{"id":190,"date":"2017-06-19T22:18:35","date_gmt":"2017-06-19T20:18:35","guid":{"rendered":"http:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/?page_id=190"},"modified":"2017-07-11T12:29:44","modified_gmt":"2017-07-11T10:29:44","slug":"endstufe","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/gruppen\/gruppe-5-vca-adsr-endstufe\/endstufe\/","title":{"rendered":"Endstufe"},"content":{"rendered":"
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Als erstes stellte man sich die Frage, welcher Verst\u00e4rker realisiert werden soll. Da ein AB Verst\u00e4rker schon im zweiten Labortermin gebaut wurde und der Wirkungsgrad zu gering war, fiel die Wahl auf den Klasse D-Verst\u00e4rker, der durch den Einsatz von MOSFets einen besseren Wirkungsgrad erzielen kann. Somit begann die Suche nach geeigneten Schaltpl\u00e4nen und Verst\u00e4ndnis \u00fcber die Funktionsweise zu gewinnen. Dabei halfen die Vortr\u00e4ge vor den Laborterminen. Begonnen wurde damit, einen Rechteck- Dreieck-Generator\u00a0in LT Spice zu simulieren. Das erste Problem war, passende Operationsverst\u00e4rker (OPVs) zu finden und die Schaltung so zu dimensionieren, dass ein vern\u00fcnftiges Signal mit einer Frequenz von 200kHz generiert wird. Im dritten Labortermin lief die Simulation mit geeignetem Ergebnis und so wurde die Schaltung auf dem Steckbrett aufgebaut. Das nun erzeugte Signal war ern\u00fcchternd. Es gab weder ein Dreieck- noch ein Rechtecksignal am Ausgang. So musste ein Zusatztermin vereinbart werden, indem beschlossen wurde sich nach neuen, besser geeigneten OPVs und Komperatoren umzusehen. Im Zusatztermin wurde au\u00dferdem noch klar, dass die zuvor aufgebaute Schaltung aus zwei Gr\u00fcnden nicht funktionierte: Erstens, es bestand keine richtige Verbindung zwischen einer der Spannungsquellen und dem Stecker am Steckbrett, was dazu f\u00fchrte, dass „VCC\u2013\u00e4uf dem Steckbrett komplett fehlte. Zweitens fiel auf, dass der verwendete Komperator einen Open-Collector Output hatte und somit erst einen Strom ausgeben konnte, wenn er mit einem Pull-Up Wiederstand auf VCC gezogen wird. Als diese Fehler behoben waren, war zum ersten Mal ein Dreiecksignal zu erkennen. Allerdings war dies nicht linear genug und die Spitzen viel zu rund. Somit wurden w\u00e4hrend des n\u00e4chsten Termins neue OPVs besorgt, mit denen nach einigen Tests mit verschiedenen Wiederst\u00e4nden und Kapazit\u00e4ten, ein vern\u00fcnftiges Dreieck zu sehen war. Leider war die Frequenz mit ca. 60 kHz immer noch zu gering, was zur Folge hatte, dass sich nebenbei mit der Dimensionierung einer H-Br\u00fccke als Treiber f\u00fcr die MOS-Transistoren besch\u00e4ftigt werden musste. Der Aufbau lief gut, allerdings wurde bei einem Funktionstest mit dem Funktionsgenerator festgestellt, dass auch hier der verwendete NE5532 eine zu geringe Slewrate aufweist. Somit ergeben sich folgende Aufgaben f\u00fcr die n\u00e4chsten Termine: Frequenz am Dreieckgenerator erh\u00f6hen, neue OPVs f\u00fcr den Treiber organisieren und den Filter f\u00fcr den Ausgang zu dimensionieren und aufzubauen.<\/p>\n

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Im n\u00e4chsten Praktikumstermin wurde zu erst nach neuen Operationsverst\u00e4rkern gesucht, hierbei fiel besonders der LT1360 ins Auge, da dieser eine Slewrate von 800V\/\u03bcs aufweist. Im Anschluss musste die Schaltung auf diesen Operationsverst\u00e4rker angepasst werden, da die Pin-Belegung nicht mit dem alten Operationsverst\u00e4rker \u00fcbereinstimmte. Im Auschluss an diesen Termin wurde der Dreiecksgenerator nocheinmal zum Test auf einem Steckbrett aufgebaut, au\u00dferdem wurden die Widerst\u00e4nde noch so dimensioniert, dass das Dreiecksignal eine Freqeunz von 200kHz hat und der Tiefpass am Ende so dimensioniert, dass die Grenzfrequenz 20kHz betr\u00e4gt, weil das menschliche Ohr Frequenzen \u00fcber 20kHz nicht h\u00f6ren kann. Als dann alles bestimmt war, wurde die Schaltung zum \u00e4tzen gegeben. Im Anschluss musste die Platine nur noch gebohrt und best\u00fcckt werden, was dann auch geschehen ist. Der Test des fertigen Verst\u00e4rkers hat dann nur noch gezeigt, dass die Lautst\u00e4rkeregelung sehr empfindlich ist.<\/p>\n

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Beschreibung der Schaltung<\/h2>\n

\"classD\"<\/a><\/p>\n

Abbildung:\u00a0<\/strong>Blockschaltbild Klasse D: https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Klasse-D-VerstC3A4rker<\/em><\/p>\n

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Zu erst wird ein Dreiecksignal mit hoher Frequenz erzeugt, dieses wird dann \u00fcber einen Komperator mit dem Audiosignal verglichen. Durch diesen Vergleich zwischen Sinus und Dreiecksignal erhalten wir ein pulsweiten moduliertes (PWM) Signal. Dieses geht dann durch eine Treiberstufe aus Bipolartransistoren und wird dann durch MOSFETS verst\u00e4rkt. Dies verst\u00e4rkte PWM Signal muss dann durch einen Filter wieder zur\u00fcck in ein Sinussignal gewandelt werden, damit es ordentlich von einem Lautsprecher wiedergegeben werden kann.<\/p>\n

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Dreieck\/ Rechteckgenerator<\/h3>\n

Der Dreieckgenerator besteht aus einem sehr schnellen OPV (sehr hohe Slewrate) und einem Standard OPV LT071. Durch die Verschaltung als Schmitt-Trigger erreichen wir am Ausgang vom ersten OPV die Erzegung eines Rechtecksignals. Dies geht dann auf den zweiten OPV, welcher den 400pF Kondensator mit einem konstanten Strom l\u00e4dt bzw. entl\u00e4dt. Dies sorgt f\u00fcr die Erzeugung eines Dreiecksignals am Ausgang. Es muss dieser schnelle OPV benutzt werden, da wir ein Signal mit m\u00f6glichst linearen Flanken, guten Spitzen und hoher Freuquenz von ca 200kHz erreichen mussten. 200 kHz sind nach dem Nyquist-Abtasttheorem n\u00f6tig, da ein Audiosignal von bis zu 20kHz abgetastet und mit dem Dreiecksignal vergleichen werden muss.<\/p>\n

\"3\"<\/a><\/p>\n

Abbildung:\u00a0<\/strong>Dreiecksignal gemessen<\/em><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Treiberstufe\/ Endstufe<\/h3>\n<\/div>\n<\/div>\n
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Die Treiberstufe, bestehend aus vier Bipolartransistoren, sorgt daf\u00fcr, dass die MOSFETS richtig angesteuert werden. Denn sollten beide MOSFETS durchschalten w\u00fcrde das zu einem Kurzschluss zwischen Minus und Plus Versorgungsspannung f\u00fchren. Deshalb sorgt die Treiberstufe daf\u00fcr, dass jeder der p-MOS oder der n-MOS durchschalten kann. Die Totzeit, also die Zeit in der keiner der MOSFETS angesteuert wird, wurde \u00fcber die Wiederst\u00e4nde in der Treiberstufe eingestellt. Die MOSFETS sorgen dann f\u00fcr die Verst\u00e4rkung des Signals.<\/p>\n

Filter<\/h3>\n

Der Filter muss aus dem PWM Signal wieder ein Sinussignal machen. Die Wahl fiel hier auf einen LC Tiefpassfilter. Er wurde so Dimensioniert, dass er eine Grenzfrequenz von 18 kHz hat. Die Induktivit\u00e4t und Kapazit\u00e4t ergaben sich dann nach umstellen der Formel zur berechnung der Grenzfrequenz:<\/p>\n

f_g = 1 \/ (2 * \u03c0 * sqrt(LC))<\/p>\n

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Vorverst\u00e4rker<\/h3>\n

Der Vorverst\u00e4rker besteht aus einer einfachen OPV Schaltung, die das Eingangsau- diosignal von 1,1V auf das Dreiecksignal anzuspassen. Dazu wurde die Schaltung so dimensioniert, dass der Vorverst\u00e4rker die Eingangsspannung um den Faktor 6 Verst\u00e4rkt. Die Lautst\u00e4rkeregelung wird durch ein logerithmisches Potentiometer im Vorverst\u00e4rker realisiert und zus\u00e4tzlich befindet sich hinter dem Preamp ein Kopfh\u00f6rerausgang, bei dem\u00a0das Mono-Signal auf beide Kan\u00e4le der Klinkenbuchse gelegt wurde. Somit kann man das Audiosignal auch mit einem Stereo Kopfh\u00f6rer auf beiden Ohren h\u00f6ren.<\/p>\n

\"Class<\/a><\/p>\n

Abbildung:<\/strong> Schaltplan Klasse D<\/em><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Als erstes stellte man sich die Frage, welcher Verst\u00e4rker realisiert werden soll. Da ein AB Verst\u00e4rker schon im zweiten Labortermin gebaut wurde und der Wirkungsgrad zu gering war, fiel die Wahl auf den Klasse D-Verst\u00e4rker, der durch den Einsatz von MOSFets einen besseren Wirkungsgrad erzielen kann. Somit begann die Suche nach geeigneten Schaltpl\u00e4nen und Verst\u00e4ndnis […]<\/p>\n","protected":false},"author":57,"featured_media":0,"parent":13,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/190"}],"collection":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/users\/57"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=190"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/190\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":305,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/190\/revisions\/305"}],"up":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/13"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/service.projektlabor.tu-berlin.de\/wordpress\/absynth\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=190"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}