Vahvistin kotikaiuttimelle

Abstract

Tässä opinnäytetyössä suunniteltiin ja rakennettiin D-luokan audiovahvistin, joka asennettiin erään subwoofer-kaiuttimen kotelon sisään kotikäyttöä varten.

D-luokan vahvistimen etuina AB-luokan vahvistimeen nähden on korkea hyötysuhde erilaisen toimintaperiaatteen ansiosta. Vahvistin ei tarvitse suuria jäähdytyselementtejä, joten laite mahtuu pienempään tilaan.

Ensimmäiseksi opinnäytetyössä perehdyttiin perinteisten vahvistintyyppien ja D-luokan vahvistimen toimintaperiaatteisiin ja verrattiin D-luokan vahvistimen vahvuuksia ja heikkouksia AB-luokan vahvistimeen.

Vahvistin mitoitettiin 6 Ω:n kaiutinelementille, jolle ilmoitettiin 30 W:n tehonkesto. Vahvistimesta haluttiin mahdollisimman laadukas, joten kytkentä suunniteltiin ja rakennettiin käyttämään Texas Instrumentsin TPA3118D2-vahvistinpiiriä. Ennen piirilevyn laatimista vahvistinpiirin toimintaa tutkittiin valmistajan tarjoamalla simulaatio-ohjelmalla. Valmistaja lupaa piirille 2 × 30 W:n tehon 8 Ω:iin eli 60 W 4 Ω:iin yhdelle kanavalle. Vahvistimeen ei rakennettu jakosuodinta, joten kytkentää voisi käyttää muidenkin kuin bassotaajuuksien vahvistamiseen. Teholähteenä käytettiin valmista, kaupallista 24 V:n hakkuriteholähdettä.

Valmista vahvistinta mitattiin laboratoriossa sekä yksinään että subwooferiin liitettynä. D-luokan vahvistin suoriutui mittauksista ja äänenlaatu oli hyvä, ja tavoitteeseen päästiin eli saatiin rakennettua toimiva vahvistin.

In this thesis a class D audio amplifier was designed and built. The amplifier circuit board was then installed inside the enclosure of a subwoofer for use at home. The principal advantage of a class D amplifier compared to a classic class AB amplifier is the higher efficiency of the amplifier due to a different operating principle. A class D amp needs no large heat sinks, which results in a smaller physical size of the device.

Initially, the ideas behind the operation of both class AB and D amplifiers were examined. The advantages and disadvantages of the class D amp were then compared to the more traditional class AB.

The amplifier was designed to be used with a 6 Ω woofer that had a 30 W power rating. The goal was to design and build a quality amplifier, so the circuit board was designed and built to use the Texas Instruments audio amplifier IC TPA3118D2. Before the circuit board was designed, the operation of the IC in question was simulated with a SPICE program and model provided by the manufacturer. Texas Instruments advertises 2 × 30 W of power for the amplifier into 8 Ω, which means 60 W of power into a speaker of 4 Ω in a single channel. A crossover filter was not built for the amp. Therefore the device could be used to amplify audio not just in the lower frequencies, but also for the whole audible spectrum. The power supply used was a commercially available 24 V switching power supply.

Upon completion, the amplifier was measured in the lab, both by itself and attached to the subwoofer. The amplifier performed well in the measurements, and the sound quality was good. The thesis achieved its goal, that is, to design and build a working amplifier to be installed into the speaker enclosure.