Bestuderen en realiseren van een klasse-d versterker met een studie van het uitgangsfilter.

Transcriptie

1 Bestuderen en realiseren van een klasse-d versterker met een studie van het uitgangsfilter. Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Elektronica Optie Ontwerptechnieken Academiejaar Eindwerk Bourgois Dimitri

2

3 Bestuderen en realiseren van een klasse-d versterker met een studie van het uitgangsfilter. Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Elektronica Optie Ontwerptechnieken Academiejaar Eindwerk Bourgois Dimitri

4 Woord vooraf Dit rapport wordt geschreven in het kader van mijn eindwerk als laatstejaars student Industrieel Ingenieur Elektronica optie ontwerptechniek aan de provinciale industriële hogeschool te Kortrijk. Dit onder leiding van Dhr.Minjauw. Met dit eindwerk kreeg ik de kans om mijn theoretische kennis in de praktijk om te zetten. Graag zou ik nog de mensen willen bedanken die mij tijdens dit project gesteund hebben in de realisatie van het eindwerk. Eén en ander zou ongetwijfeld niet mogelijk geweest zijn zonder de raadgevingen en de begeleiding van mijn promotor Dhr Minjauw. Om een goed eindwerk tot stand te brengen heb je een goed gefundeerde kennis nodig en daarom wil ik ook het docentenkorps van de PIH bedanken. Ik dank ook mijn ouders en mijn vriendin die mij de kans en de steun gaven om mijn opleiding tot een goed einde te brengen. Bourgois Dimtri, Ieper, 8 mei Studie en realisatie van een klasse D versterker II

5 Inleiding Doelstelling Klasse D Filter Inleiding tot versterkers Inleiding Klasse A Klasse B Klasse AB Klasse C Klasse D Klasse E, F, G, H Klasse E Klasse F Klasse G Klasse H Klasse T Klasse D versterker Keuze voor klasse D Werking van de klasse D Ontwerp klasse D versterker Keuze van de componenten Stuur IC LM Power IC LM Uitleg bij het schema Voorversterker Klasse D versterker De voeding Printontwerp De spoel Introductie Kwaliteitsfactor Verzadiging Kernmaterialen Praktische spoel...37 Studie en realisatie van een klasse D versterker III

6 6 De condensator Introductie ESR Dissipatiefactor Verschillende diëlectrica Capaciteitsverandering Praktische condensator Ontwerp van de uitgangsfilter Introductie Verschillende filters Inleiding laagdoorlaatfilter RC Laagdoorlaatfilter LC Laagdoorlaatfilter Praktische realisatie Gevolgde strategie Componentenlijst...76 Besluit...77 Bibliografie...78 Bijlagen...79 Studie en realisatie van een klasse D versterker IV

7 Lijst van de gebruikte figuren: Figuur 1: Blokschema van een versterker...4 Figuur 2: Klasse A versterker...5 Figuur 3: Klasse B versterker (push pull eindtrap)...6 Figuur 4: Klasse AB versterker...6 Figuur 5: Klasse C versterker...7 Figuur 6: Halve brug uitgang bij klasse D versterker...8 Figuur 7: Volle brug uitgang bij klasse D versterker...8 Figuur 8: Klasse G versterker...9 Figuur 9: Basis klasse D versterker...12 Figuur 10: PWM signaal...13 Figuur 11: Volle brugschakeling...14 Figuur 12: LM4651 en LM Figuur 13: Schema van de voorversterker...20 Figuur 14: Schema van de klasse D versterker...23 Figuur 15: Schema van de voeding voor de klasse D versterker...26 Figuur 16: BH-kromme...30 Figuur 17: Praktische spoel...37 Figuur 18: Verschillende spoelen...38 Figuur 19: Impedantie curve van de luchtspoel...40 Figuur 20: Impedantie curve van de zelfgewikkelde spoel...42 Figuur 21: Impedantie curve van de gekochte spoel...44 Figuur 22: Schema om DC stroom te meten...46 Figuur 23: DC stroom door de luchtspoel...47 Figuur 24: DC stroom door de zelfgewikkelde spoel...48 Figuur 25: DC stroom door de gekochte spoel...49 Figuur 26: Verandering van de inductie in functie van de stroom...51 Figuur 27: Praktische condensator...56 Figuur 28: Verschillende condensatoren...57 Figuur 29: Impedantie curve van de elektrolytische condensator...58 Figuur 30: Impedantie curve van de polipropyleen condensator...60 Figuur 31: Impedantie curve van de polyester condensator...62 Figuur 32: RC filter...64 Figuur 33: Actief RC filter...65 Figuur 34: LC filter...66 Studie en realisatie van een klasse D versterker V

8 Inleiding In het begin van het academie jaar en in samenspraak met mijn promotor zijn we tot de beslissing gekomen om een studie en realisatie van een klasse D versterker te maken. Enerzijds bestaat dit eindwerk uit de realisatie van een klasse D versterker, anderzijds ook uit een studie van deze versterker. Ook kreeg ik de opdracht dat de versterker een minimum vermogen van 100W moest kunnen leveren en dat het geheel met een stuur IC moest gemaakt worden. Het project moest niet low-cost blijven. Omdat er veel verschillende spoelen en condensatoren zijn werd de opdracht beperkt tot het gebruik van drie spoelen en drie condensatoren. Met deze informatie ben ik mijn zoektocht begonnen om dit project te realiseren. Verder in deze scriptie komt u stap voor stap te weten welke moeilijkheden ik ondervonden heb, maar ook de oplossingen om tot het eindresultaat te komen. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 1

9 1 Doelstelling Het doel van dit eindwerk is om een goede klasse D versterker te maken met bijpassend uitgangsfilter. Deze moet dus een goede geluidsweergave hebben en een vermogen kunnen leveren van minimum 100 watt. Om dit doel te bereiken zal in een eerste fase een klasse D versterker gebouwd worden, gebaseerd op een betrouwbare technologie. In een tweede fase worden alle aspecten in verband met de uitgangsfilter in detail bestudeerd en worden er verschillende filters getest. 1.1 Klasse D Daar de opdracht was om met een stuur IC te werken ben werd er gezocht naar wat er allemaal op de markt verkrijgbaar was. Uiteindelijk is de keuze gevallen op twee IC s van National Semiconductor, deze zijn de LM4651 en de LM4652. Waarom de keuze is gevallen op deze IC s is vrij eenvoudig. De IC s zijn zeer vlot verkrijgbaar in de handel en worden nog volop geleverd. Het uitgangsvermogen van deze versterker is 170 watt die voor deze applicatie ruim voldoende is. Wat een bijkomend voordeel is dat deze IC s door National Semiconductor al op elkaar afgesteld zijn wat dus zeker tot een goed resultaat moet leiden. Ook de prijs kwaliteitverhouding is zeer goed. Deze versterker kan je zeer goedkoop gaan maken en toch een zeer goed geluidsresultaat hebben. De LM4651 zal het gewenste PWM signaal gaan leveren. De LM4652 is een H-brug vermogen IC waar dan het uitgangssignaal verkregen wordt. Meer uitleg over de werking van deze IC s zal verder terug te vinden zijn in deze scriptie. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 2

10 1.2 Filter Van het uitgangsfilter moet er een studie gemaakt worden. Daar er gewerkt wordt met een LC filter is dit geheel sterk afhankelijk van de frequenties. De filter zal dus andere eigenschappen hebben bij lagere frequenties dan bij hoge frequenties. Ook bestaan er verschillende spoelen en kernmaterialen, elk met hun eigenschappen. Ook bij de condensatoren is er een grote keuze aan soorten diëlectrica. Door het bestuderen en simuleren van de verschillende componenten kan er te weten gekomen worden welke spoel en condensator het best zijn voor een bepaalde toepassing. Op papier zijn het allemaal spoelen en condensatoren, in werkelijkheid zorgen, saturatie, parasitaire capaciteiten, parasitaire zelfinducties en parasitaire weerstanden er voor dat het filter niet zo goed functioneert als in de simulatie. Door hiermee rekening te houden kan er dan een goed filter ontworpen worden voor de beste performantie van de versterker. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 3

11 2 Inleiding tot versterkers 2.1 Inleiding Om van een gewoon muziek signaal over te gaan naar een goed hoorbaar uitgangssignaal voor een luidspreker moet een versterker gebruikt worden. Als het signaal slechts lichtjes versterkt moet worden, dan wordt gebruik gemaakt van een voorversterker. Deze voorversterker wordt niet gebruikt om luidsprekers aan te sturen. Indien een grotere versterking nodig is zal men gebruik moeten maken van een vermogenversterker. Iedere versterker kan symbolisch voorgesteld worden zoals in figuur 1. Figuur 1: Blokschema van een versterker Aan de ingangsklemmen A en B wordt een ingangssignaal Ui gelegd, zo gaat er in de ingangskring een stroom Ii vloeien. Voor goede versterkers is de ingangsimpedantie hoog en is de ingangsstroom dus klein en meestal zelfs verwaarloosbaar. Bij een goede versterker zal er op de uitgang een versterkt signaal Uu komen. Hierbij zal de uitgang van de versterker zich gedragen als een bijna ideale spanningsbron. Hierdoor kan er een stroom Iu vloeien door de belasting Rb. Het ingangssignaal zal dus versterkt terug te vinden zijn op de uitgang. Het vermogen dat aan de ingang toegevoerd is Pi en het vermogen aan de uitgang is Pu. Dankzij het door de voeding bijgeleverde vermogen, is het mogelijk om Pu groter dan Pi te maken. In de praktijk bestaan er verschillende soorten versterkers, deze elk met hun eigen parameters en voor en nadelen. Om het verschil te weten van de versterkers zijn deze ingedeeld in verschillende klasse s. Om een goed overzicht te zien van de verschillende klasse s wordt eerst een korte beschrijving gegeven van wat hun specifieke kenmerken zijn. De klasse s stellen voor waar de transistor of mosfet ingesteld staat op de Ic en Vce grafiek. In de schema s wordt meestal Vcc gebruikt als Studie en realisatie van een klasse-d versterker 4

12 voeding voor bipolaire transistoren. Als gewerkt wordt met mosfets, dan zal dit niet Vcc meer zijn, maar Vdd. 2.2 Klasse A versterker: De klasse A versterker zoals weergegeven in figuur 2 kan opgebouwd worden door één simpele transistor. In deze klasse vloeit de stroom gedurende de volledige periode van het signaal. Dit heeft als gevolg dat er geen cross-over vervorming is en dat er een goede lineariteit is. Echter vergt dit principe veel vermogen omdat de transistor een volledige cyclus moet geleiden, zodat een zeer laag rendement het gevolg is (< 50%). Het lage rendement is ook het gevolg doordat waneer er geen ingangssignaal aanwezig is er toch al een zekere stroom door de collector vloeit. Deze versterker wordt toegepast voor zeer kleine vermogens. Figuur 2: Klasse A versterker 2.3 Klasse B versterker: De klasse B versterker wordt opgebouwd met 2 transistoren die afwisselend een deel van de periode voor zich nemen. De ene zal de positieve alternatie geleiden, de andere zal de negatieve geleiden. Deze wordt ook wel de push-pull eindtrap genoemd zoals te zien in figuur 3. Er is wel een nadeel aan deze schakeling. Bij overgang van het geleiden van de ene transistor naar de andere transistor is er een vervorming op het uitgangssignaal, dit is een soort dode zone, ook wel sperzone genoemd. De vervorming die hier verkregen wordt is cross-over. Wat wel een groot voordeel is, is dat het rendement gestegen is tot een 60% à 70%. Het rendement is nog niet overdreven maar toch al beter. De klasse B wordt hoofdzakelijk gebruikt voor PA en versterkers Studie en realisatie van een klasse-d versterker 5

13 met groot vermogen, waar de cross-oververvorming (1.4V) relatief klein is gezien de hoge spanningen van het uitgangssignaal (vb: >70V). Figuur 3: Klasse B versterker (push pull eindtrap) 2.4 Klasse AB versterker: Deze klasse is een samenstelling van een klasse A en een klasse B. Er wordt gestreefd om het instelpunt tussen dit van een klasse A en een klasse B te leggen. De methode hierachter is dat je voor kleine signalen werkt in klasse A omdat de lineariteit daar goed is. Voor grotere signalen wordt het instelpunt verschoven naar klasse B. Anders zijn de parameters ongeveer hetzelfde. Er is nog steeds cross-over vervorming, maar dit kan weggewerkt worden door in het schema wat te wijzigen. Zoals te zien op figuur 4 kan door het toevoegen van twee diodes die continu in geleiding zijn de 1,4V cross-over weggewerkt worden. Het typische rendement van een klasse AB versterker ligt rond een 75%. Deze versterker wordt het meest gebruikt in de gewone home audio installaties. Figuur 4: Klasse AB versterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 6

14 2.5 Klasse C versterker: Deze klasse werkt met een resonantie kring zoals te zien in figuur 5. Deze wordt veel gebruikt bij frequentie vermenigvuldigers, dus waar hoogfrequent trappen nodig zijn. De schakeling bestaat uit één transistor die gedurende een korte tijd van een halve periode in geleiding wordt gestuurd. Zo komt op de uitgang als het ware een puls terecht. De trillingskring zorgt er voor dat deze piek omgezet wordt naar een bruikbaar sinussignaal. Hoe korter de puls is, hoe efficiënter de schakeling werkt. Dit principe heeft een rendement van ongeveer 75% wat al zeer positief is. Deze versterker wordt niet gebruikt voor audio toepassingen. Figuur 5: Klasse C versterker 2.6 Klasse D versterker: Deze klasse werkt met twee of vier transistoren. Het verschil van deze schakeling bij de andere schakelingen is dat hier de transistoren maximaal uitgestuurd worden. Dus worden ze ofwel helemaal in geschakeld, of helemaal uit geschakeld. De aansturing ligt echter wat moeilijker omdat er in pulsbreedte gemoduleerd wordt. Ook vergt de uitgang een speciale uitgangsfilter om het gewenste muzieksignaal te reconstrueren. Het grote voordeel van deze versterker is dat er een zeer groot rendement kan gehaald worden, tot een goede 95% rendement wat uiteraard uitstekend is. Deze versterker wordt het meest gebruikt voor car-audio en voor zwaardere bass versterkers. De versterker maakt ook het meeste gebruik van mosfets in plaats van transistoren, dit omdat mosfets een hoger rendement hebben dan bipolaire transistoren en dat ze ook sneller schakelen dan een gewone transistor. Daar de uitgang ofwel aan of uit gestuurd wordt komt aan de uitgang een blokgolf signaal. Om daar het muziek signaal uit te halen moet dit gebeuren door filteren van het uitgangssignaal. Hiervoor wordt met Studie en realisatie van een klasse-d versterker 7

15 een LC filter gewerkt. Een eenvoudige uitgangstrap met bijhorend LC filter kan gezien worden in figuur 6, dit wordt ook wel de halve brug genoemd. - Figuur 6: Halve brug uitgang bij klasse D versterker Indien het vermogen opgedreven moet worden en dus verdubbelen moet gebruik worden gemaakt van een volle brug schakeling. Deze wordt ook wel de H-brug genoemd zoals in figuur 7. Figuur 7: Volle brug uitgang bij klasse D versterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 8

16 2.7 Klasse E, F, G, H, T versterkers: De volgende soorten zijn nog andere verschillende klasse s die soms gebruikt worden maar nog niet echt gecommercialiseerd zijn. Ze zijn gewoon enkele varianten en uitbreidingen op al de vorig besproken versterkers. Hieronder volgt een beknopt overzicht van wat er bedoeld wordt en wat veranderd hoeft te worden aan het schema Klasse E De klasse E is een aanpassing op de klasse D versterker. Bij de klasse D moet er in praktijk nog rekening gehouden worden met de parasitaire capaciteiten van de mosfets of transistoren. Bij de klasse E wordt dit weggewerkt door aan de uitgang een extra trillingskring te plaatsen zodat de parasitaire capaciteit opgegeven wordt. Deze versterker heeft dan nog een iets beter rendement dan de klasse D, maar dat zal zo goed als niets schelen. Het zal van een 95% naar een 96% gaan Klasse F De klasse F is een uitbreiding op de klasse C versterker door er nog een extra trillingskring bij te steken. Hierdoor kan er nog meer energie aan de uitgang toegevoegd worden. Het komt doordat er een extra frequentie uitgefilterd wordt en op de uitgang bijgeplaatst wordt Klasse G De klasse G versterker zoals in figuur 8 is een variant op de klasse B schakeling, deze versterker werkt met een voeding die constant mee varieert met de uitgangsspanning. Deze methode wordt toegepast om het spanningverlies in de transistoren te verminderen. Figuur 8: Klasse G versterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 9

17 Klasse H De klasse H versterker is ongeveer hetzelfde als de klasse G versterker, maar waar de klasse G iets mee had van de klasse B heeft deze klasse H nu iets mee van de klasse AB Klasse T Een klasse T versterker is een versterker die gelijkaardig is aan een klasse D versterker. Deze werd ontwikkeld door Tripath. Het verschil zit erin dat er hier gebruik wordt gemaakt van digitaal signaal verwerking waardoor de vervorming nog verminderd wordt. Er zijn verschillende merken die deze technologie gebruiken in verschillende toepassing. Een voorbeeld hiervan is Sony die dit in verschillende auto versterkers en ook voor home-cinema systemen toepast. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 10

18 3 Klasse D versterker 3.1 Keuze voor klasse D Hier zal nu duidelijk gemaakt worden waarom de keuze gevallen is op een klasse D versterker. Hoofdzakelijk is het omwille van de verschillende moeilijkheidsgraden in het schema en omdat het iets totaal nieuw is om zelf te ontwikkelen. Meestal worden er klasse AB versterkers gemaakt. Een bijkomende zaak die de keuze bevorderd is dat er normaal een rendement kan gehaald worden van ongeveer 95% wat zeer hoog is, dus bijna al het vermogen dat er in gestoken wordt, moet er ook weer uit komen als audio. De verschillende moeilijkheden bij het schema: Ingangssignaal moet pulsbreedte gemoduleerd worden. Er wordt gewerkt met frequenties van 50khz 300 khz. Door deze frequenties is het ook niet vrij simpel om een goede uitgangsfilter te ontwikkelen. De uitgang van de versterker moet een groot vermogen kunnen leveren dus moet er een brug schakeling gemaakt worden die voldoende stroom kan leveren. Het gebruik van een driver IC zal noodzakelijk worden om toch een degelijke bewerking te kunnen hebben van ons muzieksignaal. Nu de keuze gemaakt is wordt de werking van de klasse D wat meer uit de doeken gedaan. 3.2 Werking van de klasse D Een klasse D versterker is een versterker gebaseerd op een LC uitgangskring. Deze is uitgerust met twee of vier tansistoren of mosfets die werken als schakelende elementen. Het voordeel om de transistoren te gebruiken als schakelende elementen is dat ze bijna geen vermogen kunnen dissiperen: ofwel staat er spanning over (schakelaar open) ofwel vloeit er stroom door (schakelaar gesloten), maar er staat Studie en realisatie van een klasse-d versterker 11

19 nooit spanning over wanneer er stroom door vloeit. Een bijkomend voordeel is dat er minder vermogen moet gevraagd worden van de voeding en dat de koelvinnen ook verkleind kunnen worden. De D van de klasse D wordt soms gebruikt als afkorting voor digitaal, maar dit is echter fout, omdat het geheel nog altijd op analoge principes werkt. Het schema van figuur 9 wordt eerst eens uit de doeken gedaan. Er is een symmetrische voeding aanwezig, dus er is een V+ en een V-. Het schema bestaat uit een comparator die 2 vermogen MOSFET s stuurt die enkel aan of uit gaan. Op de comparator zijn er 2 ingangen. Één is er om een zaagtand signaal aan te leggen, de andere is er om het muzieksignaal aan te leggen. Aan de uitgang van de comparator wordt dan eens een positief of negatief signaal Vc verkregen. Figuur 9: Basis klasse D versterker Aan de comparator zijn er nu 2 mogelijkheden: Vs > Vt Vc = negatief Vs < Vt Vc = positief De spanning die op Vc verkregen is wordt gebruikt om de mosfets uit te sturen. Als Vc positief is, kan M2 geleiden en M1 sperren. Hierdoor wordt Vo = V-. Anderzijds als Vc negatief is, zal M1 geleiden en M2 sperren. Hierdoor wordt Vo = V+. In werkelijkheid is er een klein spanningverlies over de geleidende MOSFET zodat Vo net niet V+ of V- zal zijn. Doordat het verlies klein is en de voeding meestaal hoog genoeg kan dit spanningsverlies verwaarloosd worden. Op de uitgang staat een laagdoorlaat filter die bestaat uit L1 en C1, deze filter is er om de lage frequenties van Vo door te laten naar de luidspreker. Deze onderdrukt ook de harmonischen van de schakelfrequentie. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 12

20 Ook zal er nog een klein kringetje zijn die bestaat uit R1 en C2, dit gedeelte is er om de spoel van de luidspreker te compenseren zodat op hoge frequenties de uitgang toch een resistieve belasting ziet. Vervolgens wordt het pulsbreedte gemoduleerd (PWM) signaal bekeken. Zoals te zien in figuur 10 is als voorbeeld een sinus fs van 1kHz en een zaagtand ft van 20kHz genomen. De comparator vergelijkt beide signalen met elkaar en zet dan de uitgang hoog of laag. Als de spanning van het laagfrequente audiosignaal groter is dan de zaagtand, dan wordt de uitgang hoog, wordt de sinus kleiner dan de zaagtand, dan wordt de uitgang laag. Figuur 10: PWM signaal De versterking van de schakeling is als volgt: Av Vop Vtp De uitgang na de mosfets is dus ook een blokgolf die in pulsbreedte gemoduleerd is. Daar er naar de belasting toe een sinus gewenst is moet dit blokgolf signaal gefilterd worden met een LC filter. Meer uitleg rond dit uitgangsfilter zal later nog volgen in een verdere uitwerking van de versterker. Omdat een hoog uitgangsvermogen gewenst is zou een schakeling met twee mosfets niet genoeg zijn. Daarom wordt gebruik gemaakt van een brugschakeling zoals in figuur 11. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 13

21 Figuur 11: Volle brugschakeling Het voordeel van een brugschakeling is het uitgangsvermogen verhogen zonder de voedingsspanning aan te passen. Waar erop moet gelet worden is dat beide bruggen in tegen fase aangestuurd moeten worden, dit om ervoor te zorgen dat er een stroom door de belasting kan gaan. Dit wil zeggen dat dus M1 en M4 moeten samenwerken of M2 en M3 moeten samenwerken. Een bijkomend doel van bruggen ook wel bridgen genaamd is om een versterker die ontworpen is voor een vier ohm belasting toch zijn volledig vermogen te kunnen laten ontwikkelen in een acht ohm belasting. Waar er ook nog rekening hoeft mee gehouden te worden is dat een klasse D versterker elektromagnetische storing veroorzaakt. Door de hoge schakel frequenties kan het de andere rand elektronica gaan storen. Daarom moet ervoor gezorgd worden dat de versterker goed afgeschermd is. Deze moet ook goed geaard zijn zodanig dat de schakel harmonischen niet kunnen doorkomen naar buiten toe. Ook om dit alles tegen te gaan kan aan iedere ingang en uitgang laagdoorlaat, common mode filters geplaatst worden. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 14

22 4 Ontwerp van de klasse D versterker 4.1 Keuze van de componenten Daar er gewenst was om te werken met een driver IC die van een sinus muziek signaal een PWM signaal maakt is de keuze gevallen op de LM4651 en LM4652 zoals te zien in figuur 12. Deze twee IC s zijn qua gebruik op elkaar afgestemd. Het ene IC zorgt voor alle sturingen terwijl het andere IC puur de brug voorstelt. Tijdens het ontwerp moet rekening gehouden worden met verschillende zaken zodat het concept zeer goed kan werken. Figuur 12: LM4651 en LM4652 Er zal gezien worden dat de combinatie van beide IC s een zeer goede keuze zal zijn. Dit omdat er zeer veel beveiligingen op de IC s zitten. Ook kan het geheel een vermogen van 170W leveren op 4 ohm wat al een zeer behoorlijk resultaat is. Deze IC s kunnen bijvoorbeeld toegepast worden in actieve luidsprekers. 4.2 Stuur IC LM4651 De LM4651 is een volledig geïntegreerde puls breedte modulator IC. Het heeft ook een kortsluitbeveiliging, een over modulatie beveiliging en een thermische beveiliging aan boord. Wat ook zeer handig is, is de stand-by functie die het IC zelf aan boord heeft. Het IC heeft een symmetrische voedingspanning nodig van een 20 tal volt. De schakelfrequentie kan ingesteld worden tussen 65khz en 200 khz. Dit is ruim voldoende voor de gewenste toepassing. Vooraleer te beginnen met het volledige ontwerp zullen alle functies van het IC eens uitgelegd worden, hierdoor kan gezien worden dat dit IC zeer veel kan en dus een goede IC is om te gebruiken. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 15

23 Pulsbreedte modulator: Hier wordt het inkomend audio signaal vergeleken met een zaagtand spanning die een veel hogere frequentie heeft. Deze hogere frequentie zal ingesteld kunnen worden tussen 65kHz en 200kHz. De comparator vergelijkt beide spanningen en hierdoor wordt een variërende duty-cycle verkregen en dus ook een variërende blokgolf. Stand-by Deze functie is om het signaal aan de uitgang af te kunnen schakelen. Dit gebeurt door het pulsbreedte gemoduleerd signaal uit te schakelen. Doordat het signaal uitgeschakeld wordt is er dus een groot voordeel dat het signaal volledig onderdrukt is, dus er komt totaal niets meer door. Een bijkomend voordeel is dat er ook geen ruis op de uitgang komt, dit omdat de modulatie gestopt wordt. Undervoltage lockout Deze beveiliging zorgt ervoor dat de mosfets niet ingeschakeld worden met een te lage gate source spanning. Een te lage gate source spanning heeft als resultaat dat de mosfets zich niet gedragen als een gesloten schakelaar, waardoor ze veel vermogen dissiperen met defecte mosfets tot gevolg. Soft start circuit De soft start zorgt ervoor dat wanneer de versterker ingeschakeld wordt de uitgang pas na een zekere tijd ingeschakeld wordt. Het is om de belasting te beschermen bij het inschakelen leggen van de versterker. Als de versterker ingeschakeld wordt kunnen zeer grote oplaadstromen ontstaan die veel groter kunnen zijn dan de gewone normale stroom aan de uitgang. Als deze stromen direct zouden doorkomen op de uitgang dan zou dit de belasting kunnen beschadigen. Meestal is dit in de praktijk bekend als de antiplop functie. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 16

24 Kortsluiting beveiliging Hier is dit veruit één van de beste en belangrijkste beveiligingen. Doordat de LM4652 een 10 ampère kan leveren zal wanneer de stroom hoger wordt dan die 10 ampère de kortsluitbeveiliging in werking treden. Deze zal er dan voor zorgen dat de mosfet s uitgeschakeld worden. Dit heeft als gevolg dat de muziek niet meer doorkomt maar als grote voordeel dat de uitgangstrap niet beschadigd wordt. Thermische beveiliging Deze beveiliging treedt in werking wanneer de junctie temperatuur van de LM4652 te hoog wordt. Dit is bij een temperatuur van ongeveer 150 C. De LM4652 heeft een inwendige temperatuur sensor zitten. Hierdoor kan deze weten wanneer de temperatuur te hoog wordt, en kan het IC dan een signaal sturen naar de LM4651 die er dan voor zorgt dat de uitgang uitgeschakeld wordt. Dode tijd instelling Hiermee wordt de dode tijd voor de mosfets s ingesteld. Deze tijd is deze die er is tussen het uitschakelen van een paar mosfet s en het inschakelen van het andere paar mosfet s. Deze beveiliging is noodzakelijk omdat anders de mosfet s samen zouden in geleiding kunnen komen en dit een kortsluiting als gevolg zou hebben. Oscillator Hier kan door het regelen van een potentiometer bepaald worden wat de PWM frequentie moet zijn. De instelling kan gebeuren tussen een 65kHz tot een 200 khz. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 17

25 Overmodulatie beveiliging Hier wordt ervoor gezorgd dat wanneer de ingang een te hoog signaal heeft het PWM signaal toch behouden kan blijven. Als het signaal te hoog wordt zou zogezegd het PWM signaal een lange tijd op laag of hoog blijven. Dit zorgt ervoor dat er een paar mosfet s geheel de tijd moet blijven geleiden en dit mag echter niet gebeuren. De oplossing hiervoor is de overmodulatie beveiliging. De high side mosfets worden aangestuurd met de high side drivers. Parallel aan de gate source van de bovenste mosfets wordt een condensator geplaatst die opgeladen is tot 12V. Als de bovenste mosfet lange tijd moet geleiden kan deze condensator ontladen door de lekstroom van de bootstrap diode. Hierdoor daalt de gate source spanning van de bovenste mosfet waardoor de mosfet zich niet meer gedraagt als een gesloten schakelaar. Dit resulteert dan in mosfets die stuk gaan zoals gezien is bij undervoltage lockout. Wanneer de bovenste mosfet toch uitgeschakeld wordt, wordt de 100nF condensator terug opgeladen. Vandaar dat de bovenste mosfet af en toe moet uitgeschakeld worden om toch een goede werking te hebben van de brug en zo ervoor te zorgen dat er geen mosfets stuk gaan. Interne spanningsregelaar Het IC heeft een aantal interne spanningsregelaars zitten. Zo is er bijvoorbeeld één van +6V en 6V. Deze spanning wordt gebruikt voor bijvoorbeeld de stand-by functie te activeren. Dit is zeer handig omdat er dan op de print geen extra voeding hoeft te worden voorzien. 4.3 Power IC LM4652 De LM4652 is een vol geïntegreerde vermogen mosfet H-brug in een compacte behuizing. Het heeft een temperatuur sensor zitten om de LM4651 te alarmeren indien deze te warm krijgt. De uitgang van dit IC kan een 10 tal ampères leveren wat voor de gewenste toepassing ruim voldoende is. De functies hoeven hier niet echt verder uit de doeken te worden gedaan daar ze al bij de LM4651 uitgelegd werden. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 18

26 4.4 Uitleg bij het schema Nu er geweten is wat beide IC s allemaal in zich hebben kan er begonnen worden met het realiseren van de versterker. Het standaard ontwerp uit de datasheet werd gebruikt als basisconcept, bepaalde componentwaarden zijn echter aangepast om aan onze eigen eisen te voldoen. Ook een voorbeeldschema was aanwezig om een versterker te realiseren die voor het gehele audio gebied van toepassing was. Hier wordt nu stap voor stap het schema uitgelegd en de berekeningen voor de verschillende componenten uit de doeken gedaan Voorversterker In figuur 13 wordt het schema van de voorversterker weergegeven. Deze versterker is nodig om het binnenkomend audio signaal voldoende te versterken. Het audiosignaal is normaal 1,4Vptp. Door dit kleine signaal al wat te versterken met een voorversterker is er nu een spanning van een 14Vptp. Het gebruik van de voorversterker is handig omdat hierdoor verschillende bronnen van verschillende sterkte aangesloten kunnen worden. Het uitgangssignaal van de voorversterker wordt dan aan de echte ingang van de vermogen versterker gehangen. Hierdoor ziet de vermogen versterker altijd dezelfde impedantie. De versterking van dit geheel is als volgt: Av R5 R4 10K 1K 10 Het stuk voor de versterker is een tweede orde laagdoorlaatfilter. De reden voor een ingangsfilter op een versterker is de bandbreedte van het ingangssignaal beperken. Storingen die van de uitgang van de klasse D versterker zelf afkomstig zijn zouden zonder ingangsfilter ook weer op de audio ingang van de klasse D versterker kunnen verschijnen, dat komt omdat de storingen inwerken op de audiokabel aan de ingang. Bijgevolg is er een ongewenste terugkoppeling van de uitgang naar de ingang. Elke ongewenste en ongecontroleerde terugkoppeling moet vermeden worden omdat deze kunnen leiden tot oscillatie van de versterker. De aanwezige potentiometer werkt als volumeregeling. De zenerdiodes voorzien de dual-opamp van een 12V voedingsspanning. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 19

27 Figuur 13: Schema van de voorversterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 20

28 Klasse D versterker Eerst zal het linker deel van het schema uit figuur 14 uitgelegd worden. Het stuur IC LM4651 valt direct op. Dit IC heeft dus enkel randcomponenten nodig om tot het gewenste resultaat te komen. Stand-by Om de stand-by te activeren moet er op deze pin een spanning aangelegd worden. Deze spanning wordt genomen van de +6V die aanwezig is van het IC. Indien er 0V op die klem staat wordt er PWM modulatie gedaan. Het schakelen tussen beide kan eenvoudig weg met een wisselschakelaar. Soft start circuit C23 wordt gebruikt om het Soft start circuit te laten werken. Door deze waarde te veranderen zal de tijd veranderen. De tijd kan als volgt berekend worden: t start 4 (8,4.10 ). C23 4 (8,4.10 ).1,5µF 0,126sec Dus met een waarde van 1,5µF resulteert dit in een 126msec uit. Dit is dus ruim voldoende. In mijn concept is er 1µF genomen omdat dit nog steeds ruim voldoende zal zijn en dus nog iets sneller zal werken, mijn optart tijd ligt dus op 84msec. Kortsluiting beveiliging De brug is intern gelimiteerd op minimum 10A. Indien er een extra weerstand aangesloten wordt kan deze stroom verhoogd worden. Dit kan als volgt berekend worden: 5 5 I SCKT 1.10 / (10K // R9) 1.10 / (10K // 39K ) 12, 56A Studie en realisatie van een klasse-d versterker 21

29 In deze applicatie is er nog effectief een muziekvermogen van 10A gewenst. Dit mag dus nog niet als kortsluiting aanzien worden. Hierdoor moet de kortsluitstroom hoger liggen en dit kan door een weerstand toe te voegen van 39k. De bekomen kortsluitstroom is dan 12,56A. Dode tijd instelling De dode tijd van de mosfet s wordt ook ingesteld. Dit kan als volgt berekend worden: T DLY 1,7.10.(500 R8 ) 1,7.10.(500 5,1K ) 9, 52ns De dode tijd is met deze weerstand ingesteld op ongeveer een 10 ns. Dit is voldoende om de mosfet s van de LM4562 de tijd te geven om aan en uit te schakelen. Oscillator Met de potentiometer P1 kan de PWM frequentie ingesteld worden. De frequentie kan als volgt berekend worden: 9 9 f OSC 1.10 / (4000 P1) 1.10 / ( K ) 41, 6kHz De potentiometer is vervangen door een 10K. Dit omdat de frequentie dan hoger gezet wordt en de kwaliteit van de versterker dan ook verbeterd. Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe beter en nauwkeuriger het signaal gemoduleerd zal worden. Uiteraard zal er opgelet moeten worden met de frequenties van het LC filter aan de uitgang, want daar kan het zijn dat het filter zich anders gaat gedragen. Dit zal verder bekeken worden in het hoofdstuk van de uitgangsfilter. Echter mag de frequentie ook niet te hoog liggen want dan kan de blokgolf aan de uitgang vervormen. Dit omdat de periode van de PWM verkleint maar de schakeltijd van de mosfets niet. Door dit vervormen is de gemiddelde waarde van de blokgolf niet meer correct en is er een vervorming aan de uitgang. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 22

30 Andere componenten De combinatie van de weerstanden R10, R11 en R12 samen met capaciteit C17 vormen de ingangsfilter en de verschilversterker. Deze zorgt ervoor dat het teruggekoppelde signaal vergeleken wordt met het toegevoerde signaal. Deze terugkoppeling dient om vervorming te verminderen. De filter is een laagdoorlaatfilter om ervoor te zorgen dat al aanwezige hoogfrequentie componenten, bijvoorbeeld schakelruis, weggewerkt zal worden. De andere componenten die nog overblijven zijn hoofdzakelijk capaciteiten. Als dit bekeken wordt staan deze meestal in verbinding met de voeding. Deze dienen dus om de voedingen voldoende te ontkoppelen en storingen weg te werken. Figuur 14: Schema van de klasse D versterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 23

31 Aan de rechterzijde van het schema in figuur 14 kan de LM4652 teruggevonden worden. Dit is de vermogentrap van de versterker. Opnieuw zijn er de condensatoren die de voeding ontkoppelen en de storingen weg werken. Uit deze elco s worden dan ook de piekstromen gehaald om de stroom aan de uitgang te kunnen leveren. Ook kunnen de terugkoppelnetwerkjes terug gevonden worden. Deze staan er om ervoor te zorgen dat een constante versterking verkregen wordt op de uitgang en dat deze niet vervormd wordt. Door terug te koppelen is er geweten hoeveel er op de uitgang aanwezig is en is er geweten als er moet bijgestuurd worden of als de spanning op de uitgang goed is. Parallel op de mosfet s staan er nog vrijloopdiodes. Deze zijn van het schottky type. Deze zorgen ervoor dat de reverse recovery tijd van de interne dioden van de mosfets niet voor problemen zouden zorgen omdat deze traag zijn. Een schottky diode wordt gebruikt omdat deze sneller zijn dan een gewone diode en omdat ze een lagere voorwaartse spanning hebben. Ze kunnen echter wel minder zware stromen doorstaan dan gewone diodes, maar voor onze applicatie zijn ze nog ruim voldoende. Helemaal aan de rechterzijde is een connector te zien. Hier moet dan de uitgangsfilter aangesloten worden. Dit filter is niet rechtstreeks voorzien op de print omdat daar nog een aparte studie moest gemaakt worden van verschillende filters. Zo bestaat er een mogelijkheid om de verschillende filters aan te sluiten op de uitgang en zien welkeen het best past. Als het filter daar aangesloten wordt moet dit met zo kort mogelijke draden gebeuren omdat er daar met een hoge schakelfrequentie gewerkt wordt. Dit zou er anders voor zorgen dat er storingen verkregen worden in het systeem. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 24

32 De voeding Er is een spanning van + en 17VDC gewenst. Deze spanning is een zeer lage waarde in verhouding met bijvoorbeeld een klasse AB versterker voor hetzelfde vermogen en dezelfde belasting. Deze wensen soms spanningen tot een 70V. Omdat een groot vermogen nodig is moet er een grote stroom geleverd kunnen worden uit de voeding, hierdoor zullen de transfo s dus voldoende zwaar moeten zijn. Berekenen van de stroom: 2 P 170W P U. I en U I. R P I. R I 10, 6A R 4 Er kan gezien worden dat er dus een stroom van 10,6A uit de voeding moet kunnen geleverd worden aan de klasse D versterker. De transfo s voor deze voeding moeten dus goed gekozen worden zodat deze een voldoende RMS stroom kunnen leveren. Door simulaties door te voeren zodat de uitgang continu 10,6 A levert gaf dit een resultaat van 21,6A RMS door de transfo. Omdat deze maar gedurende de helft van de tijd geleverd wordt, mag gezegd worden dat dit maar 10,8 A RMS is. Hierdoor kunnen de transfo s berekend worden: 21,6A.17V 183.6VA 2 Omdat er gewenst was om te werken met één brug voor de spanningen te realiseren moest er een middenaftakking gemaakt worden bij de transfo s zoals te zien in figuur 15. Dit vormt dan het massapunt. Om vervolgens het geheel af te vlakken moesten er nog twee elco s geplaatst worden. De keuze van waarde is liefst zo groot mogelijk om er zo voor te zorgen dat indien een stroompiek gewenst is, de nodige lading geleverd kan worden door die elco s. Zo wordt de stroom niet uit de transfo s getrokken maar uit de elco s. De elco s spelen een rol als energie verzamelaar. Deze worden opgeladen met de nodige lading en als dan veel lading nodig is kan deze rechtstreeks uit de elco s gehaald worden. De waarde voor de elco worden ook uit de simulaties gehaald. Als de waarde te klein is, dan is er geen afvlakking genoeg, dus moet de waarde voldoende groot zijn. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 25

33 Om de elco s spontaan te doen ontladen wanneer de spanning afgelegd wordt zijn er weerstanden met een hoge weerstandswaarde parallel over de elco s voorzien. Deze weerstand is berekend als volgt: U U U 20V P U. I en I P R 1, 6K R R P 0,25W De voedingspanning ligt op ongeveer 20VDC en de weerstand die gebruikt wordt is een 1/4W weerstand. Figuur 15: Schema van de voeding voor de klasse D versterker Studie en realisatie van een klasse-d versterker 26

34 4.5 Printontwerp Omdat er gewerkt wordt met hoge frequenties voor de modulatie moeten ervoor gezorgd worden dat er voldoende ontkoppeling is van de voedingen omdat die hoge frequenties voor storingen kunnen zorgen. Ook moet er een groot massavlak voorzien worden zodat de storingen voldoende weggewerkt kunnen worden. Deze storingen worden dan afgeleid naar de massa. De impedantie van het massavlak is laag en over een laagohmige massa kunnen er geen spanningsvallen optreden, hierdoor kunnen de storingen dus weggewerkt worden. Op de print is de voorversterker samen met de klasse D versterker en de eindtrap samengebracht. De uitgangsfilter is voor de reden van daarnet apart ontworpen. De print is zo compact mogelijk gemaakt. In het schema en op de print zijn ook jumpers voorzien. Dit is om zo het mogelijk te maken om verschillende tests uit te voeren op de versterker. De componenten, de top layer en de bottom layer van de getekende printen zijn terug te vinden in de bijlagen. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 27

35 5 De spoel 5.1 Introductie Een spoel is een elektronische component die bestaat uit een aantal draadwikkelingen. Deze zijn de geleiders en hierdoor zal de stroom vloeien. Deze wikkelingen liggen al dan niet rond een magnetiseerbare kern. De spoel heeft een zekere zelfinductie, dit houdt dus in dat iedere stroomverandering tegengewerkt wordt door een elektrische spanning. di U l L. dt In deze formule staat Ul voor de opgewekte spanning, de di is de verandering van de stroom binnen een bepaalde tijd dt en de L is de waarde van de zelfinductie. De impedantie van de spoel is frequentie afhankelijk en kan berekend worden door: X l 2.. f. L In deze formules is Xl de impedantie van de spoel. De f stelt de werkfrequentie voor en L is opnieuw de waarde van de zelfinductie. Voor kleine frequenties vormt de spoel een kortsluiting. Op hogere frequenties zal deze een onderbreking vormen. 5.2 De kwaliteitsfactor Een ideale spoel bestaat niet. Iedere spoel heeft een zekere serieweerstand. Deze wordt gevormd door de draadweerstand en door de kern waarrond de draad gewikkeld is. Deze weerstand kan dus ongeveer vergeleken worden met de ESR van een condensator. Enkel bij de spoel spreken we niet van de ESR maar van de kwaliteitsfactor Q. Deze kan gevonden worden door volgende formule toe te passen: Q Xl Rl Studie en realisatie van een klasse-d versterker 28

36 Hierin stelt Rl de serieweerstand van de spoel voor en Xl de impedantie van de spoel. Daar Xl frequentie afhankelijk is zal de kwaliteitsfactor ook frequentie afhankelijk zijn. De ohmse serieweerstand is ook frequentie afhankelijk, dit komt door het skin effect. Bij hoge frequenties loopt de stroom enkel door het buitenste laagje van de geleider, waardoor de ohmse weerstand toeneemt. 5.3 Verzadiging Het magnetische veld Als er rond de kern een aantal windingen liggen en er daarna een stroom door vloeit dan ontstaat er een magnetisch veld. De grote van de veldsterkte wordt berekend met volgende formule: H ( n. I) / l In de formule is n het aantal windingen om de kern heen. De I is de stroom die door de winding vloeit en l stelt de magnetische weglengte voor. De magnetische inductie Het aangelegde magnetische veld zal in het kernmateriaal een magnetische inductie B veroorzaken die veel groter kan worden dan de veldsterkte H. De grootte van deze inductie is: B. H Hierin stelt B de magnetische inductie voor. De µ in de formule stelt de permeabiliteit voor, deze is afhankelijk van het soort kernmateriaal. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 29

37 De BH kromme De relatie tussen B en H kan nader bekeken worden. Dit wordt weergegeven in figuur 16. Deze curve stelt de BH-kromme voor, ook wel de hysteresislus genaamd. Figuur 16: BH-kromme In het begin wordt H groter. De spoel kan zich zogezegd opladen tot een bepaald moment Bsat. Op dit moment kan de spoel geen verdere energie opslaan en gaat de spoel in verzadiging. Dit fenomeen wordt ook saturatie genoemd. Deze verzadiging komt doordat het kernmateriaal een grens oplegt aan de spoel om energie op te slaan. Er kan gezien worden wanneer de verzadiging optreedt de spoel geen lineair gedrag meer vertoont. Omdat er liever gewerkt wordt met lineaire systemen is het beter de spoel niet te laten werken in het saturatie gebied. Bij een zekere H en dus bijbehorende B is een hoeveelheid energie in de kern aanwezig. In het lineaire stuk is de energiedichtheid gelijk aan: E ( B. H ) / 2 In figuur 16 kan de stippellijn gezien worden, dit is het punt waar de B-H kromme voor de eerste maal doorlopen is. Bij elke volgende magnetisatie gaat de kromme over in een lus-vormige figuur waarbij op de doorgang met de y-as een zekere inductie overblijft, dit wordt het remanent magnetisme B r genoemd. Om de inductie tot nul terug te brengen is een tegengesteld magnetisch veld H nodig. De vorm van de lus is sterk afhankelijk van het type kernmateriaal en varieert van vrijwel rechthoekig tot vrijwel elliptisch. Het achterblijven van een zekere remanent magnetisme leidt tot verliezen. Dus hoe dunner de lus is, des te minder verliezen er zijn en dus hoe beter de spoel is. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 30

38 5.4 Kernmaterialen Inleiding Er bestaan heel wat verschillende magnetische materialen. Voor spoelkernen worden meestal lucht, ijzer, ferriet, kobalt en nikkel gebruikt. Ook bestaan er andere magnetische materialen. Deze worden gemaakt door het legeren van de materialen onderling of met andere, niet magnetische materialen. Zo resulteert dit dan bijvoorbeeld in poedermetaal. Afhankelijk van hun samenstelling hebben deze legeringen verschillende magnetische eigenschappen. Een inductie waarde is afhankelijk van het soort kernmateriaal. Dit wordt aangetoond in volgende formule: L n². µ. A) / l met µ µ. ( 0 µ r Hier stelt L de zelfinductie voor. De n is opnieuw het aantal windingen omheen de kern. A is de doorsnede van de kern. De l is opnieuw de magnetische weglengte. De µ in de formule stelt de permeabiliteit voor en deze is afhankelijk van het soort materiaal. Deze µ valt uiteen in een 0 en een r. De waarde van de 0 is H/m. De waarde van r is afhankelijk van het materiaal. Bij lucht heeft deze een waarde van één terwijl deze voor bijvoorbeeld een specifiek soort ferriet op meer dan duizend ligt. Dit betekent dat een zelfinductie met hetzelfde aantal wikkelingen, binnen dezelfde ruimte, vele duizenden malen groter kan worden bij toepassing van ferriet materialen. Hier kan dan ook de belangrijkste reden om ferriet toe te passen aangetoond worden, namelijk de beperking van draadlengte en ruimtebesparing. Bij het gebruik van de kernmaterialen moet er ook rekening gehouden worden met de frequentie waarop deze werken. Het kan zijn dat een kernmateriaal op 10kHz goed werkt, maar als de frequentie opgedreven wordt naar een veel hogere frequentie dat dit kernmateriaal dan gewoon niet meer mee wil zodat de inductiewaarde sterk daalt. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 31

39 Studie van de kernmaterialen Inleiding: Ferriet kernen worden meestal toegepast om hun elektromagnetische eigenschappen, en wel speciaal om hun magnetisch-veld concentrerende eigenschap, deze wordt verder nog besproken. Ferriet materialen kunnen daarom zeer bruikbaar zijn in HFtoepassingen. Ferriet is een keramisch product dat bestaat uit een verbinding van een metaaloxide met ijzeroxide. De poedervormige materialen worden eerst in een ruwe vorm geperst en vervolgens een of meerdere malen verhit tot temperaturen oplopend tot 1300 C. Ferrieten voor specifieke toepassingen krijgen hun eigenschappen door het toegevoegde oxide van mangaan (Mn), zink (Zn), nikkel (Ni), kobalt (Co), koper (Cu), ijzer (Fe) of magnesium (Mg) en de precieze wijze van sinteren en afkoelen. Materiaal eigenschappen: Voor spoelkern materialen worden meestal MnZn en NiZn combinaties met ijzeroxide gebruikt, waarbij de eerste met een hogere werkingsgraad (permeabiliteit, > 1000) voor lagere frequenties worden ingezet ( < 3 MHz; Ferroxcube codering 3xx ) en de laatste met een lagere permeabiliteit (100 < < 1000) voor hogere frequenties ( > 1 MHz; Ferroxcube codering 4xx ). Ferroxcube is de naam die de Philips Ferrieten - afdeling heeft aangenomen nadat deze verzelfstandigd werd. Er wordt later terug gekomen op de toepassingsdetails van al deze ferriet soorten. Natuurlijk wenst men graag een materiaal toe te passen met een zo hoog mogelijke permeabiliteit en een zo groot mogelijk frequentiebereik. Ferriet materialen zien er na het sinteren allemaal ongeveer gelijk uit; het is een zeer hard, grijszwart materiaal waaraan niet meer is terug te zien waaruit het is samengesteld en welke behandeling het verder heeft ondergaan. Sommige fabrikanten komen te hulp door deze materialen te omhullen met een kleur. Daarom wordt in de handel vaak kern materiaal teruggevonden in allerlei kleuren. Helaas zijn deze kleuren niet gestandaardiseerd en heeft elke fabrikant zijn eigen codes of levert uitsluitend wit materiaal. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 32

40 De verschillende kernmaterialen hebben een sterk uiteenlopende elektrische weerstand. Deze soortelijke weerstand ligt in de orde van ohm meter (Ωm) tot meer dan 100 k m. De kleurige laag zorgt daarom ook voor een goede elektrische isolatie met de kern, zodat wikkelingen niet worden kortgesloten op de vaak scherpe randen bij materiaal met een lage weerstand. Waar blanke materialen worden toegepast verdient het daarom als aanbeveling om eerst een laagje isolatie aan te brengen voordat met wikkelen wordt begonnen. Verder is bij materialen met een lage weerstand de invloed van de kern ook merkbaar in de toegenomen waarde van de parasitaire capaciteit, die parallel aan de spoel wordt gemeten. Het magnetisch - veld concentrerende eigenschap van ferriet wordt ook wel de permeabiliteit genoemd. Deze permeabiliteit heeft de eigenschap om toe te nemen met de temperatuur; een verandering in de van 10 eenheden per C is geen uitzondering. Dit effect kan gunstig zijn bij gebruik in smoorspoelen en transformatoren maar bepaald ongunstig bij gebruik in spoelen. Verder valt de boven een bepaalde temperatuur, de Curie temperatuur sterk terug wat altijd ongunstig is. Gelukkig ligt dit Curie punt altijd boven de 100 C en vaak zelfs boven de 200 C, zodat er in de praktijk weinig last van zal zijn. Welke nauwelijks van ferriet kernen te onderscheiden zijn, zijn de ijzerpoeder kernmaterialen. IJzerpoeder ( Ferroxcube codering 2Pxx ) heeft doorgaans een veel lagere permeabiliteit (10 < < 100), een lage kwaltijdsfactor (Q < 20). Het LF ijzerpoeder materiaal wordt meestal gebruikt in toepassingen waar grote stromen kunnen worden verwacht, bijvoorbeeld netfilters. Ook van dit ijzerpoeder materiaal worden kernen met ietwat verschillende eigenschappen geproduceerd. Ter onderscheiding en ditmaal ook als roest- bescherming, worden weer gekleurde coatings toegepast. Studie en realisatie van een klasse-d versterker 33