D-luokan vahvistin

Abstract

Turun ammattikorkeakoulun elektroniikkasuunnittelun suuntautumisvaihtoehdon opiskelijoille tarvittiin valmis D-luokan vahvistinmoduuli, jota voidaan käyttää harjoitustöissä. Tässä opinnäytetyössä suunniteltiin ja rakennettiin edellä mainittu audiokäyttöön tarkoitettu D-luokan vahvistin, jolla on lähes 90 %:n hyötysuhde ja pieni koko antotehoon nähden. Työssä verrattiin perinteisiä vahvistintyyppejä D-luokkaan ja käytiin läpi etuja ja haittoja. Vahvistimen tehona tavoiteltiin 10−20 W:a 4−8 Ω:n kaiutinelementtiin, ja piirilevyn koko yritettiin saada mahdollisimman kompaktiksi. Työssä rakennettiin pelkkä vahvistinmoduuli ilman laitekoteloa ja teholähdettä. D-luokan vahvistimen suunnitelu aloitettiin sen toimintaperiaatteen pohjalta, jonka jälkeen syvennyttiin tarkemmin vahvistimen eri toimintalohkoihin. Vahvistimen toimintaperiaatteen opiskelun jälkeen voitiin aloittaa varsinainen laitesuunnittelu. Suunnittelussa päädyttiin käyttämään integroitua vahvistinpiiriä työn yksinkertaistamiseksi. D-luokan vahvistinpiirinä käytettiin Texas Instrumentsin valmistamaa TPA3001D1-vahvistinpiiriä, jolle valmistaja ilmoittaa 20 W:n maksimitehon 4 Ω:n kaiuttimeen. Vahvistimen rakentamisen jälkeen valmis laite testattiin ja mitattiin laboratoriossa. Maksimitehoksi saatiin 4 Ω:n kaiuttimeen 10 W:n teho ilman säröytymistä. Hyötysuhde 10 W:n teholla oli 89 %, mutta tehoa kasvattamalla 18 W:iin päästiin jopa 98 %:n hyötysuhteeseen. Kokonaisharmoninen särö oli vaihteli 0,5−0,7 % välillä 19 kHz:n taajuuteen asti. Opinnäytetyössä tehty D-luokan vahvistin suoriutui testeistä toivotulla tavalla, joten sitä voidaan käyttää opiskelijaharjoitustöissä valmiina moduulina tai aktiivikauttimen vahvistimena kotistereoympäristössä.

In this thesis a Class D amplifier for the audio use was designed and built. The amplifier has an almost 90 % efficiency and a small size compared to the power output. In this thesis traditional amplifier types were compared to the Class D amplifier also in the light of advantages and disadvantages. As output power of the amplifier a 10−20 W power for a 4−8 Ω speaker element was pursued and the circuit board size was attempted to make compact. Only the amplifier without any device housing and power source was built. The design of the amplifier was initiated on the basis of the basic Class D theory which proceeded deeper into operation. After the theoretical study the actual design of the device could be started. At first it was intended to design a Class D amplifier from separate modules but in the end it was decided to use an integrated amplifier circuit to simplify the project. For the circuit the TPA3001D1 Class D amplifier circuit manufactured by Texas Instruments was chosen. The manufacturer announces a 20 W maximum output power to a 4 Ω speaker. The amplifier was built and the circuit board was designed according to the manufacturer’s datasheets. The ready built device was tested and measured in the laboratory. The measurements and tests showed that the result was a high performance and compact Class D amplifier. In the measurements the maximum output power was 10 W to a 4 Ω speaker without distortion. The efficiency at a 10 W power was 89 %, but by increasing the power to 18 W, even an efficiency of 98 % was reached. Total harmonic distortion varied between 0.5−0.7 % from 22 Hz to 19 kHz. The Class D amplifier made in this thesis performed well in all the tests so it can be used as a module in student training projects. It can also be used as an amplifier of an active speaker in a home stereo environment.