Klasse-D-Verstärker TPA3110D2
Von Texas Instruments stammt der neue Klasse-D-Verstärker TPA3110D2.
Obwohl nur im kleinen SMD-Gehäuse und ohne spezielle Kühlung bringt der
Verstärker bei einer Betriebsspannung von 16 V bis zu 2 x 15 W an zwei
8-OhmLautsprecher. Bei 13 V sind es noch 2 x 10 W. Das Geheimnis des
guten Wirkungsgrads liegt in den digitalen Ausgangssignalen. Die
Endstufentransistoren in Brückenschaltung werden voll durchgesteuert.
TI wirbt damit, dass trotzdem nur vier Ferritperlen nötig sind um den
Verstärker ausreichend zu entstören. Das wollte ich einmal ausprobieren
und habe das IC im SSOP-Gehäuse auf eine Adapterplatine von Modul-Bus
gelötet. Eine blanke Platine diente als große Massefläche. Das
Datenblatt liefert eine passende Grundschaltung:
Diese Schaltung habe ich im Wesentlichen nachgebaut. Die Kondensatoren
sind im Probeaufbau etwas kleiner und haben durchgehend 100 nF. Die
Widerstände habe ich überwiegend einhalten. Das Ergebnis ist
ermutigend. Ein völlig sauberer Sound und ordentlich viel Leistung.
An den beiden Ausgängen eines Kanals sieht man im Ruhezustand zwei
gleichphasige Rechtecksignale mit ca. 300 kHz. Die Lautsprecherleitung
schwingt zwar gegen Masse, die Potentialdifferenz zwischen beiden
Leitungen ist aber Null.
Bei Aussteuerung mit einem NF-Signal werden die Impulslängen
gegenphasig moduliert. Das Differenzsignal besteht also aus kurzen bis
längeren Impulsen in wechselnder Polatrität.
Mein vereinfachter Aufbau besitzt zwar schon die Ferritperlen, hat aber
keine Ausgangskondensatoren gegen Masse. Wie erwartet erscheint in
einem AM-Radio ein Signal auf 300 kHz und auf 900 kHz. Wenn der
Verstärker ausgesteuert wird hört man auch etwas. Die Modulation ist
allerdings nicht klar verständlich sondern hört sich an wie ein
DSB-Signal (AM mit unterdrücktem Träger). Im UKW-Bereich konnten keine
Störungen festgestellt werden.
Die EMV-Richtlinien schreiben bestimmte Störabstände erst ab 30 MHz vor
(Die AM-Bereiche werden dem Fortschritt geopfert, was man auch überall
hört). diese Vorgaben werden mit Ferritperlen und 1000 pF
eingehalten. Im Datenblatt werden auch verbesserte Filter mit
einer Grenzfrequenz von 27 kHz vorgeschlagen (33 µH und 1 µF).
Platine für den D-Verstärker
Eine
Platine für den Verstärker ist bei Modul-Bus in Arbeit. Die Maße sind an
die Heimradio-Platine angepasst, sodass man beide im Huckepack verbinden
kann. Auf der Ausgangsseite hat man Bestückungsmöglichkeiten für
unterschiedliche Filter. Die Eingänge können wahlwiese als Gegentaktsignale
oder gegen Masse angeschlossen werden.
EMV-Überlegungen, von Bernd, DL3NDW
Bzgl. der EMV-Richtlinien, schaut es meines Erachtens nicht ganz so schlecht für uns Funk- und Radioamateure aus.
Vorweg:
ich bin kein EMV-Experte bzw. einer der einschlägigen DIN/ISO/EN-Normen
Kundigen. Ich habe ich aber in letzter Zeit im Zusammenhang mit den vom
DARC gemachten und auf Youtube veröffentlichten Messungen von
Abstrahlungen von "neuzeitlichen Leuchtmitteln" befasst und mir auch
eine "Messkiste" mit einem guten EPCOS-Filter und einem Messkoppler
gebaut.
Welche Norm für einen Klasse-D-Verstärker anzuwenden
ist, bin ich mir freilich nicht sicher. Aber sowohl die EN 55014
(Haushaltsgeräte) als auch die EN 55022 (Informationstechnik)
berücksichtigen den Frequenzbereich ab 150 kHz, teilweise sogar ab 9
kHz. Dies sowohl für leitungsgeführte als auch für abgestrahlte
Leistungen. Die einschlägigen Firmen, z.B. Schwarzbeck, verkaufen Ihre
Messkoppler und Messantennen ebenfalls für Einsatzbereiche ab 9 kHz.
Die
Klasse-D-Technik ist freilich schon ein spezieller Fall. Man fährt hohe
Leistungen und Entstörkomponenten dürfen nichts kosten. Das wird nur
störungsarm funktionieren, solange die Symmetrie auf der Leitung
gewahrt bleibt und die Weichenschaltung im Lautsprecher die HF davon
abhält, in die LS-Spule zu gelangen und dort abgestrahlt zu werden.
Jegliche Unsymmetrie in den Lautsprecherleitungen wird Ärger machen -
so wie halt auch bei PLC.
Klasse-D-Verstärker im Test
Inzwischen
ist die Platine fertig und konnte getestet werden. Die Ausgangsfilter habe ich
dazu mit stehenden Festinduktivitäten mit 33 µH und keramischen Vielschichtkondensatoren
mit 100 nF bestückt. Von den Differenzeingängen wurde jeweils der negaitve
Eingang mit an GND gelegt. Dann kam eine Klinkenbuchse dran. Der erste Test
lief mit einem Nexus-Tablet über den Kopfhörerausgang als Signalquelle.
Damit wird der Verstärker mit seiner fest eingestellten Spannungsverstärkung
von 20 dB und einem Eingangssignal um 1 V gerade optimal ausgesteuert. Zwei
große Lautsprecherboxen mit 8 Ohm brachen einen ganz hervorragenden, absolut
sauberen Klang. Keine Verzerrungen, glatter Frequenzgang, alles hört sich sehr
gut an.
Es wurden unterschiedliche Betriebsspannungen zwischen 7 V und 16 V getestet.
Die Übersteuerungsgrenze hängt von der Betriebsspannung ab. Das Verhalten bei
Übersteuerung ist recht gutmütig, sodass nur wenig davon zu hören ist, solange
nur einzelne Spitzen des Signals betroffen sind. Was besonders auffällt ist der
geringe Strombedarf bei kleiner Lautstärke. Der Ruhestrom wurde mit etwa 10 mA
gemessen, und schon bei 20 mA kommt eine beträchtliche Lautstärke heraus. Die
Stromaufnahme sinkt übrigens mit höherer Betriebsspannung, ganz wie es bei
einem D-Verstärker sein soll. Dementsprechend hat man einen sehr guten Wirkungsgrad
und kaum ein Erwärmung am Verstärker-IC.
Der zweite Versuch wurde mit dem Heimradio von Modul-Bus durchgeführt.
Der Verstärker lag dabei direkt an den Stereo-Ausgängen des SI4735. Der
Verstärker wird dabei nicht bis zur Leistungsgrenze ausgesteuert, weil die
Ausgangsspannung des Empfängers deutlich unter einem Volt liegt. Diese
Kombination eignet sich jedoch sehr gut für Batteriebetrieb mit einem 9-V-Block
oder an einem 12-V-Akku. Beim UKW-Empfang konnte auch das Störverhalten des
Verstärkers getestet werden. Es wurde deutlich, dass eine günstige Masseführung
wichtig ist um Rückwirkungen zu vermeiden. Bei einem Testbetrieb ohne Filter
wurden deutliche Verzerrungen hörbar, weil der Empfänger Oberwellen des
PWM-Signals empfängt. Die Filter an den Lautsprecherausgängen haben also einen
gewissen Einfluss. Mit 1 µH und 1 nF an den Ausgängen ist bereits ungestörter
UKW-Empfang möglich.
