D-luokan vahvistin. Analogiasignaalinkäsittely. Joonas Talvitie Juha Toikka Antti Summanen

Transkriptio

1 D-luokan vahvistin Analogiasignaalinkäsittely Joonas Talvitie Juha Toikka Antti Summanen

2 1 JOHDANTO Työn tausta ja määritykset Työn tavoitteet ja rajaukset KYTKENNÄN SUUNNITTELU Tuloaste Modulaatio Pääteaste Takaisinkytkentä Demodulaatio ja jakosuodin Tehonsyöttö Suojaukset PIIRILEVY JA KOTELOINTI MITTAUKSET YHTEENVETO LÄHTEET LIITE I LIITE II LIITE III

3 2 1 JOHDANTO 1.1 Työn tausta ja määritykset Työssä oli tavoitteena suunnitella D-luokan vahvistin, joka täyttää ennalta sovitut vaatimukset ja on verrokkina ollutta Philipsin kaupallista laitetta parempi. Vahvistimelle sovitut määritykset: - komponenttibudjetti patteri/akkukäyttöinen - kannettava, max 20 kg - vähintään linjatasoinen/kuuloke/mikrofoniliitäntä - sisältää "bilelaatuisen" kaiutintoiston, taajuuskaista minimissään 100 Hz - 15 khz - laitteesta saatava äänen voimakkuus sekä bassotoisto hyvääkin kännykän sisäistä kaiutinta parempi - äänenvoimakkuudensäätö ja virtakytkin - toiminta-aika vähintään 150 min - Mono tai stereo - D-luokan pääteaste - pääteasteen modulaattori suunniteltava itse (ei valmispiirejä) [1] 1.2 Työn tavoitteet ja rajaukset Työn tavoitteena oli suunnitella edellä mainitut määritykset täyttävä D-luokan vahvistin. Vahvistimesta haluttiin suunnitella niin hyvä kuin budjetin sallimissa rajoissa on mahdollista. Vahvistimesta ei myöskään haluttu tehdä yksinkertaista eikä suunnittelutyöstä helppoa vaan ryhmän jokainen jäsen halusi työhön haastetta. Työn pääpaino oli itse kytkennällä, mutta myös piirilevy pyrittiin suunnittelemaan huomioiden aikataulu, emc ja kytkennän toiminta niin hyväksi kuin mahdollista. Koteloinnissa keskityttiin käytettävyyteen ja ulkonäköön, mutta kaiutinelementtien puutteellisen tietojen ja rajallisen ajan takia kotelon kunnollinen akustinen suunnittelu rajattiin työstä pois. Kaiutinelementtien puutteelliset tiedot ja rajallinen budjetti rajoittivat myös jakosuotimen suunnittelua.

4 3 2 KYTKENNÄN SUUNNITTELU 2.1 Tuloaste Vahvistimessa tarvitaan tuloaste, jotta audiosignaali voidaan ottaa vastaan signaalilähdettä kuormittamatta. Audiosignaali on myös esivahvistettava ennen pääteastetta, jotta sen amplitudi on pääteasteen vahvistukselle riittävä. Lisäksi tuloasteessa voidaan audiosignaalia muokata halutuin tavoin ennen vahvistusta. Kohdassa 1.1 on määritetty, että vahvistimessa pitää olla mikkiliitäntä ja linjatulo, joten molemmat suunniteltiin kytkennän tuloon. Vahvistimesta päätettiin tehdä monovahvistin, joten stereosignaali summataan tulossa monoksi. Summauksen jälkeen signaalista suodatetaan kuuloalueen ulkopuolella olevat mahdolliset häiriötaajuudet pois ja samalla signaalia vahvistetaan. Suodatus ja vahvistus tapahtuvat ensimmäisen kertaluvun aktiivisella kaistanpäästösuotimella. Kohdan 1.1 määrityksissä haluttiin vahvistimen äänen olevan bilelaatuista, joten näimme tarpeelliseksi lisätä tuloon myös äänen sävysäädön eli kytkennän jolla voi säätää basson ja diskantin tasoja erikseen. Tarkoitukseen sopiva kytkentä löytyi LM833-operaatiovahvistimen datalehdestä ja sen toiminta todennettiin laboratoriossa. Tulon kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 2.1, jossa kytkennän eri osat on nimetty. Kuva 2.1 Tulon kytkentäkaavio

5 4 Laitteen teholähteenä toimii 12 V akku, mutta operaatiovahvistimet tarvitsevat kaksipuoleisen käyttöjännitteen ja tulosignaalin pitää olla käyttösähköjen puolessavälissä. Tästä johtuen päädyimme tekemään kytkennälle virtuaalimaan, joka on 5 V, negatiiviseksi käyttösähköksi tulee tällöin 0 V ja positiiviseksi käyttösähköksi päätimme tehdä 10 V. Käyttösähköt ja virtuaalimaa toteutettiin lineaariregulaattoreilla TL1963A ja TLV1117. Lineaariregulaattoreita käyttämällä akun jännitteen vaihtelu ei vaikuta kytkennän jännitteisiin ja virtuaalimaa 10 V ja 0 V puolivälissä. 2.2 Modulaatio Modulaatio on pulssileveysmodulaatio (PWM), joka perustuu sini-kolmio vertailuun. Modulaation perusperiaate on verrata komparaattorilla moduloitavaa signaalia symmetriseen kolmioaaltoon, jolloin komparaattorin lähtö saa tilan high signaalin amplitudin ollessa kolmioaallon amplitudia suurempi, ja tilan low kun kolmioaallon amplitudi on signaalin amplitudia suurempi. Kuvassa 2.2 on esitetty PWM-modulaation Tulo- ja lähtösignaalit. Kuva 2.2 PWM-modulaatio Kuvassa 2.2 vihreä käyrä on modulaation kolmioaalto, sininen käyrä on sisään tuleva signaali ja punainen on modulaattorin lähtö. Kolmioaalto tuotetaan kahdella operaatiovahvistimella toteutetulla kantti-kolmio oskillaattorilla, jonka kytkentä on esitetty kuvassa 2.3.

6 5 Kuva 2.3 Modulaattori Operaatiovahvistimien valinta tähän sovellukseen osoittautui vaikeaksi koska tähän tarvitaan operaatiovahvistin, joka toimii komparaattorina, kestää vähintään 6 V differentiaalista tulojännitettä, jonka slew-rate on vähintään 500 V/µs ja on riittävän epästabiili, jotta oskillaattori käynnistyy ilman ulkoista herätettä. Kytkentään valittiin Texas Instrumentsin THS 4631D vahvistin, joka täyttää vaatimukset. Komparaattorin valinnassa tärkeintä oli komparaattorin response time, eli nopeus jolla komparaattori pystyy vaihtamaan tilaansa. Nopeus on tärkeä koska PWM-modulaatiossa maksimi lähtöteho riippuu modulaattorin kyvystä ajaa tuleva signaali mahdollisimman lähelle kolmioaallon maksimiamplitudia, ja mitä lähempänä kolmion huippua ollaan, sitä nopeammin komparaattorin on vaihdettava tilaansa. Kuvassa 2.3 on esitetty modulaattorin kytkentä. Kytkentä eroaa lopullisesta hieman, koska laboratoriossa todettiin että oskillaattorin taajuus ei ole oikeassa maailmassa yhtä suuri kuin laskennallisesti. Kuvassa 2.3 käytetyt LMH 6657-operaatiovahvistimet eivät soveltuneet tähän käyttöön, vaikka simulaatiotulokset näin antoivatkin ymmärtää. Operaatiovahvistimien valinta tähän sovellukseen osoittautui vaikeaksi koska tähän tarvitaan operaatiovahvistin, joka toimii komparaattorina, kestää vähintään 6 V differentiaalista tulojännitettä, jonka slew-rate on vähintään 500 V/µs ja on riittävän epästabiili, jotta oskillaattori käynnistyy ilman ulkoista herätettä. Kytkentään valittiin Texas Instrumentsin THS 4631D vahvistin, joka täyttää vaatimukset. Komparaattorin valinnassa tärkeintä oli komparaattorin response time, eli nopeus jolla komparaattori pystyy vaihtamaan tilaansa. Nopeus on tärkeä koska PWM-modulaatiossa maksimi lähtöteho riippuu modulaattorin kyvystä ajaa tuleva

7 6 signaali mahdollisimman lähelle kolmioaallon maksimiamplitudia, ja mitä lähempänä kolmion huippua ollaan, sitä nopeammin komparaattorin on vaihdettava tilaansa. Lopulliseen toteutukseen valittiin Linear Technologyn LT 1715, jonka response time on 4 ns. Pääteasteen rakenteen vuoksi, modulaattorin tuottama PWM signaali piti saada komplementaarisena. Tämä toteutettiin kytkemällä toisen komparaattorin tulot eri järjestykseen kuin toisen. 2.3 Pääteaste Vahvistimen pääteaste päätettiin toteuttaa käyttäen kokosiltaa. Syynä valintaan oli tieto, että vahvistimen tehonlähteenä tullaan käyttämään 12 V akkua. Tällöin puolisillan tarvitseman kaksipuolisen käyttöjännitteen muodostaminen vaikeutuisi, kun taas kokosiltaa voidaan käyttää sekä yksi-, että kaksipuolisella käyttöjännitteellä. Tämän lisäksi kokosillan etuna on se, että sillä saadaan kuormalle koko käytettävissä oleva teho, kun taas puolisillalla saadaan vain kaksipuolisen käyttöjännitteen toinen puolikas kuormalle kerrallaan. Saman tehon saamiseksi puolisillan transistoreilta vaaditaan kaksinkertainen virran kesto kokosiltaan verrattuna. [2] Kokosiltaa voidaan myös käyttää ilman tarvetta takaisinkytkennälle, koska hyvin valituilla komponenteilla DC-offset ei tuota ongelmaa edes ilman takaisinkytkentää. Puolisillalla taas DC-offsetin poisto vaatii aina takaisinkytkennän käyttöä. Kokosillan heikkoutena on tarve kaksinkertaiselle määrälle kytkinkomponentteja ja ohjauspiirejä, mikä nostaa kokosillan komponenttikustannuksia. Kokosillan kytkintransistoreilta vaadittiin mahdollisimman nopeaa nousuaikaa, jotta transistorin kytkentähäviöt saataisiin mahdollisimman pieniksi. Transistorin nousuaika myös asettaa rajoituksen suurimmalle kytkentätaajuudelle, jossa transistori kytkenee nousemaan ja laskemaan. Transistorin kytkentähäviöiden kasvaessa verrannollisena kytkentätaajuuteen ei näin suuren kytkentätaajuuden käyttö ole enää muutenkaan kannattavaa. Transistoreilta toivottiin myös mahdollisimman pientä johtavantilan resistanssia R ds(on), joka määrää transistorin johtavantilan häviöt. Kanavatransistorireiden hilakapasitanssin suuruus on myös merkittävä tekijä transistoreita valittaessa, koska varauksen suuruus vaikuttaan kuinka suurella virralla kyseinen varaus on varattava, jotta transistori saadaan vaihtamaan tilaansa halutussa ajassa. [2] Kokosillan päätetransistoreiksi valittiin ST Microlectronic:in STP22NF03L- mosfettransistorit, koska ne täyttävät edellä luetellut ominaisuudet sekä ovat tehonkestoltaan riittäviä käyttökohteeseen. Tämän lisäksi valittujen transistoreiden etuna on niiden TO-220 kotelo, joka voidaan kiinnittää jäähdytyslevyyn alhaisemman käyttölämpötilan takaamiseksi. Alhaisempi käyttölämpötilan vähentää komponentin vikaantumistodennäköisyyttä ja komponentin epäideaalisuudet yleensä korostuvat lämpötilan kasvaessa [2].

8 7 Valittujen transistoreiden hilavarauksen ollessa 6,5 nc, voidaan tarvittava latausvirta laskea, mikäli transistorin hilajännite halutaan nostaa ja laskea transistorin minimiajassa eli 5 nanosekunnissa [3]. Tällöin virta voidaan laskea yhtälön (2.1) mukaisesti. (2.1) jossa I g on latausvirta, Q g on transistorin hilan kokonaisvaraus ja t rise on hilajännitteen nousuaika [4]. Tulokseksi saadaan 1,3 ampeeria, josta voidaan päätellä, että kokosillan transistoreiden ohjaukseen tarvitaan erillinen ohjauspiiri, joka kykenee syöttämään yli 1 A virtaa. Ohjauspiiriksi päätettiin valita valmis ohjauspiiri, koska tällöin komponentin tarvitsema piirilevytila voidaan minimoida. Tämä yksinkertaistaa piirilevyn suunnittelua myöhemmässä vaiheessa ja mahdollistaa lyhyet vedot ohjauspiiriltä transistoreille EMC-ongelmien minimoimiseksi. Ohjauspiiriksi valittiin National Semiconductorin LM5102 -puolisillan ohjauspiiri. Tällöin kaksi ohjauspiiriä riittää ohjaamaan kokosiltaa. Valitun ohjauspiirin etuihin kuuluu myös sen käyttämä bootstraptekniikka, joka mahdollistaa N-tyypin mosfet-transistoreiden käytön sekä kokosillan alempien transistoreiden että ylempien transistoreiden paikalla. [5] Menetelmän etuna on, ettei tarvitse etsiä N- ja P-tyypin transistoripari, joiden ominaisuudet olisivat lähes identtiset. Käytettäessä vain N-tyypin transistoreita valinnan varaa on enemmän eikä parien identtisyyden tarve aiheuta ongelmia käytettäessä samoja transistoreita. [6] Ohjauspiiri kykenee myös syöttämään 1,6 A virtaa, mikä on riittävästä mosfet-transistoreiden ohjaukseen. Ohjauspiirin lähtö ei ole yhtä nopea kuin mihin transistorit kykenisivät, jonka johdosta tarvittava virta tulee olemaan laskettua pienempi. Ohjauspiirin nousunopeus on 15 ns, mutta se on esitetty 1 nf kapasitanssia ladattaessa. Todellisuudessa nousunopeus saattanee olla nopeampikin kuin transistorin tulokapasitanssi on vain 330 pf. [5] Ohjauspiirin käyttöjännitteelle ja bootstrapkondensaattorin lataamiseen on mahdollista kytkeä erillisiin teholähteisiin, mikä mahdollistaa ohjauspiirille reguloidun käyttöjännitteen ja nopeita virtapiikkejä tarvitsevalle bootstrap-kondensaattorin kytkemisen suoraan akkuun. Ohjauspiirissä oli mahdollisuus määrittää ulkoisilla vastuksilla kuollut aika, jolloin molempien transistoreiden ohjaukset ovat maissa. Tällöin voidaan estää mahdolliset vikatilanteista johtuvat läpilyönnit, jotka voivat tuhota päätetransistorit. Ohjauspiirin kuollut aika oli minimissään 200 ns, joka oli liikaa käyttökohteeseen nähden, koska tällöin harmoninen särö olisi kasvanut huomattavasti. Kuollut aika päätettiin tehdä ensimmäisen kertaluvun RC-alipäästösuotimella, jossa vastuksen rinnalle on kytketty 1N4148- diodi. RC-suotimella voidaan ohjauspiirin tuloihin tulevia signaaleita

9 8 viivästää, jolloin saadaan halutun suuruinen kuollut aika. Vastuksen rinnalle kytkettävä nopea diodi mahdollistaa tulojännitteen nopean laskun, jolloin myös transistorit saadaan ei-johtavaksi mahdollisimman nopeasti. Päätetransistoreiden kuormana on osittain induktiivinen kuorma, jonka vuoksi transistoreiden rinnalla tuli olla diodit. Ilman diodeja induktiivisen kuorman äkillinen irrottaminen saattaisi aiheuttaa tuhoisan läpilyönnin, kun induktiiviseen kuormaa varastoituneelle energialle ei ole kulkureittiä. Valittujen STP22NF03L-transistoreiden rinnalla oli jo kotelon sisäinen diodi. Tästä huolimatta kytkentää lisättiin vielä ulkopuoliset diodit, joiden kynnysjännite on sisäisiä diodeja matalampi, jolloin ne tarjoavat virralle kulkureitin sisäisten diodien sijaan. Syynä ulkoisten diodien hankintaan oli pienempi estosuuntainen toipumisaika (reverse recovery time), jolloin myös toipumisvirta jää pienemmäksi vähentäen häiriöiden ja häviöiden määrää. Suunniteltu kytkentä on esitetty kuvassa 2.4 Kuva 2.4. Vahvistimen pääteasteen kokosilta ohjauspiireineen ja oheiskomponentteineen. Kuvasta 2.4 nähdään, että kuolleen ajan muodostavan RC-suotimen aikavakiota muutettiin erisuuruisiksi kokosillan alemmille ja ylemmille transistoreille. Tämä johtui transistorien lasku- ja nousunopeuksien eroista. Niiden eroja tasoittaakseen pienennettiin alempien transistoreiden kuollutta aikaa.

10 9 2.4 Takaisinkytkentä Vahvistinkytkentään tehtiin myös takaisinkytkentä poistamaan lähdön DC-virhettä. DC-virhettä ei haluta menevän kaiuttimille ja subwooferilta sen suodattaminen pois kondensaattorilla olisi vaatinut epäkäytännöllisen suuren ja kalliin kondensaattorin käyttämistä. Tästä syystä halusimme kytkentään myös takaisinkytkennän. Takaisinkytkentä on toteutettu kuvan 2.5 mukaisella kytkennällä. Kuva 2.5 Vahvistimessa käytetty takaisinkytkentä Kytkennän FB0 ja FB1 signaalit otetaan ennen LC-suodinta ja tämän jälkeen signaaleja suodatetaan ja vahvistetaan sopivassa suhteessa. Suodatuksen ja vahvistuksen jälkeen on integraattori, josta lähtee signaali modulaattorille. Kytkentä poistaa erityisesti DC-virhettä vahvistimen lähdöstä aktiivisesti. Vahvistimen koko kytkentään tehtiin myös katkaisija, jolla voidaan valita käytetäänkö vahvistinta ilman takaisinkytkentää vai takaisinkytkennän kanssa. Vahvistinta mitattaessa havaitsimme DC-virheen vähenevän käytettäessä takaisinkytkentää.

11 Demodulaatio ja jakosuodin PWM-signaalin demodulaatio toteutettiin LC-alipäästösuotimella, jonka rajataajuus mitoitettiin noin 45 khz:n. Rajataajuus oli oltava audiotaajuuksien yläpuolella, jotta audiotaajuudet eivät vaimene LC-suotimessa. LC-suodin demoduloi 630 khz:n PWM-signaalin takaisin audiosignaaliksi. LC-suotimen matlabilla laskettu vaste on esitetty kuvassa 2.6. Kuva 2.6 LC-suotimen matlabilla laskettu vaste LC-suotimen vasteesta nähdään, että -3 db piste osuu hyvin lähelle haluttua 45 khz:n taajuutta. Myöskään vaihesiirto ei ole vielä merkittävää kuuloalueella, kun tarkastellaan kuvaajaa noin 25kHz:n asti. Jakosuodin toteutettiin ensimmäisenkertaluvun passiivisuotimella, joka jakoi kaiuttimille menevän taajuusalueen neljään osaan; diskantti, keskiääni, basso, subwoofer. Diskantin, keskiäänet ja basson taajuuksien jakoon käytettiin budjetti ja aikataulullisista syistä johtuen valmista jakosuodinta ja subwooferille mitoitettiin noin 100 hertzin jakotaajuus käyttäen kelaa ja kondensaattoria. Jakosuotimen kytkentä yhdessä LC-suotimen ja simulaatiotuloksen kanssa on esitetty kuvassa 2.6.

12 11 Kuva 2.7 Jakosuotimen kytkentä ja simulaatiotulos Kuvassa 2.7 näkyvässä simulaatiotuloksessa nähdään eri kaiuttimille menevät taajuudet eri väreillä sekä koko taajuusvaste keltaisella värillä. Kuvaajasta voidaan nähdä koko taajuusvasteen olevan melko tasainen. Kokonaistaajuusvasteessa korkeilla taajuuksilla näkyy aaltoilua, mutta oletimme tämän olevan haluttua ja mahdollisesti korjaavan kaiuttimien epätasaista vastetta. Kokeiden taajuuksien jakosuodin ei ollut omaa suunnitteluamme vaan edellisessä kappaleessa kerrottujen syiden takia päädyimme käyttämään valmiiksi kyseisille kaiuttimille suunniteltua jakosuodinta. 2.6 Tehonsyöttö Vahvistimeen suunniteltiin kaksi toimintamoodia: energiansäästömoodi ja bilemoodi. Energiansäästömoodissa hakkuri toimii pelkästään 12 V 17 Ah akkunsa syöttämänä. Tässä moodissa on käytettävissä maksimissaan 7 W RMS lähtötehoa, ja akkukesto on noin 23 tuntia maksimiteholla kuunneltaessa. Käytännön akunkesto energiansäästömoodissa on huomattavasti suurempi mm. musiikin matalan tehollisarvon takia. Bilemoodissa käyttöjännite nostetaan DC-boost hakkurin avulla akun 12 voltista 27 volttiin, jolloin maksimiteho on 40 W RMS. Bilemoodissa akkukesto on noin 6 tuntia. Hakkuripiirinä käytettiin Texas Instrumentsin TPS40210 valmispiiriä, joka täyttää vaatimukset tulo- ja lähtöjännitekestoisuuden sekä maksimi antovirran suhteen. Piiri mitoitettiin alun perin 6 A antovirralle, mutta käytännössä se toimii maksimissaan 4 A virtaan asti. Tämä on kuitenkin enemmän kuin vahvistimen suurin hetkellinen kuormitus, joka on noin 3,4 A. Hakkurin kytkentäkaavio on esitetty liitteessä II. Itse vahvistinkytkennän käyttösähköt reguloitiin lineaariregulaattoreilla 12

13 12 V:n akun jännitteestä. Regulaattorien kytkentäkaaviot on esitetty liitteessä III muun kytkennän ohessa. 2.7 Suojaukset Piiriin rakennettiin suojaus, joka kytkee pääteasteen transistorisillan käyttöjännitteen viiveellä, jotta muu kytkentä on ehtinyt varmasti käynnistyä. Viivekytkennässä käytettiin ensimmäisessä suunnitelmassa RC-aikavakiota viiveenä ja LM358-operaatiovahvistinta komparaattorina RC-kytkennän perässä. LM358:a käyttävä kytkentä mitattiin laboratoriossa toimivaksi eikä käynnistyshetkellä havaittu ongelmia. Valmiissa laitteessa LM358 ei kuitenkaan toiminut odotetusti ja viivekytkentä oli johtavassa tilassa käynnistyshetkellä, joka aiheutti päätetransistorien räjähtämisen. Korjausten jälkeen viivekytkennästä tehtiin uusi versio, jossa oli pelkkä RC-viive ohjaamassa viiveellä päätteen kytkevää fettiä. Uusi versio todettiin toimivaksi myös käytännössä. Viivekytkennän kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 2.8 Kuva 2.8 Viivekytkentä H-sillan sähköjen kytkemiselle Kuvan 2.8 kytkentäkaaviossa nähdään käytetty viivekytkentä, joka perustuu RC-viiveeseen. Kytkennän RC-aikavakio on 3,7 s. Kytkennässä käytetyn FET:n hilan threshold-jännite on noin 4 volttia, joka käytännön testien perusteella saavutetaan noin sekunnissa eli viive on noin sekunnin suuruinen. Kytkentään tehtiin myös kuvassa 2.8 näkyvä aktiivinen alasveto, jotta viive alkaa alusta aina, kun sähköt kytketään pois päältä ja takaisin päälle. Modulaattorissa tapahtuvasta signaalin leikkautumisesta varoitetaan käyttäjää merkkivalolla. Suojauskytkentä on esitetty liitteessä I yhdessä modulaattorin kytkentäkaavion kanssa. Kytkentä toimii

14 13 siten, että peak-detektorin avulla havaitaan kolmioaallon maksimiamplitudi, ja tulevaa signaalia verrataan komparaattorin avulla tähän amplitudiin. Mikäli tulevan signaalin amplitudi on suurempi kuin kolmioaallon, sytytetään LED-merkkivalo, joka palaa n. 50 ms. Lisäksi kytkennässä on merkkivalot akun alijännitteelle, käyttösähköjen päällä olemiselle ja hakkurin päällä olemiselle. Alijännite ja hakkurin toiminta havaitaan LM358-peraatiovahvistimella toteutetulla komparaattori kytkennällä. Komparaattorikytkennälle on säädetty jännitteen raja-arvo jonka alittuessa akun alijännite valo syttyy. Alijännitteen raja-arvon voi säätää trimmerillä haluamakseen. Päädyimme säätämään alijännitteen noin 11,8 volttiin ettei pienellä alle ampeerin purkuvirralla akku pääse käytössä huomaamatta purkautumaan alle 30 % kapasiteettiin. Akun elinikä on huomattavasti pidempi, jos sitä ei pureta täysin tyhjäksi. Hakkurin toiminnasta ilmoittava merkkivalo toimii samalla periaatteella, kuin alijännitevalokin. Hakkurin jännitteen raja-arvo on asetettu noin 25 volttiin, jotta tiedetään jos hakkurin tuottamaa 27 voltin jännitettä ei saavuteta. Hakkurin merkkivalo toimii päinvastoin kuin alijännitevalo eli se palaa normaalisti kokoajan, kun hakkuri on päällä ja sammuu, kun jännite alittaa raja-arvon. Komparaattorikytkennän vertailujännite otettiin piirilevyltä 5 voltin regulaattorilta, jolloin akun jännitteen muuttuminen ei vaikuta komparaattorikytkennän toimintaan. 3 PIIRILEVY JA KOTELOINTI Kytkentä valmistettiin kaksipuoleiselle piirilevylle sen parempien EMC-ominaisuuksien ja mutkattomamman suunnittelun takia verrattuna yksipuoleiseen piirilevyyn. Nelikerroksista piirilevyä ei valittu, koska sitä ei ollut saatavilla. Piirilevyn suunnittelun lähtökohtana oli minimoida tärkeimmät piirilevyvedot, jotteivät ne toimi häiriöitä lähettävinä tai vastaanottavina antenneina. Myös tärkeimpien vetojen induktanssit tuli minimoida, jotta voidaan mahdollistaan nopeat virtapulssit esimerkiksi transistorien hilavarausten lataamiseksi ja purkamiseksi. Tärkeimpiä vetoja olivat signaalitiet modulaattorilta aina transistoreiden hiloille ja nolladiodien tuli olla transistoreiden läheisyydessä induktanssin minimoimiseksi, jotta suuritaajuiselle toipumisvirralle on kulkureitti. Tämän lisäksi huomioon oli otettava transistoreiden mahdollinen lämpeneminen, jonka takia transistorit tuli saada kiinni jäähdytyslevyyn. Riittävän jäähdytyksen takaamiseksi kaikki transistorin aseteltiin siten, että ne saadaan kiinnitetyksi yhtenäiseen jäähdytyslevyyn. Kotelon suunnittelussa keskityttiin ulkonäköön ja käytännöllisyyteen. Kotelon oli oltava rakenteeltaan sellainen, että se kestää vaikka päälle istumisen. Kotelossa päädyttiin putkirakenteeseen, jossa putken päihin puristetaan päätylevyt kierretankojen avulla. Putkirakenteeseen päädyttiin, koska se

15 14 on tukeva ja se oli toteutettavissa projektin aikataulun ja budjetin puitteissa. Kotelo suunniteltiin käyttäen ilmaista Google SkecthUp 3D-suunnitteluohjelmaa. Kuvassa 3.1 on 3D-mallit kotelon etuja takalevyistä, joiden avulla mm. hahmoteltiin kaiuttimien sijoitusta. Kuva 3.1 Kotelon etu- ja takalevyjen hahmottelua 3D-ohjelmalla Kotelon eri osista tehtiin kymmeniä eri 3D-hahmotelmia, mutta päädyimme kuvassa 3.1 esitettyyn etu- ja takalevyjen rakenteeseen sekä kestävyyden, ulkonäön että valmistusteknisistä syistä johtuen. 3D-suunnittelu mahdollisti eri osien kuten kaiuttimien, akun jne. sijoittelun oikeassa mittakaavassa koteloon, joten tiesimme jo ennen kotelon rakentamista miten kaiuttimet sopivat etulevyyn ja kuinka akku mahtuu kotelon sisälle eli ikäviltä yllätyksiltä vältyttiin. Kuvassa 3.2 on valokuva lopullisesta koteloinnista.

16 15 Kuva 3.2 Lopullinen laite Koteloon haluttiin myös kantokahva, joten se suunniteltiin tehtäväksi putkesta päätylevyjen väliin, kuten kuvasta 3.1 näkyy. Kotelon käyttökytkimet sijoitettiin helppokäyttöisesti putken yläosaan, mutta ne myös suojattiin koteloon kiinnitetyillä suojaraudoilla kolhuja vastaan. Suojaraudoitukset laitettiin myös soittimen säilytykseen tarkoitetun kangaspussin ympärille suojaamaan käytettyä soitinta.

17 16 Elementeistä ei tiedetty tarpeellisia tietoja kotelon kunnolliseen laskennalliseen mitoittamiseen, joten kotelotilavuudet valittiin muiden samankokoisten elementtien vaatimien tilavuuksien perusteella. Laitteen oli myös oltava kannettava, joten kotelotilavuuden suhteen jouduttiin tekemään kompromissi. Kotelon tilavuudeksi 10 bassoelementille valittiin noin 27 litraa ja 6,5 elementeille noin 14 litraa. Diskantit sekä keskiäänikaiuttimet olivat rakenteeltaan suljettuja, joten ne eivät tarvinneet erillistä kotelointia. Laitteen tehokkuuden ja tukevan rakenteen ansiosta kotelosta täytyi tehdä melko massiivinen, ja näin siitä tuli myös kannettavaksi laitteeksi melko painava, noin 22 kg. Suuri koko yhdistettynä pirteään väritykseen on kuitenkin tärkeä osa laitteen imagoa.

18 17 4 MITTAUKSET Mittasimme vahvistimen akustisen taajuusvasteen, äänenpaineen sekä kuolleen ajan joka estää sillan haaraoikosulun, mutta vaikuttaa harmonisen särön määrään. Akustinen taajuusvaste ja äänenpaine mitattiin ensin kaiuttomassa huoneessa ja myöhemmin elektroniikan laboratoriossa äänenvaimennusvaahtomuovien avustuksella. Oskilloskoopilla mitattu kuollut aika on esitetty kuvassa 4.1. Kuva 4.1. Pääteasteen toisen puolisillan hilajännitteet, kun vahvistimen energiansäätö moodi on käytössä. Kuvasta 4.1 voidaan havaita, että ohjauspiirin bootstrap-tekniikka nostaa ylemmän transistorin ohjausjännitteen kuorman maksimijännitteen verran korkeammalle kuin alemman transistorin ohjausjännite. Tämän takia päätteessä voidaan käyttää pelkkiä N-tyypin transistoreita P ja N-tyypin transistoriparien sijaan. Kuvista myös nähdään transistoreiden kuolleet ajat, jotka ovat alemman transistorin noustessa noin 15 ns ja laskiessa noin 20 ns. Kuollutta aikaa voitaisiin lyhentää entisestään, jolloin myös harmonisen särön määrä vähenisi. Tätä ei kuitenkaan tehty vahvistimen toiminnan varmistamiseksi, mikäli esimerkiksi ympäristön lämpötilan ja sen seurauksena ohjauspiirin lämpötilan nousu lisää ohjauspiirin ohjaussignaaleiden nousu- ja laskuaikoja. Kuvasta 4.1 havaitaan myös hilajännitteiden värähtelevän, mikä johtuu vetojen loisinduktansseista ja muista epäideaalisuuksista. Lisäksi käytimme vain 4,7 ohmin hilaresistanssista, jotta hila ohjautuisi mahdollisimman tehokkaasti. Värähtelyä voitaisiin pienentää hilaresistanssia kasvattamalla, mutta tähän ei ollut tarvetta, koska transistorit eivät johda samanaikaisesti värähtelystä huolimatta.

19 18 Laitteen tuottama äänenpaine mitattiin aluksi laboratoriossa musiikilla ja suoritetun mittauksen perusteella laitteesta saadaan bilemoodissa 106,9 db ja energiansäästömoodissa 101,1 db. Bilemoodin mittaustulos on esitetty kuvassa 4.2. Kuva 4.2 Bilemoodin äänenpainemittaus Kuvassa 4.3 on esitetty energiansäästömoodin äänenpainemittauksen tulos.

20 19 Kuva 4.3 Energiansäästömoodin äänenpainemittaus Tulokset ovat suuntaa-antavia ja kertovat enemmän laitteen käytännön suorituskyvystä kuin maskimaalisesta äänenpaineesta. Mittasimme äänenpaineen myöhemmin kaiuttomassa huoneessa 1 khz:n siniaallolla ja saimme äänenpaineeksi noin 110 db. Ero musiikilla mitattuihin arvoihin johtuu todennäköisesti sini-aallon musiikkia suuremmasta tehollisarvosta. Mittasimme myös taajuusvasteen kaiuttomassa huoneessa ja havaitsimme taajuusvasteessa 1 khz:n kohdalla noin 40 db terävä vaimentuma, jonka takia päätimme muokata jakosuodinta ja mitata taajuusvasteen uudestaan. Valitettavasti uudella mittauskerralla emme päässeet mittaamaan kaiuttomaan huoneeseen, joten mittaus suoritettiin elektroniikan laboratoriossa ja mittausjärjestely ympäröitiin äänenvaimennusvaahtomuoveilla. Jakosuotimessa oli alun perin 8 ohmin sarjavastus keskiäänikaiuttimien kanssa sarjassa vaimentamassa keskiäänikaiuttimien saamaa signaalia. Kyseisen sarjavastuksen poistaminen poisti myös taajuusvasteessa havaitun 1 khz:n kuopan (sarjavastus on poistettu myös kappaleen 2.4 kytkentäkaaviosta). Taajuusvaste jakosuotimen muokkaamisen jälkeen on esitetty kuvassa 4.4.

21 20 Kuva 4.4 Vahvistimen akustinen taajuusvaste Kuvan 4.4 taajuusvasteesta nähdään, että 15 db sisällä toistuva taajuusalue ulottuu noin 40 Hz:stä noin 15 khz:n. Taajuusvasteeseen muotoon pystyi mittauksissa vaikuttamaan vahvistimen basson ja diskantin tasosäädöillä merkittävästi, mutta pyrimme saamaan mittausten vasteen mahdollisimman tasaiseksi. Mitatussa taajuusvasteessa on havaittavissa melko suuria vaihteluja, mutta käytännön kuuntelussa äänenlaatu on kuitenkin hyvä eikä taajuusvasteen vaihteluja huomaa. Lisäksi on huomioitava, että käytännön tilanteissa kuuntelutilan taajuusvaste aiheuttaa heijastumien, korostumien ja vaimentumien muodossa merkittävästi todelliseen taajuusvasteeseen.

22 21 5 YHTEENVETO Laitteen tekeminen oli mielenkiintoista ja haastavaa. Haastavuutta haettiinkin tarkoituksella muun muassa melko monimutkaisella kytkennällä sekä hakkurin sisältävällä tehonsyötöllä. Haasteista huolimatta projekti sujui hyvin ja ongelmia oli loppujen lopuksi verrattain vähän. Projektin aikataulu venyi, koska laitteeseen keksittiin monia oleellisia lisäominaisuuksia, kuten osa suojauksista ja näiden kehittäminen vei aikaa. Aikataulun pitämättömyydestä huolimatta kehitysryhmä teki hyvää työtä ja lähes täysin valmis laite saatiin valmiiksi loppushowhun mennessä. Lopulta kaikki laitteeseen suunnitellut ominaisuudet saatiin toimimaan noin kaksi viikkoa lopullisen takarajan jälkeen. Ongelmakohtia projektissa oli aikataulussa pysyminen, suojauskytkennän pettäminen, yksi valmistusvika piirilevyssä, muutamat virheet piirilevynsuunnittelussa ja huono akkuvalinta edes väliaikaiseksi akuksi. Alun perin suunniteltu huoltovapaa täysin tiivis akku ei ollutkaan mainosten mukaan täysin tiivis ja osa akkuhaposta pääsi vuotamaan laitteen sisään. Lopulliseen laitteeseen akku vaihdettiin paremmin tähän käyttöön soveltuvaksi 17 Ah 12 V lyijyhyytelöakkuun, jonka kanssa vuotovaaraa ei ole. Piirilevyn valmistusvirhe ja pienet suunnitteluvirheet huomattiin ja korjattiin jo kokoamisvaiheessa. Myös kytkentää suunniteltaessa ja laboratoriossa testatessa huomasimme muutaman ongelmakohdan, jotka eivät päätyneet lopulliseen kytkentään testien ansiosta. Ensimmäinen näistä ongelmista oli operaatiovahvistimien soveltuminen kolmio-oskillaattoriin. Alun perin valitsemamme operaatiovahvistin ei ollut oskillaattorikäyttöön sopiva pienen differentiaalisen tulojännitteen takia, mutta sopivia operaatiovahvistimia saimme lopulta nopeasti kaksikin, joista valitsimme parempaa kolmioaaltoa tuottaneen piirin. Toinen ongelma oli virtuaalimaan toteutus, johon suunnittelimme käyttävämme operaatiovahvistinta jänniteseuraimena vastuksilla toteutetun jännitejaon perässä. Tällöin akunjännitettä ei olisi tarvinnut välttämättä reguloida vaan virtuaalimaa olisi seurannut akun jännitteen ja nollan voltin puolivälissä vaikka akun jännite olisi vaihdellutkin. Kytkennän ongelma oli jälleen operaatiovahvistimet, jotka olivat hyvin epästabiileja testeissämme kyseisessä sovelluksessa. Tästä johtuen hylkäsimme kyseisen idean nopeasti ja päädyimme käyttämään lineaariregulaattoreita, joiden avulla saatiin stabiili virtuaalimaa ja samalla myös reguloidut käyttöjännitteet koko muulle kytkennälle. Projektin lopputulos ylittää kaikki laitteelle asetetut tavoitteet ja kaikki suunnitellut ominaisuudet saatiin toimimaan. Kehitysryhmän työnteko sujui mallikkaasti ja ahkerasti. Osakokonaisuuksien liittämisessä toisiinsa ei tullut ongelmia, koska ryhmän jäsenet pitivät huolen, että jokainen ryhmän jäsen on tietoinen mitä muut ovat tehneet ja ovat tekemässä. Ryhmän sisäisessä kommunikoinnissa käytettiin Dropbox -palvelinta tiedostojen, suunnitelmien, kytkentäkaavioiden jne. jakamiseen. Ryhmä piti yhteyttä paljon myös puhelimen välityksellä sekä Messenger-keskusteluohjelmalla. Näiden kommunikointimuotojen lisäksi kehitysryhmä tapasi usein myös kasvotusten ja teki testausta laboratoriossa. Tällä hetkellä The Porsaaksi ristitty vahvistin on ollut kovassa käytössä noin puoli vuotta ja koki hiljattain ensimmäisen teknisen vikansa valmistumisen jälkeen. Vika on kuitenkin jo korjattu ja kriittiset komponentit vaihdettu kestävämpiin. Hakkuri jätettiin toistaiseksi laboratorion pöydälle odottamaan tehonlisäystä. Tavoitteena on noin 100 W RMS-teho ja 200 W piikkiteho.

23 22 LÄHTEET [1] [2] Mohan N., Undeland T. M., Robbins, W. P., 2003, Power Electronics: Converters, Applications, and Design., USA, Wiley, ISBN: [3] ST Microelectronics, 2008, STP22NF03L N-channel 30 V, Ω, 22 A, TO-220 STripFET II Power MOSFET, Saatavilla osoitteesta: [4] Sedra A. S. & Smith K. C., 2004, Microelectronic Circuits, 5 th edition, New York, Oxford University Press, s. 1283, ISBN [5] National Semiconductor, 2004, LM5102 High Voltage Half-Bridge Gate Driver with Programmable Delay, Saatavilla osoitteesta: [6] Gaalaas E., 2006, Class C Audio Amplifiers: What, Why, and How, Analog Devices, Saatavilla osoitteesta:

24 LIITE I

25 LIITE II

26 LIITE III

27

28