности в антенне. При самом простом варианте, конечно ток в антенне очень хороший вариант настройки. Хотя например какой-то вариант отдельного индикатора поля (неонки в простейшем случае) является более точным показателем степени согласования РА с антенной. Лучше детекторный приёмник и головка приборная на выходе для большей точности.
При моей достаточно широкополосной системе можно ещё более улучшить согласование, которое позволит вообще не подстраивать согласование в любом участке диапазона.
Схема такая
Z sceme

Reflection (КСВ) в диапазоне
z-refl

Соотношение Reflection c КСВ:
-30dB - 1.07
-25dB - 1.12
-20dB - 1.22
-15dB - 1.43
-10dB - 1.92
Т.е. поле деятельности и экспериментов необъятны, если чем-то увлечься и чем очень хочется заняться... Может кому из Вас это будет тоже интересно...

back to top


Успехов на ДВ !

© 2003-12 R7NT