Bestuderen en realiseren van een klasse-d versterker met een studie van het uitgangsfilter

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


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


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


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.


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.


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


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


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


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


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


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


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


19

Figuur 13: Schema van de voorversterker


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


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.


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


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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


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


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


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


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.


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


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.


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


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.


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.


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


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


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


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.


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


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


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”.


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%


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.


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


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.


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


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.


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.


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.


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


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.


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


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


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.


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


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


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


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.


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.


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


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.


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


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


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


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.


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


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


79

Bijlage 1: Schema


80

Bijlage 2: Printontwerp Top:

Bottom:


81

Bijlage 3: Capaciteitsverandering


82

Bijlage 4: Simulaties van de filters Luchtspoel:


83


84


85

Zelfgewikkelde spoel:


86


87


88

Gekochte spoel:


89


90


91

Bijlage 5: Datasheet van de LM4651 en LM4652


92

Bestuderen en realiseren van een klasse-d versterker met een studie van het uitgangsfilter

Recommend Documents