超・お手軽
system72 シリーズ
LM1875/675 Power AMP
|
TV/RegzaのDLNA経由で、ＰＣに保存した音楽を聞いているのですが TVの内蔵スピーカ＆アンプの質は劣悪なので、もう少し ましな音が出るよう
外付けアンプ と スピーカを使用していますが、TV周りに普通サイズのオーディオアンプは不似合いです。 (DLNAの話はこちら）
今回は、PCM1796/DACに組み合わせて小型ケースに入れて使う、お手軽パワーアンプを設計します。 パワーアンプは、自作派のオーディオ界では
メインストリームですから いろんな 出力デバイスや 回路方式があります。 並み居る候補から 最もシンプル・お手軽と思われる、LM1875を使用することにしました。 （個人的にD級よりB級が好み）
LM1875は、電源を±30V確保した場合、30W/8Ω 得られますで 当初の目的・目標からいうと オーバースペック過ぎるのですが、DAC用の電源と共通で使える耐圧±25V以上という縛りから候補として上がってきました。 また
シンプルな外付け回路という点もぴったりです。
さらに LM1875には回路がほぼ同等な LM675 という パワーオペアンプも存在します。 こちらはアイドリング電流が、Typ.で 18mA（1875は70mA)
と小さいので小型ヒートシンクでも良さそう ・ ・ ・ 。
◆電源電圧を±20Vとしたときの、アイドリング時消費電力は
LM1875 ： 65mA x 40V = 2.6W
LM675 ： 18mA x 40V = 0.72W
つまり、LM1875では、出力無しでもステレオ/2chで5.2W消費しますから、小型の電源トランスや小型のヒートシンクでは無理がありそうですが、LM675なら1.44W程度ですから DAC用に使っている
15VA 程度の容量のトランスでも 「使用可能範囲にありそうだ」 ということが 想像できます。
基板サイズを [72x47] サイズに限定しましたので、ヒートシンクサイズも極端にケチったサイズで使用します。 LM1875/675は 熱保護回路が内蔵されてますので
それが働かない範囲で 「無理やり使おう」 「外れたら内蔵保護回路で保護してね」 という 掟破りのアンプです。
はめを外して 大いに遊んでみましょう ～ ！！
ということですので、まともなアンプをご希望の方には全く不向きです。 ご注意ください。
＜小型放熱器の例＞
秋月扱いの小型放熱器の例です。
左から 46ｘ25ｘ17 （11.9℃/W）、 15x25x11 (37.9℃/W)、
24x17x25 (20.3℃/W)、 20x25x20 (15.8℃/W)、 端面が切りっぱなし・・・。
右端が電源基板type-STDで使ってる、水谷電機の PUH16-25 （22.2℃/W) です。
水谷製は、ヒートシンクの端面にもアルマイト処理がなされてる、ちょっとだけ高級品。
パワーアンプや電源等、熱設計を行う所で使う放熱器は、熱抵抗が明確なものを使います。
今回のLM1785/675パワーアンプ基板では、system72サイズの基板でギリギリ使える 左から 4番目の、20ｘ25ｘ20(15.8℃/W)
の 放熱器を使う前提で基板設計します。
|
| パワーアンプ回路選定のおさらい |
| 1 |
基板サイズはsystem72準拠 |
47 ｘ 72 で基板化可能であること |
| 2 |
DAC電源と共用できること |
耐圧±25V以上、アイドリング25mA/ch以下 |
| 3 |
小型ヒートシンクで実用になること |
無信号時消費電力 ヒートシンク熱抵抗以下 |
| 4 |
平均出力電力 |
100mW/ 8Ω以上 |
| 結論： LM1875 または LM675 |
LM1875 リードフォーミング形状
使いにくそうな足ですが TO220で5本足ですから やむを得ず。
放熱タブは、Vee(3pin)と同電位。 ヒートシンクもVeeになるので
要注意！！です。 （絶縁しません～）
|
【出力電力の確認】
パワーICが決まりましたので、小型ヒートシンク(15.8℃/W)で どの程度の出力が
得られるか概算ですが計算してみます。
LM1875の熱関連スペックは
・Tj_max = 150℃
・θjc = 3℃/W
・Tja = 73℃/W (単品時)
動作条件を
・電源電圧 DC20V（±20V)
・周囲温度Ta = 50℃
・接触部熱抵抗 = 1℃/W (グリス塗布/マイカ無し） ←Veeが放熱器に出ます！
とすると、今回のヒートシンク付き LM1875/675 の許容損失 Pdは
・Pd = （150℃-50℃) / (15.8+3+1) = 5.05W となります。
B級PPでの理論効率(π/4)から一般式として次式が得られます。
・ ((W x R)^0.5 x 1.41 / V) x (π / 4)
V=±20V、 R=8Ω を式に代入し、アイドリング時の消費電力を加えて計算します。
この結果を、グラフを書いてみたのが下図(右）です。 LM1875のデータシートのデータ(左）と比べると、結構近い線で計算出来てます。
許容損失 5.05Wの時の それぞれの 出力は、
・LM1875 で 170mW/8Ω /片ｃｈ
・LM675 で 600mW/8Ω /片ch
が、連続して得られる出力（平均出力）という計算になります。
【音圧レベルは確保できるか】
一般的なシーンでの音の大きさ・音圧レベルですが
・普通の会話 50～60ｄB
・TV 60dB
・ステレオ 70ｄB
程度とされてますので、試聴位置で 60ｄB～70ｄB 得られれば OKといえそうです。
試聴位置が、スピーカから 3ｍ、使用するスピーカを FOSTEX/FE103クラスとしたとき、能率は 89dB/Wですから ３ｍの位置で得られる音圧レベルは、それぞれ
・LM1875 で 170mW/8Ω => 71.8ｄＢ /片ｃｈ
・LM675 で 600mW/8Ω => 77.2ｄB /片ｃｈ
とりあえずの必要な音圧を得るためのパワーは 「確保出来ている」 という結論になりました。 瞬間的なパワーは、発熱的に問題無いと考えれば、電源電圧20V（±20V)で、瞬間的に 17W相当の出力が得られるはずですので、クリッピング感の無い
広い Dレンジの音が期待できる ・ ・ ・ ・ ・ と 「狸の皮算用」 です。
|
さて、 .
電源電圧を少し下げると 連続的に出せる出力が増します。
今回の放熱器での 電源電圧の最適値を計算して見ました。
アイドリング時の消費電力も含めて損失が5.05W以下で得られる
8Ω負荷時の最大出力をグラフ化したものが下図です。
・LM1875の場合、±9.8Vの時 2.4W
・LM675の場合、 ±13Vの時、4.3W
の出力が得られる電源電圧値となります。
新たに電源トランスを選択して電源を作る場合
±10V ～ ±12V 程度で作ると良さそうです。
・
・
・
くどくどと 熱設計に関する ウンチクを述べましたが
最終手段として 強制空冷 があります。
写真のような 【 可愛い 】 ファンも ありますので
これを 使うのも 手ですが、どの程度の効果が
得られるかは、試してみての お楽しみ ・ ・ ・ ・ ・
【参考回路図】
回路はものすごくシンプルなので、NSの 「模範回路から外れようが無い」 と思います。
基板のレイアウトです
35V2200 または 25V3300 の電解コンデンサが
積める スペースを 確保しています。
【半田面側】
アナログ回路は、アースパターンが命ですから、ブロック毎に分離されてます。
出力コネクタ部へは、リード線で直接配線可能なように半田ジャンパで
分離できるよう 配慮もしています。
【部品面側】
ヒートシンクは絶縁しませんので下側にパターンが来ないよう配慮してます。
基板のAssy例
47x72 基板に Lch/Rch 載ってます。
瞬間的には、30W x 2 出力も可能なICを
積んでますが 可愛い手のひらサイズです。
基板は system72準拠 です。 system72とは
ヒートシンク と 電解の高さは 25㎜ に収まっています。
温度試験の風景
（以下の測定は、LM675版です）
温度センサはヒートシンク上部にビス止め。
30㎜角ファンで空冷してます。
温度上昇試験の実測データ
今回のヒートシンクでは、0.5W出力時に約50degの温度上昇があります。
どうやら自然冷却の場合、このあたりが限界のようです。
一方、30㎜角のファンをヒートシンクから約4㎝離した位置で
廻した（送風）ところ、約30℃の温度低下がありました。
すごい効果です。 強制空冷は伊達じゃない。
Vs=±15.9V
ファンが回っていれば、10W/8Ω出力もクリアします。
12W出力では損失が減るので温度が下がります。
（温度保護回路が働かない、温度上昇50deg以下が目標）
12W時にファンを止めると、86℃ぐらいまで上昇します。
Vs=±15.9V
強制空冷なら、30㎜角のファンでフルパワー 行けそう です。
ファンが小さいので12Vでも、それほ どうるさくはないのですが、
音響機器としては、騒音対策として電圧を少し落とし (10V位？）
回転数を下げたうえで、2～3個並べて 廻すのが良さそうです。
一般的な使用条件での温度上昇確認
普通に音楽を聴く音量での出力です。
Anett Lousan [電話交換の女]
実効値 137mV/8Ω ですから 150mW 位出しているようです。
この使用状態時のヒートシンク温度です。 ファン無し
バックグランドで音楽を流す時のレベルに音量を絞りました。
まだ少し高めですが、目安。
Keeth Jarrett [The Keln Concert] イントロ部
実効値 22mV/8Ω ですから 3.9mW 位しか出してないようです。
実際には、本を読む場合のバックグランドミュージックとしては
もっと音量を絞りますから、かなり小さい出力で間に合って
しまうようです。
どうやら普段使いの音量は 強制空冷無しで カバー出来る
出力（音量）で 十分 間に合うようです。
ファンで強制冷却すれば、10Wｘ2 も可能な つぶしの効く
小型アンプ基板を お探しの方は、是非 ご検討を
近日、発売 ！！ 発売中！
|
◆ なんちゃって ケース
・ 155 x117 x 38 のプラスチックケースに 電源基板（ｔｉｎｙ） と 電源トランス 一緒に収納も。
キットは そんな ぴったりサイズの ケースに収納して 発送予定です。
・電源基板 と 電源トランスは 付属しません
|
補 足
熱設計上は小型ヒートシンクを使う関係で LM675 の方が有利ですが、実は
・LM1875 はオーディオ・パワーアンプ用 (音を気にしている ・ ・ ・
・LM675 はサーボ・アンプ等 制御用 (音を気にしていない・ ・ ・
と用途が 異なる設計となっています。
Datasheetに載っているデータを見る限りでは あまり差異が無く どちらでも良さそうに思えます。
（ ICの内部設計が異なっています。 詳細は datasheetの等価回路参照下さい。 書き方の違いで 一見かなり違うようにも見えますが バイアス関係のみの違いのようです ）
そこで、色々測定してみたところ、 ＩＣ の性能 ・ 性格 の違いが 顕著に表れるのは 「周波数ｖｓ歪み特性」 のようです。 分かってしまうとあたりまえの事のようにも思えるのですが、それは結果論。
この特性 (下図) を見ると、
出来たら LM1875 を使いたいな ～
・
・
・
やっぱり LM1875 を使うしかないかな ～
というのが 率直な 感想でしょうか。
|
|