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Die Audiotechnik hat viele Liebhaber, auch unter Elektronikern. Zahlreiche Audioverstärker werden sowohl mit Elektronenröhren als auch mit Transistoren hergestellt. Es gibt auch kombinierte Hybrid-Designs, bei denen die Endstufe aus Röhren und der Vorverstärker aus Transistoren besteht oder umgekehrt. Die Entwicklung von Audioverstärkern wird durch den Einsatz spezieller integrierter Schaltungen wie dem LM3886 erheblich erleichtert. Dieser Chip bietet eine fast fertige Designlösung und ist mit einer Reihe von Schutzfunktionen ausgestattet, die den Verstärker vor Kurzschlüssen, Überlast und Überspannungen schützen.
Audioverstärker mit LM3886 - machen Sie es selbst!
Dieser Artikel stellt das Konzept eines Audio-Leistungsverstärkers auf der Basis des LM3886-ICs vor. Der Verstärker kann 2x 30W-40W an eine 4Ohm Last und im Brückenmodus 80W-100W an eine 8Ohm Last liefern.
Das Design des Leistungsverstärkers auf der Basis des LM3886 ICs basiert auf dem Datenblattbeispiel in der Application Note AN-1192 von Texas Instruments. Die obere Schaltung ist ein nicht-invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 1 + R2/R1. Der untere Verstärker invertiert das Signal mit einer Verstärkung von R2/R1 (wobei R2 ein Widerstand in der negativen Rückkopplungsschleife ist). Bei einer Brückenschaltung besteht das Problem darin, die Widerstandswerte so zu wählen, dass beide Verstärkerschaltungen die gleiche Verstärkung haben. Zu diesem Zweck verwenden Sie am besten metallisierte Widerstände mit einer Toleranz von 1%. Die Verstärkung des nicht-invertierenden Verstärkers ist 1+ 132,8/3,001 = 45,25 und die Verstärkung des invertierenden Verstärkers ist (132,8+3046)/1,015 = 45,27. Um die Verstärkung zu erhöhen, ist ein Verstärkungsschalter SW1 in das Design integriert, der im kurzgeschlossenen Zustand den Wert des Widerstands R1 reduziert, um die vierfache Verstärkung zu erhalten. Die nicht-invertierende Schaltung verwendet einen 1k-Widerstand, der parallel zu 3k geschaltet ist, was einen Widerstand von 751R ergibt. Die invertierende Verstärkung der Schaltung ist 1+ 132,8/0,75=177,92 =~ 178. Mit dem Schalter SW2 können Sie den Verstärker zwischen Brücken- und Stereomodus umschalten. In der Stellung ‘Brücke’ ist der Verstärker B auf invertierend eingestellt, der positive Eingang ist geerdet und der Ausgang des Verstärkers A überlagert die Masse am Ausgang B. Im Stereomodus arbeiten beide Verstärker im nicht-invertierenden Modus. Der Schalter SW1C setzt die Verstärkung herab, so dass die Verstärker A und B die gleiche Verstärkung haben. Die Verstärkereingangsbuchsen sind so angeschlossen, dass das Signal sowohl an Verstärker A als auch an Verstärker B gesendet wird, wenn sich kein Stecker in Buchse A befindet (Dual-Mono-Signal). Im Low-Gain-Modus ergibt eine Eingangsspannung von 1,6V Spitze-Spitze die maximale Leistung (70Vpp), im High-Gain-Modus sind 0,4V erforderlich.
Stromversorgung für den Verstärker
Das Verstärker-Netzteil ist eine einfache Konstruktion mit zwei großen Elektrolytkondensatoren und zwei Folienkondensatoren (mit festem Dielektrikum) und einem Brückengleichrichter. Der Gleichrichter ist ein MB252 (200V/25A). Er ist auf demselben Kühlkörper montiert wie die Leistungsverstärker. Sowohl der Gleichrichter als auch der LM3886 sind galvanisch isoliert, so dass keine zusätzliche Isolierung erforderlich ist. Der Transformator ist ein 120VA Ringkerntransformator mit 2x24V symmetrischen Wicklungen mit einer Nennstromkapazität von 2,4A pro einzelner 24V Wicklung. Abschnitt 4.6 der AN-1192 Dokumentation gibt die Ausgangsleistung für verschiedene Lasten, Versorgungsspannungen und Konfigurationen (einzeln, parallel und Brücke) an. Der Grund, warum ich mich für das Brückendesign entschieden habe, war vor allem, dass ich einen Transformator hatte, der aufgrund der niedrigen Spannung nicht parallel verwendet werden konnte. (Eine 100-W-Parallelschaltung erfordert 2×37 V, aber das Brückendesign funktioniert mit 2×25 V). Um den Transformator optimal auszuwählen, empfiehlt es sich, die Support-Anwendung PSU Designer II von Duncan Amps zu verwenden.
Verstärkerkühlung und Lüftersteuerung
Während des Betriebs gibt der Leistungsverstärker-IC erhebliche Mengen an Wärme an die Umgebung ab. Um die bestmögliche Wärmeabgabe an die Umgebung zu gewährleisten und den Verstärker vor Überhitzung zu schützen, ist es daher notwendig, eine aktive Kühlung in Form eines Kühlkörpers mit einem Lüfter vorzusehen, der die Kühlluft zirkulieren lässt. Darüber hinaus ist es eine gute Idee, das Kühlsystem mit einer Lüfterdrehzahlregelung auszustatten, die sich nach der Temperatur des Kühlkörpers richtet.
Aufgrund des großen Spannungsunterschieds zwischen Eingang und Ausgang ist es nicht empfehlenswert, den Lüfter über einen 12-V-Spannungsstabilisator zu betreiben, der den Strom direkt von der Diodenbrücke nach dem Transformator abnimmt, da dies zu hohen Leistungsverlusten und übermäßiger Erwärmung führen kann. Stattdessen können wir einen Abwärtswandler verwenden, der auf einem 741 IC (thermisch kompensierter Einzel-Operationsverstärker) als Controller und einem PNP BDT30C Transistor als Schalter basiert, der einen 220uF Kondensator auf 18V auflädt, was eine vernünftige Option für die Verwendung eines 7812 Reglers zur Versorgung des Lüfters ist. Die Schaltung verwendet einen 555-Timer und einen 10k-NTC-Thermistor zur Steuerung des Füllfaktors des 555-Timers. Er ist auf dem Kühlkörper des Leistungs-ICs montiert. Ein 20k-Potentiometer wird verwendet, um die niedrige Geschwindigkeit einzustellen. Das Ausgangssignal des 555 wird von einem BC237 NPN-Transistor invertiert und wird zum Steuersignal (PWM) für den Lüfter. Der Füllfaktor variiert von 4,5% bis 9% von kalt nach warm. Der BDT30-Transistor und der 7812-Regler sind auf einem separaten Kühlkörper montiert.
Kühlkörper
Der Leistungsverstärkerchip LM3886, die Diodenbrücke und der NTC-Widerstand können auf einer Kupferkühlplatte montiert werden. Es müssen Löcher gebohrt und die Gewinde für die Montageschrauben mit einem Gewindeschneider geschnitten werden. Die Platine mit den Endstufenbauteilen sollte so montiert werden, dass die Leitungen von der Stromversorgung und zu den Lautsprechern so kurz wie möglich sind.
