LM1875 to scalony wzmacniacz mocy audio klasy AB do sterowania głośnikiem, pracujący z zasilaniem symetrycznym lub pojedynczym. Wzmocnienie ustalają rezystory sprzężenia zwrotnego, a poprawna praca wymaga radiatora, odsprzęgania zasilania i starannie poprowadzonej masy.
Poniżej przedstawiamy jego wyprowadzenia, najważniejsze parametry i zabezpieczenia, a także przykładowe układy aplikacyjne, zastosowania oraz zamienniki.
Co to jest LM1875?
LM1875 to monolityczny, pięciowyprowadzeniowy układ scalony wzmacniacza mocy firmy Texas Instruments. Może pracować z zasilaniem symetrycznym lub pojedynczym, a wbudowane zabezpieczenia zwiększają jego odporność na przeciążenia.
Do działania wymaga niewielu elementów zewnętrznych, dlatego dobrze nadaje się do budowy wzmacniaczy audio o stosunkowo dużej mocy.
Układ wyprowadzeń LM1875
Schemat pinów układu LM1875
LM1875 ma obudowę TO-220 z pięcioma wyprowadzeniami (wg karty TI — sprawdź wydanie). Przypisanie pinów przedstawia tabela; przed montażem sprawdź orientację obudowy na rysunku w karcie katalogowej.
| Pin | Oznaczenie | Funkcja |
|---|---|---|
| 1 | +IN | Wejście nieodwracające |
| 2 | −IN | Wejście odwracające |
| 3 | −Vs | Ujemna szyna zasilania; masa zasilania przy zasilaniu pojedynczym |
| 4 | Wyjście | Sygnał wyjściowy wzmacniacza |
| 5 | +Vs | Dodatnia szyna zasilania |
Metalowa podstawka obudowy jest połączona z −Vs (wg karty TI — sprawdź wydanie). Jeśli radiator lub obudowa urządzenia mają inny potencjał, zastosuj podkładkę izolacyjną i zapewnij izolację mocowania. Bez niej montaż może zewrzeć ujemną szynę z radiatorem.
Właściwości układu LM1875
Najważniejsze parametry i właściwości układu LM1875 przedstawiono poniżej. Wartości katalogowe należy odczytywać wraz z warunkami ich podania; dokładne wartości zależą od producenta i wersji układu — sprawdź kartę katalogową.
Wg karty TI — sprawdź wydanie: zakres napięcia zasilania wynosi od 16 V do 60 V i oznacza całkowite napięcie między szynami, a nie napięcie każdej szyny względem masy. Maksymalne wejściowe napięcie niezrównoważenia to 15 mV przy ±25 V.
Układ ma zabezpieczenie termiczne oraz zabezpieczenie przeciążeniowe na wypadek zwarcia składowej stałej lub zmiennej do masy.
Jest łatwy do zastosowania na płytce drukowanej i charakteryzuje się dużą szybkością narastania sygnału.
Wg karty TI — sprawdź wydanie: współczynnik zniekształceń harmonicznych wynosi 0,015% przy obciążeniu 8 Ω, częstotliwości 1 kHz i mocy 20 W.
Wg karty TI — sprawdź wydanie: obciążalność prądowa układu wynosi 4 A. Z głośnikiem 4Ω/8Ω osiąga moc wyjściową 20 W, a maksymalnie 30 W.
Wg karty TI — sprawdź wydanie: zakres temperatury pracy wynosi od 0°C do 70°C, a dopuszczalna impedancja obciążenia mieści się w zakresie od 4 do 8 omów.
Wg karty TI — sprawdź wydanie: pasmo przenoszenia sięga 70 kHz, natomiast wzmocnienie w otwartej pętli wynosi 90 dB.
LM1875 jest dostępny w 5-pinowej obudowie TO-220 (wg karty TI — sprawdź wydanie).
Przykładowe układy aplikacyjne LM1875
Układ podstawowy
Pierwszy schemat przedstawia podstawową aplikację LM1875. Dzięki wewnętrznej kompensacji wzmacniacz zachowuje stabilność przy wzmocnieniu równym co najmniej 10 (wg karty TI — sprawdź wydanie).
Podstawowy obwód wzmacniacza IC LM1875
Układ wzmacniacza audio OCL o mocy 25 W
Drugi układ wykorzystuje zasilanie symetryczne, czyli dodatnią i ujemną szynę oraz masę. Dzięki temu sygnał wyjściowy może swobodnie zmieniać się zarówno w dodatniej, jak i ujemnej połowie przebiegu, co pozwala uzyskać czysty dźwięk.
Układ wzmacniacza audio OCL o mocy 25 W
Budowa i zasada działania
Sygnał audio podaje się przez kondensator sprzęgający, który blokuje składową stałą. Rezystor wejściowy do masy ustala impedancję wejściową, a filtr RC ogranicza zakłócenia radiowe.
Sygnał trafia następnie na pin 1, czyli wejście nieodwracające układu IC1. Po wzmocnieniu pojawia się na pinie 4 i stamtąd jest doprowadzany do głośnika.
Szeregowa gałąź rezystora i kondensatora między wyjściem a masą tworzy sieć Zobela. R5 doprowadza część sygnału z pinu 4 z powrotem do pinu 2, tworząc pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Wzmocnienie wyznaczają rezystory R5 i R4; w tym układzie wynosi ono około 15 razy.
Kondensator C2 poprawia zachowanie układu przy wysokich częstotliwościach.
Układ wzmacniacza OTL LM1875 o mocy 30 W
Trzeci układ jest przeznaczony do niewielkiego wzmacniacza o dużej mocy. Jego zaletą jest prosta konstrukcja i mała liczba elementów zewnętrznych.
W tej wersji zastosowano układ LM1875T, pierwotnie oferowany przez firmę National Semiconductor.
Wzmacniacz audio LM1875 OTL o mocy 30 W
Objaśnienie układu
Napięcie zasilania stałego między szynami może wynosić od 16 V do 60 V (wg karty TI — sprawdź wydanie). Układ obsługuje zasilanie pojedyncze i symetryczne, lecz w tym przykładzie wykorzystano zasilanie pojedyncze z dodatnią szyną i masą. Wymaga ono ustalenia punktu odniesienia sygnału na połowie napięcia zasilania.
Napięcie zasilania bezpośrednio wpływa na osiągalną moc wyjściową. Przy napięciu stałym 50 V układ może dostarczyć 25 W (wg karty TI — sprawdź wydanie).
Dla mocy wyjściowej 30 W i napięcia zasilającego 60 V impedancja obciążenia powinna wynosić 8 omów (wg karty TI — sprawdź wydanie).
Mimo wbudowanych zabezpieczeń LM1875 wymaga radiatora, który skutecznie odprowadzi wydzielane ciepło.
Rezystor R4 ustala impedancję wejściową. Wraz z kondensatorem C1 doprowadza sygnał do sekcji wzmacniacza IC1, natomiast C2 filtruje zakłócenia pojawiające się na wejściu.
Rezystory R6 i R5 tworzą sieć sprzężenia zwrotnego ustalającą wzmocnienie układu.
C5 i R7 odprowadzają do masy (GND) zakłócenia o wysokiej częstotliwości, poprawiając jakość sygnału wyjściowego. Kondensator C6 sprzęga wyjście z obciążeniem i blokuje składową stałą, dzięki czemu do głośnika trafia przede wszystkim sygnał audio.
Jak obliczyć wzmocnienie LM1875?
W konfiguracji nieodwracającej wzmocnienie napięciowe wynosi Av = 1 + Rf/Ri. Rf łączy wyjście z wejściem odwracającym, a Ri łączy to wejście z punktem odniesienia sygnału. Oznaczenia te opisują funkcje rezystorów, więc na konkretnym schemacie mogą odpowiadać innym numerom elementów.
| Wielkość | Założenie lub wynik |
|---|---|
| Rezystor Rf | 22 kΩ |
| Rezystor Ri | 1 kΩ |
| Wzmocnienie Av | 1 + 22 kΩ / 1 kΩ = 23 |
| Wzmocnienie w decybelach | 20 · log₁₀(23) = 27,2 dB |
Jest to przykład obliczeniowy, a nie wynik pomiaru ani stały parametr układu. Dotyczy zakresu częstotliwości, w którym elementy sprzęgające nie zmieniają istotnie działania sprzężenia zwrotnego. Wzmocnienie napięciowe nie określa samo w sobie dostępnej mocy wyjściowej.
Moc strat i dobór radiatora
Dla wzmacniacza klasy AB zasilanego symetrycznie ±Vs maksymalna moc strat wynosi w przybliżeniu Pd,max = 2 · Vs² / (π² · RL). Vs jest wartością napięcia jednej szyny względem masy, a RL rezystancją obciążenia. Maksimum strat występuje przy napięciu szczytowym wyjścia około 2 · Vs/π, więc dobór radiatora wyłącznie dla maksymalnej mocy oddawanej do głośnika może być niewystarczający. Kontekst działania stopnia wyjściowego opisuje artykuł o wzmacniaczu przeciwsobnym.
| Wielkość | Wartość lub obliczenie |
|---|---|
| Zasilanie i obciążenie | ±25 V; RL = 8 Ω |
| Maksymalna moc strat Pd,max | 2 · (25 V)² / (π² · 8 Ω) = 15,8 W |
| Temperatura otoczenia Ta | 40 °C — założenie |
| Temperatura złącza Tj | 125 °C — przyjęty cel z zapasem |
| Rezystancja cieplna złącze–obudowa Rθ,jc | 2 K/W — założenie do weryfikacji wg karty TI — sprawdź wydanie |
| Rezystancja cieplna obudowa–radiator Rθ,cs | 0,5 K/W — założenie dla podkładki i pasty |
| Dopuszczalna rezystancja cieplna radiator–otoczenie Rθ,sa | ≤ (125 − 40) K / 15,8 W − (2 + 0,5) K/W ≈ 2,9 K/W |
Ogólny warunek doboru to Rθ,sa ≤ (Tj − Ta)/Pd − Rθ,jc − Rθ,cs. Mniejsza rezystancja cieplna radiatora oznacza skuteczniejsze odprowadzanie ciepła. Uwzględnij temperaturę wewnątrz obudowy oraz opór cieplny izolacji metalowej podstawki; wynik jest zaokrąglonym oszacowaniem dla przyjętych warunków. Ograniczenie prądu, wyłączenie termiczne i diody ochronne na wyjściu (wg karty TI — sprawdź wydanie) nie zastępują radiatora. Niewystarczające chłodzenie może doprowadzić do wyłączenia termicznego.
Odsprzęganie, sieć Zobela i prowadzenie masy
Elementy zasilania rozmieszczaj przy układzie, aby ograniczyć długość połączeń. Długie przewody pogarszają stabilność i zwiększają brum; sama duża pojemność przy zasilaczu nie zastępuje lokalnego odsprzęgania.
| Element | Dobór i połączenie |
|---|---|
| Kondensatory ceramiczne lub foliowe | 100 nF między każdą szyną a masą, blisko pinów 3 i 5 |
| Kondensatory elektrolityczne | Rzędu kilkuset µF–kilku tysięcy µF na każdej szynie |
| Sieć Zobela | Rezystor 2,7 Ω szeregowo z kondensatorem 100 nF, od wyjścia do masy |
Sieć Zobela poprawia stabilność przy indukcyjnym obciążeniu głośnikiem. Rezystor i kondensator tworzą wspólną gałąź szeregową; sam rezystor do masy nie pełni tej samej funkcji. Więcej o lokalnym filtrowaniu opisuje poradnik dotyczący doboru kondensatora odsprzęgającego. Przy montażu elektrolitów sprawdź polaryzację kondensatorów, również na ujemnej szynie.
Masę sygnałową wejścia oraz masę mocy głośnika i kondensatorów zasilania połącz w jednym punkcie, tworząc układ gwiazdy. Prowadź wejście poza pętlami prądu głośnika. Wspólne odcinki tych dróg mogą przenosić zakłócenia do sygnału wejściowego, powodując brum i szum.
Alternatywy układu LM1875
Bezpośrednią alternatywą dla LM1875 może być układ TDA2050.
W zależności od wymaganej mocy, napięcia zasilania i obudowy można rozważyć również wzmacniacze TDA7265, TDA2005, LM386, TDA7279, TDA1554 i TDA2030.
Układ scalony wzmacniacza audio LM386
Źródło: Wikipedia
Zastosowania
Wzmacniacz audio LM1875 jest często stosowany w następujących układach:
Kaskadowe układy wzmacniające do głośników audio,
(głośniki audio)
Wzmacniacze serwomechanizmów,
Systemy instrumentów,
Wzmacniacze do gitar elektrycznych,
Wzmacnianie sygnałów dźwiękowych,
Gramofony stereofoniczne,
Wzmacniacze mostkowe,
Wzmacniacze dużej mocy oraz
Układy z zasilaniem symetrycznym lub podwójnym.
Wnioski
LM1875 jest wzmacniaczem mocy audio klasy AB przeznaczonym między innymi do konsumenckich urządzeń elektroakustycznych. Ma wewnętrzne diody zabezpieczające wyjście, a starannie zaprojektowana struktura układu pozwala uzyskać niewielkie zniekształcenia i stabilną pracę.
Jeśli potrzebujesz dodatkowych informacji o układzie LM1875 lub pomocy przy projektowaniu wzmacniacza, zapraszamy do kontaktu.
