Prof.Dr.Godfried-Willem Raes

Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 2: live electronics - klankonderzoek

Hogeschool Gent: Departement Muziek en Drama

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.  

Verdere literatuur en te konsulteren data-sheets:

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

link naar de datasheet

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

Nota: de LM12 is thans een 'obsolete' component', d.w.z. dat hij niet langer wordt geproduceerd.

Filedate:921205 / 9709 / 0112/ 2019-04-08

Terug naar inhoudstafel: Index kursus

Naar Bouw een Kraakdoos

Naar homepage dr.Godfried-Willem RAES