Kühlkörper berechnen

Die Rechnungen eins und drei zeigen aus meiner Sicht recht deutlich, dass es nicht möglich ist, durch Parallelbetrieb mehrerer TDAs mehr Leistung auf den selben Lautsprecher zu geben. Das Maß der Spannungsverstärkung (in dB) bleibt bei Parallelbetrieb offenbar unverändert, so dass das selbe Eingangssignal die selbe Ausgansspannung am selben Lautsprecher hervorruft und somit die Leistung annähernd gleich bleibt (siehe oben).

Warum der Brückenbetrieb die Spannung am Lautsprecher verdoppelt, kann ich mir nur so erklären, dass bei symmetrischer Spannungsversorgung der Null-Volt-Punkt sich in der "elektrischen Mitte" des Lautsprecher-Widerstandes befindet. Die Ausgangsspannung des einen TDA (gegen Null Volt) wirkt also jeweils auf die eine Hälfte des Chassis-Widerstandes und die Ausgangsspannung des anderen TDAs auf die andere Hälfte des Chassis-Widerstandes. Über dem gesamten Lautsprecher müsste deshalb die Summe beider Ausgangsspannungen herrschen, sprich:

ULautspr = Ue * 10^(30dB/20dB) + Ue * 10^(30dB/20dB)
ULautspr = 2 * Ue * 10^1,5

Beim rechnerischen Vergleich der Verlustleistung (Pv) eines TDA im Einzel- und im Brückenbetrieb an 8 Ohm ist Folgendes herausgekommen:

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Us = +/-40 V Versorgungsspannung
Ue = 0,7 V Eingansspannung (Volllast)
aU = 30 dB Spannungsverstärkungsmaß
R = 8 Ohm Lautsprecher-Impedanz
Pv = Verlustleistung eines TDA
Pn = Nutzleistung am Lautsprecher
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Einzelbetrieb:
Pv = Ue * (Us * 10^1,5 – Ue * 10^3) / R
Pv = 0,7V * (40V * 10^1,5 – 0,7V * 10^3) / 8 Ohm
Pv = 49,4 W

Brückenbetrieb:
Pv = 2 * Ue * (Us * 10^1,5 – Ue * 10^3) / R
Pv = 2 * 0,7V * (40V * 10^1,5 – 0,7V * 10^3) / 8 Ohm
Pv = 98,8 W

Der Brückenbetrieb vervierfacht also theoretisch nicht nur die Leistung am Chassis (wie Frank oben vorgerechnet hat), die Brücke verdoppelt obendrein die Verlustleistung pro TDA. Die Versorgungsspannung Us müsste also tatsächlich reduziert werden, um einen sicheren Brückenbetrieb zu ermöglichen:

Us-max = (PV * R / 2 + Ue^2 * 10^3) / (Ue * 10^1,5)
Us-max = (50W * 8 Ohm / 2 + 0,7V^2 * 10^3) / (0,7V * 10^1,5)
Us-max = 31,2 V

Bei einer Versorgungsspannung von +/-31 Volt dürfte keiner der TDAs in Brücke mehr überlastet werden. Die Probe:

Pv = 2 * Ue * (Us * 10^1,5 – Ue * 10^3) / R
Pv = 2 * 0,7V * (31V * 10^1,5 – 0,7V * 10^3) / 8 Ohm
Pv = 49,1 W

Rein vom Wert der Verlustleistung eines TDAs dürfte es bei +/-31 V kein Überhitzungsproblem mehr geben. Es stellt sich aber noch die Frage nach dem maximal zulässigen Strom, der dauerhaft durch ein TDA fließen darf:

Angabe laut Datenblatt:
„Current Limiter Thresthold: 6,5 A“
„Output Peak Current: 10 A“

Theoretischer Laststrom (I) bei Volllast an +/- 31 V und 8 Ohm:

I = 2 * Ue * 10^1,5 / R
I = 2 * 0,7V * 10^1,5 / 8 Ohm
I = 5,53 A

Laut Datenblatt also im grünen Bereich. Daraus folgt aber eine Überraschung: die theoretisch mögliche Nutzleistung an einem 8 Ohm Chassis beträgt demnach:

Pn = I^2 * R
Pn = 5,53^2 * 8 Ohm
Pn = 245 W

Das entspricht einer maximalen Leistung von 125 W an der „virtuellen“ Hälfte des Chassiswiderstandes von 4 Ohm.

Nach dieser Rechnung vermute ich, dass die deutlich geringeren Datenblatt-Angaben zur maximal möglichen Ausgangsleistung eines TDAs in Brückenschaltung weniger etwas mit der Verlustleistung zu tun haben (die Verlustleistung kann durch Absenken der Betriebsspannung auf das selbe zulässige Maß reduziert werden wie im Einzelbetrieb), sondern eher etwas mit Verzerrungen oder Klirr. Denn laut Klirrdiagramm im Hersteller-Datenblatt schnellt das Klirren oberhalb etwa 70 Watt Ausgangsleistung an 4 Ohm extrem stark an.

Daraus folgt:

245 Watt in Brücke sind Wärmetechnisch theoretisch zwar kein größeres Problem als 80 Watt im Einzelbetrieb, aber mehr als 140 Watt in Brücke an 8 Ohm sind wohl klanglich nicht mehr zu empfehlen. Dadrüber klirrt es dann gewaltig.

[harry_m]

Hey, Salwadi

ich glaube, du hast die Codepage in Deinem Browser verstellt.

Geht´s nu wieder?

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Irgendwas ist faul. Das stellt sich plötzlich von selbst um...

[Maddin]

@Frank S
Vielen Dank für das PDF!
Hast Du die Endstufe schon mal aufgebaut?

Gruß,
Maddin

[Frank S]

Nein!

Danke für die Datei, Frank.

Habe noch mal über die Leistungsangabe für das newtronics-Parallelmodul nachgedacht. Die 100W an 8 Ohm können aus meiner Sicht nur erreicht werden, wenn newtronics ein höheres Spannungsverstärkungsmaß (vU) aus dem TDA herausgekitzelt hat als die 30dB Herstellervorgabe:

vU = 20 * lg [(P * R)^0,5 / Ue)]
vU = 20 *lg [(100W * 8Ohm)^0,5 / 0,7V)]
vU = 32,1 dB

Locker 2 dB mehr. Diese Schlitzohren!

[harry_m]

Oder sie gehen davon aus, dass der Vorverstärker 2dB mehr Signal liefern kann. Abgesehen davon: die 2dB würde der TDA auch noch herbringen können.

Ja, das ginge dann auch.

Wie hoch darf die Eingangsspannung beim TDA eigentlich sein? Darüber habe ich keine Angaben im Datenblatt gefunden.

[harry_m]

Das lässt sich normalerweise aus dem Datenblatt entnehmen. Und da schaue ich mal herein.

So, und jetzt haben wir es:
Eingangspannung bezogen auf die -Vs (Munusspannung):
90V. Maximale Differenz an den Eingängen +/-30V

Übrigens, wenn Du Dich damit beschäftigst: hole Dir doch das Datenblatt. (Mit dem Google habe ich es innerhalb von wenigen Minuten mal gefunden. Frage nicht wo, wess ich nicht). Aber Schuro musste es auch haben.

Danach klärt sich so einiges auf, und die Skepsis, die den IC-Verstärkern gegenüber immer wieder entgegengebracht wird, wird sich auch relativieren.

Und nochmals zum Thema "Kühlkörper". Diesen zur Seitenwand des Verstärkers zu machen ist die einzig sinnvolle Methode, wenn es um Leistungen über Hundert Watt geht. Denn im Gehäuse versteckt verliert er nochmals an Wirkung. Soll doch jemand mal versuchen einen 100W Lötkolben in ein typisches Verstärker Gehäuse zu stecken: was glaubst Du, wie lang es dauern wird, bis es zu qualmen beginnt?

[broesel]

http://eu.st.com

Danke broesel.

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Ich erinnere mich dunkel, dass bei Gegenkopplung eines Operationsverstärkers die Spannungsdiffernz zwischen den beiden Eingängen nahe Null liegt, solange der OP nicht übersteuert wird, also der Ausgang nicht mehr hergeben kann, weil die Grenze zur Versorgungsspannung erreicht ist.

Eine Frage dazu:

Wie hoch ist die Spannungsdifferenz, die der Ausgang des TDA zur Versorgungsspannung noch aufweist, wenn der TDA voll ausgesteuert hat? Beim MOSFET weiß ich nicht, wie hoch die Sättigungsspannung zwischen Drain und Source noch ist, wenn der FET voll durchsteuert. Womöglich braucht der TDA über diese DS-Sättigungsspannung hinaus noch ein zusätzliche Regeldifferenz?

Mit dieser Information ließe sich die maximale Eingansspannung über das Maß der Verstärkung berechnen. Meine MOSFET-Kenntnisse höhren beim Schaltzeichen leider auf.

[Frank S]

Ud ist nicht ganz 0, sondern bleibt auf dem Wert Ausgangsspannung / open loop Verstärkung. Letztere ist Frequenz und Stromabhängig. Da sie mit steigender Frequenz sinkt, steigt Ud dann doch meßbar an. Als Folge steigt auch die Ausgangsimpedanz des Verstärkers - der Dämpfungsfaktor sinkt.

Für die Berechnung der max Eingansspannung ist es egal, ob man nun auf 2V oder auf 4V an die Betriebsspannung kommt (auch wieder abhängig vom Strom). Der Fehler ist kleiner 10%. Pi mal Daumen abschätzen, berechnen und in der Praxis überprüfen.

4 Volt also.

Das ist doch ein greifbarer Anhaltspunkt für die Berechnung der maximalen Eingangsspannung bei 30dB Spannungsverstärkung:

...bei +/-40V Versorgungsspannung:
Ue_max = (Us - 4V) / 10^1,5
Ue_max = (40V - 4V) / 10^1,5
Ue_max = 1,14 V

...oder bei +/-31V Versorgungsspannung:
Ue_max = (Us - 4V) / 10^1,5
Ue_max = (31V - 4V) / 10^1,5
Ue_max = 0,85 V

Wie stabil ist eigentlich die Versorgungsspannung +/-Us? Die Schwankungen der Versorgungsspannung müssten doch als zusätzlicher Spannungspuffer über der DS-Strecke des MOSFET berücksichtigt werden; sonst übersteuern die TDAs aufgrund einbrechender Versorgungsspannung.

Gibt es für Ringkerntrafos einen prozentualen Wert, um den die Trafospannung bei Vollast gegenüber der bei Leerlauf absinkt?

[Frank S]

Innenwiderstand Ringkern kann gemessen werden. Man transformiert den mit dem ohmmeter gemessenen, Rpri mit Ü^2 auf die Sekundärseite und addiert ihn zum ebenfalls gemessenen Rsek. Der sekundäre Trafostrom (ist nicht sinusförmig, nur mit einer Differentialgleichung berechenbar und wird hauptsächglich durch den Widerstand des Trafos und die Größe der Elkos begrenzt) ergibt dann den Spannungsabfall. Zusätzlich ist der gerade vom TDA aufgenommen Strom zu berückstichtigen... Dieser hängt ab, von dem Verlauf des Musiksignales, der komplexen Impedanz des Lautsprechers...

Kannst hier 5 Stunden rechnen und das ergebnis bring trotzdem keinen weiter.

Besser:

1.)Nimm einen geschätzten Maximalwert des gesamten Endstufenstromes an, z.B. 7.5A pro TDA (Maxiumalwert des Ausgangsstromes)

2.)Rechne die zum Erreichen der vollen Ausgangsleistung nötige Betriebsspannung des TDAs aus. Scheitelwert der Ausgangsspannung plus etwa 3-4V.

3.)Nimm die wurzel(2)-fache Trafospannung, ziehe die 2V für den Gleichrichter ab. Bei großer Trafoauslegung (Ringkerntrafo min. doppelte Ausgangsleistung) zieht man 10% der Spannung ab, bei kleinen Trafos gut 25%. Hierbei ist der Innenwiderstand des Trafos berücksichtigt.

4.)Berechne das Delta U am Elko aus der Spannung vom Punkt 3 minus der Spannung aus Punkt 2. Wenn Wert nicht innerhalb von etwa 7.5-10V liegt, Trafo mit anderer Spannung wählen. Sonst werden die Elkos zu groß oder die Endstufe unnötig heiß.

5.)Die dem Elko entnommene Ladung ist die halbe Periodendauer der Netzspannung mal die 7.5A pro TDA.

6.)Nach C=Q/U kann man mit der Ladug aus Punkt 5 und der Spannung aus Punkt 4 die Kapazität der Elkos pro Zweig berechnen.

7.)Falls das Netzteil für Danone und Co. entwickelt wird, Elkos und Trafo entsprechend kleiner Dimensionieren (etwa Faktor 3), außerdem billigen EI-Trafo statt Ringkern verwenden. Um die Nennleistung dennoch kurzzeitig zu erhalten, Trafospannung hinreichend erhöhen (so daß Delta U im Punkt 4 etwa 3-mal so hoch wird wie normal). Die dadurch gestiegene Verlustleistung in der Endstufe keinesfalls durch größeres Kühlblech ausgleichen (unbezahlbar, die 5 Min Meßdauer der meisten Tester übersteht er auch so ).

P = 100W
R = 8 Ohm

U_TDA_min = (P * R)^0,5 + 4V
U_TDA_min = 32,3V

Ueff_Trafo = (U_TDA / 0,9 + 2V) / (2)^0,5
Ueff_Trafo = 26,8 V

Delta_U = 5,5 V

C = 0,01s * (100W / 8 Ohm)^0,5 / 5,5V
C = 6422 µF

???

Offen gestanden kann ich die 10...25% Spannungsabzug aus Punkt 3 nicht recht dem Trafo zuordnen, sondern eher der Brummspannung über dem Elko. Die Effektivwert-Angabe auf dem Leistungsschild eines Trafos ist doch die Effektivspannung unter Nennlast. Welche Spannungs-Schwankung am Trafo soll das sein, wenn es nicht die Brummspannung über dem Elko ist?