Mikrokontroler.pl - portal dla elektroników

Zbudowanie wzmacniacza audio dużej mocy do samochodu jest zadaniem trudnym ze względu na bardzo niską wartość napięcia dostępnego zasilania.
Rozwiązaniem większości problemów będzie przetwornica opisana w artykule – przy jej pomocy bez trudu można osiągnąć napięcie wyjściowe rzędu 24..30 V przy dostarczanej mocy ok. 70 W.

Napięcie w typowej instalacji samochodowej wynosi 12 V. Zasilanie wzmacniaczy mocy tak niskim napięciem powoduje, że ich maksymalne osiągi nie są najlepsze, a straty mocy w postaci wydzielającego się w przewodach i strukturze układu wzmacniającego ciepła, bardzo wysokie. Najprostszym sposobem uniknięcia tego typu problemów byłoby zwiększenie wartości napięcia zasilającego, a przynajmniej amplitudy napięcia zasilającego głośniki. Jak to zrobić bez ingerencji (często niemożliwej do przeprowadzenia) w instalację elektryczną samochodu?
Pierwsze rozwiązanie wymaga zastosowania przetwornicy napięcia zasilającego, drugie – znacznie prostsze – wymaga rozbudowania wyjściowych stopni wzmacniacza i zasilania głośnika w układzie mostkowym.
Przedstawiona w artykule bardzo prosta przetwornica impulsowa pozwala bez zbytnich nakładów finansowych i angażowania specjalistycznej wiedzy z zakresu techniki impulsowej przetworzyć napięcie 12 V na napięcie mieszczące się w zakresie 22..30 V, przy maksymalnej mocy dostarczanej do obciążenia rzędu 80 W. Jest to więc moc w zupełności wystarczająca do zasilenia jednego stopnia wyjściowego wzmacniacza audio.
Urządzenie opisane w artykule zostało opracowane przez inżynierów aplikacyjnych firmy Texas Instruments, autor dostosował tylko parametry niektórych elementów do realiów naszego rynku.

Opis układu

„Sercem” przetwornicy jest układ specjalizowanego sterownika TL497, który został opracowany w firmie Texas Instruments. Na rys. 1 przedstawiony został uproszczony schemat blokowy wnętrza tego układu. Jak widać na rysunku w jego strukturze zintegrowane zostały wszystkie elementy przetwornicy, które pozwalają zbudować kompletną przetwornicę o niewielkiej mocy wyjściowej. Wbudowana w strukturę układu szybka dioda prostownicza oraz bipolarny tranzystor zoptymalizowany do pracy jako klucz prądowy pozwalają na stosowanie układu TL497 jako samodzielnej przetwornicy podnoszącej (rys. 2) lub obniżającej napięcie. Ze względu na ograniczoną moc tych dwóch najbardziej istotnych dla pracy przetwornicy elementów maksymalny prąd kluczowany nie powinien przekraczać ok. 500 mA.
Aby uzyskać większe prądy wyjściowe, co automatycznie podnosi moc oddawaną do obciążenia, niezbędne jest zastosowanie zewnętrznego, impulsowego tranzystora mocy oraz szybkiej diody kluczującej. Na rys. 3 przedstawiony został schemat elektryczny proponowanego rozwiązania. Jako element kluczujący wykorzystano tranzystor unipolarny BUZ10. Jest to bardzo szybki tranzystor z kanałem N, którego cechą charakterystyczną jest bardzo mała wartość rezystancji włączonego kanału. Jak podaje producent, przy prądzie drenu 10 A i napięciu pomiędzy bramką i źródłem ok. 7 V rezystancja włączonego kanału nie przekracza 0,07 ? (w temperaturze zbliżonej do pokojowej). Na rys. 5 przedstawiona została charakterystyka przedstawiająca zmiany dopuszczalnej wartości prądu drenu w funkcji temperatury obudowy tranzystora. Jak widać, temperatura w jakiej pracuje tranzystor ma bardzo duże znaczenie dla jego trwałości i sprawności energetycznej całej przetwornicy.
Bramka tranzystora T1 kluczowana jest z wyprowadzenia 11 układu US1. Nie jest to typowe wyjście tego układu – producent zaleca wykorzystywanie jako stopnia separującego wyjście oscylatora od obciążenia tranzystora, który jest wbudowany w strukturę układu. Rozwiązanie zastosowane na schemacie z rys. 2 nie powoduje jednak żadnych nieprawidłowości w pracy przetwornicy, a umożliwia oszczędzenie dwóch rezystorów. Rezystor R4 (włączony równolegle pomiędzy bramkę i źródło T1) umożliwia szybkie rozładowanie pojemności wejściowej tego tranzystora, co przyspiesza jego „zamykanie” po zakończeniu impulsu sterującego.
Na rys. 6 przedstawiony został oscylogram, przedstawiający kształt impulsu sterującego bramkę T1 (przebieg dolny) i reakcję na niego (napięcie na drenie T1 – przebieg górny). Czas trwania tego impulsu wynosi ok. 50 µs i jest ustalony poprzez odpowiedni dobór wartości pojemności kondensatora C2.
Jak widać na rys. 6 po zakończeniu impulsu sterującego na drenie tranzystora kluczującego następuje duży skok napięcia i po chwili gasnący przebieg sinusoidalny, który jest wynikiem rezonansu własnego dławika. Na rys. 7 przedstawiony został powiększony fragment tego przebiegu, który umożliwia dokładne obejrzenie kształtu tego przebiegu. Rysunek ten nie ma dużego znaczenia praktycznego, przedstawiamy go tylko ze względu na walory poznawcze.
Napięcie wyjściowe przetwornicy reguluje się przy pomocy potencjometru P1, który jest włączony w gałąź sprzężenia zwrotnego, poprzez które zasilane jest nieodwracające wejście wzmacniacza błędu (komparatora). Dzielnik napięciowy tworzą wraz z potencjometrem P1 rezystory R2 i R3.