Dr.Godfried-Willem Raes

Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 2: live electronics - klankonderzoek

Hogeschool Gent: Departement Muziek en Drama

<Naar inhoudstafel>

<Naar vorige paragraaf>

2001:

ANALOGE VERSTERKERS

Over dit onderwerp zijn boekenkasten vol geschreven. Immers, versterkers zowel voor het audiobereik, als voor HF-signalen, treft men aan in zowat alle elektronische toestellen. Het is in onze tijd niet meer lonend zich nog bezig te houden met de opbouw van een audioversterker uit 'diskrete' onderdelen (transistoren, weerstanden, kondensatoren). De alsmaar toenemende integratie op chips in de elektronika evenals de alsmaar toenemende kwaliteit van de op de markt verkrijgbare geintegreerde schakelingen, maakt dat we ons in het frekwentiegebied van 0Hz (DC dus) tot zo'n 250MHz en hoger zelfs, niet meer met diskrete schakelingen hoeven bezig te houden wanneer we kwalitatieve eisen stellen. De in IC-vorm voorhanden versterkers kunnen we als komplete bouwstenen aanwenden.

Aangezien we ons in deze kursus toch in eerste instantie tot het audiogebied beperken, volstaat ons een goede kennis van slechts een enkele fundamentele komponent op versterkergebied: de operationele versterker.

Van dit type versterker zijn vandaag zo'n 10000 verschillende types als IC verkrijgbaar. Uiteraard zijn ze niet allemaal voor dezelfde doelen optimaal geschikt. Zo onderscheiden we volgende toepassingsgebieden:

• - laag-signaal versterkers (mikrofoonsignalen bvb.), waarbij dan vooral een geringe vervorming en een uiterst lage ruisbijdrage van belang zijn.
• - buffer, waarbij we letten op een hoge ingangsimpedantie en een hoge snelheid
• - vermogensversterkers, waarbij uiteraard het geleverde vermogen een rol speelt
• - precizieversterkers, die we vooral bij transducer toepassingen inzetten en waarbij stabiliteit en absolute fout erg belangrijk zijn.

Voor audio kunnen we stellen dat volgende eigenschappen in eigenlijke zowat elke denkbare toepassing van groot belang zijn:

• - ruisbijdrage
• - bandbreedte
• - slew-rate
• - vervorming

Over deze operationele versterkers en de ermee verbonden ontwerptechniek bestaat een overvloed aan eenvoudige en goed toegankelijke literatuur. (cfr. literatuurlijst) zodat we er hier niet erg diep zullen op ingaan. We volstaan met het kort samenvatten van de fundamentele eigenschappen, schakelschemas en formules.

Operationele versterkers

1. Fundamentele schakelingen

Niet inverterende versterker:

Av= 1 + Rf/Ri Ingangsimpedantie: 'oneindig'

Wanneer in deze konfiguratie Rf=0 genomen wordt en Ri geheel wordt weggelaten ('oneindig') dan spreken we van een buffer. De versterking is dan heel precies 1x.

Inverterende versterker

Av= Rf/Ri Ingangsimpedantie= Ri

Ook in deze konfiguratie is een buffer mogelijk: neem Rf=Ri, maar in dit geval zal de ingangsimpedantie beperkt worden door Ri zelf. Daarom (o.m.) wordt zo'n buffer, behalve als zuivere invertor (de faze van in en uitgangssignaal zijn 180 graden verschoven), zelden gebruikt.

Bij veralgemening kunnen de komponenten Rf en Ri ook komplexe netwerken zijn samengesteld uit weerstanden, spoelen en kondensatoren. Ook in dit geval, blijven bovenstaande formules geldig, ook al zullen zij afhankelijk worden van de frekwentie van het aangeboden signaal evenals van de fazeverschuivingen veroorzaakt door kapacitieve en reaktieve komponenten. Om die reden dienen we onze berekeningen in zulke gevallen uit te voeren met komplexe getallen.

In de veralgemeende vorm dienen we dan ook te schrijven:

waarbij Zff en Zif als komplexe getallen of poolkoordinaten behandeld dienen te worden.

Verschilversterker:

Uo= (Ua - Ub) Av

Somversterker:

Uo= -(Ua + Ub) Av

Som en verschilversterker:

Uo= (Ua + Ub - Uc -Ud).Av

2. Niet lineaire analoge komputerschakelingen

Gelijkrichter zonder offset:

Dubbelzijdige gelijkrichter:

Piekspanningsdetektor:

Berekening van de grootste waarde van n veranderlijke inputs

Logaritmische versterker schakeling:

PRAKTISCHE TOEPASSINGEN EN ONTWERPEN

1.- 10x of 20dB versterker

Uiterst eenvoudig is volgende schakeling waarmee een signaal met een faktor 10 kan worden opgekrikt:

De toegepaste opamp is een OP07 of OP77 en er werd geopteerd voor de konfiguratie als niet inverterende versterker. Wil je de schakeling voor heel kleine ingangssignalen gebruiken dan vervang je de OP07 best door een OP27 die een veel geringere ruisbijdrage levert, maar daartegenover niet zo goed bestand is tegen oversturing van zijn ingangen.... Goedkopere opamps die in zulke schakeling ook voldoen zijn bvb. TLO71.

Hoewel niet getekend in het schema, moeten toch zowel de positieve als de negatieve voedingsspanning degelijk ontkoppeld worden middels twee 0.1mF kondensatoren.

Berekening van de versterkingsfaktor:

Rf = 100kOhm

Ri= 11.100 Ohm

Av = 1 + ( Rf/Ri)= 1 + (100000/11100)= 1+ 9 = 10

2.-vermogensversterker 150Watt met LM12 chip

De LM12 is een ‘reuze’ op amp die maar liefst in staat is tot het afleveren van een vermogen van 150Watt. Om daartoe in staat te zijn, leeft hij verpakt in een gemodificeerde TO3 behuizing en dient hij op een behoorlijke koelvin te worden aangebracht. De op-amp wordt zoals gebruikelijk gevoed uit een symmetrische voedingsspanning, maar een die in dit geval wel oploopt tot 80Vpp (dus + 40V en -40V). De vervorming blijft ook bij volle uitsturing over een belasting van 4 Ohm beperkt tot 0.01%.

Het opbouwen van een dergelijke power audio-opamp met behulp van deze chip is, afgezien van de mechanika die onvermijdelijk gepaard gaat met het boren en maken van de nodige koelvinnen en het chassis, een fluitje van een cent.

We ontwierpen een handzame en gemakkelijk na te bouwen printplaat in het eurokaartformaat (100mm X 160mm) waarop alle onderdelen plaats vinden behalve de voedingstransformator. Hiervoor neem je best een exemplaar dat sekondair twee maal 25Volt bij 6A (AC) kan leveren. Het transformatorvermogen dient zo’n 50% groter te worden genomen dan het te verwachten te leveren vermogen aan de belasting van de versterker. Bij gebruik van 8 Ohm luidsprekers volstaat een 150Watt transfo ruimschoots. Voor 4 Ohm kies je beter een 200Watt exemplaar. De primaire spanning dient vanzelfsprekend overeen te komen met de gebruikelijke netspanning (230 of 240V)

Merk op dat deze versterker niet is voorzien van enige vorm van high-pass filtering: zijn frekwentiekarakteristiek begint dus werkelijk bij 0 Hz (het is m.a.w. een zuivere gelijkspanningsversterker!) en loopt in de hoogte tot voorbij het audiobereik.

Om het ontwerp in een professionele audiokontekst inzetbaar te maken, werd een symmetrische ingangstrap toegevoegd, zodat we de versterker kunnen uitsturen met een gebalanceerd line-level (0dB/600 Ohm) signaal afkomstig van een professionele mixer bvb. Het uitsturen met een assymmetrisch signaal behoort natuurlijk ook tot de mogelijkheden, maar dan verzaken we wel aan de voordelen verbonden aan het gebruik van symmetrische lijnen (cfr. Boekdeel 4: audiotechnologie!).

Voor de realisatie van deze symmetrische ingangstrap maken we gebruik van een speciaal type opamp, nml. De SSM2141, geoptimaliseerd voor gebruik in professionele audio-schakelingen. Deze opamp heeft een eigen vervorming van slechts 0.001% (d.i.-100dB) en een bandbreedte tot 3 MHz. Wanneer de standaard bufferkonfiguratie niet wordt gebruikt, dienen de weerstanden waarmee de versterkingsfaktor wordt ingesteld in elk geval hoge precisieweerstanden te zijn! (0.01%). Niet hun absolute waarde is daarbij van groot belang, maar wel hun onderlinge gelijkheid.

Voor wie het ontwerp wil narekenen:

• de eindtrap met de LM12 heeft een versterking van Av= 1+ (3k3/1k1) = 4
• gevoed uit een 2x25V wisselspanning van de transfo, krijgt de opamp na gelijkrichting en afvlakking, een gelijkspanning toegevoerd van 25V * 2^0.5 = 35V positief en negatief (70Vpp). Het toelaatbaar maximum is 80Vpp, waarmee we dus aan de veilige kant blijven
• Hiervan uitgaand kunnen we nu het uitgangsvermogen in funktie van de aangesloten belasting narekenen alsvolgt:
• Uout max opamps = 25Vrms
• maximale stroom bij een belasting van 8 Ohm = 25V/ 8 = 3.125A. Bij 4 Ohm belasting loopt dit op tot 6.25A. Het vermogen bij 8 Ohm is dus: 3.125A * 25V = 78Watt en bij 4 Ohm uiteraard het dubbele, nml. 156Watt. Merk op dat we hier uitsluitend rekening houden met sinusvermogens! Wil je meer flaterende cijfers om meer indruk te maken op vrienden en vriendinnen, dan vermenigvuldig je alle waarden met 2.2^0.5, en krijg je het muziek-piekvermogen: bij 4 ohm komen we dan uit op zp’n 441Watt...
• De versterker is, zoals we eerder zagen, gedimensioneerd voor een spanningsversterking van 4x, waaruit we kunnen afleiden dat hij -voor volledige en maximale uitsturing, een ingangssignaal dient toegevoerd te krijgen van 25V/4= 6.2V rms. Willen we de versterker volledig kunnen uitsturen met een ingangssignaal van 0dB (waarbij we dan echter absoluut geen headroom meer overhouden), dan dienen we een voorversterkertrap toe te voegen waarvan de versterkingsfaktor 6.25V/0.775V= 8 dient te bedragen.
• Dit kan met de SSM2141 gerealiseerd worden door in serie met de ingebouwde 25kOhm gain-weerstanden, twee precizieweerstanden te schakelen van 120kOhm: een in de feedbackloop, en een in de groundreturn van de niet-inverterende ingang. Dit laatste is kritisch wanneer we de symmetrie perfekt willen houden en dus de CMRR hoog. Stellen we toch een ruime headroom-marge op prijs, dan vervangen we deze weerstanden op de print door stukjes montagedraad. Merk op dat we niet zomaar de gehele SSM2141 kunnen weglaten, want de ingangsweerstand van de eindversterker is bijzonder laag: 1000 Ohm, waardoor niet zomaar eender welke signaalbron zou kunnen worden aangesloten. De ingangstrap mag alleen dan worden weggelaten wanneer we beschikken over een signaalbron met een uitgangsimpedantie van hoogstens 50 Ohm en die bovendien -kwa spanningsafgifte- in staat is daarbij het nodige 25V rms ingangssignaal (dit is +30dB) te leveren.

Een hele goede toepassing voor dit ontwerp bestaat erin de print en de voedingstransfo in te bouwen in de luidsprekerbehuizingen van een aktief luidsprekersysteem. Door de korte verbindingen naar de speakers, zijn de resistieve verliezen en de in koncertzalen relatief grote uitgaven voor navenant dikke kabels daarbij overbodig. Bovendien kunnen diverse speakers/amps nu via symmetrische signaallijnen vanuit een centraal (in de technische kabine of bij het mengpaneel opgesteld) aktief filtersysteem worden gestuurd.

Voor een stereofonisch tweewegsysteem met gemeenschappelijke subwoofers, hebben we dan 5 exemplaren van de versterker nodig.

Maar, ook in het niet-audio gebied bestaan er talloze toepassingsmogelijkheden voor dit versterkerontwerp:

• Het sturen van motoren met van de netspanning afwijkende frekwenties, waardoor de motorsnelheid ook bij asynkroonmotoren kan geregeld worden.
• Het sturen van DC en servo-motoren, waarbij de draairichting en de snelheid willekeurig kan worden ingesteld.
• Het gebruik als universele instelbare laboratoriumvoeding.  

PS: Schema en pc board layout worden later gelinkt...

SSM2141: Analog Devices, Amplifier reference manual, p.4-201

LM12: National, Linear Databook, Volume 2, p.272

Filedate:921205 / 9709 / 0112/ 2008-04-28

Terug naar inhoudstafel: Index kursus

Naar Bouw een Kraakdoos

Naar homepage dr.Godfried-Willem RAES