Klang und Kartoffelstärke

Wenn man Stärke und Wasser mischt ergibt das einen merkwürdigen Brei der recht flüssig dahin fließt aber unter Druck sehr fest wird. So etwas nennt man übrigens eine nicht-Newtonsche Flüssigkeiten. Man kann trockenen Fußes durch einen Swimmingpool voll Stärkebrei laufen wenn man kräftig genug auftritt und nicht stehen bleibt. Leider haben wir noch keinen Swimmingpool für solch ein Experiment. Deswegen muss etwas kleineres mindestens genau so cooles her: Stärkebrei auf Lautsprecher!

Aufgaben/Plan

Wir brauchen...

  • Ein Leistungsstarker Lautsprecher für tiefe Töne - also nix zu kleines
  • Einen passenden Verstärker für das Audio-Signal (10W oder mehr?)
  • Eine Audio-Quelle: MP3-Player, Synthesizer, …
  • Ein passendes Netzteil (20W oder mehr)
  • Ein Gehäuse für alles
  • Frischhaltefolie
  • Stärke
  • Wasser

Materialbeschaffung

Lautsprecher

ReicheltStückpreisMengeKommentar
VIS EX45S-825,651Visaton Elektrodynamischer Exiter, 10W 8Ohm

Endstufe 3

Es gibt diese schnellen Halbbrücken in TO200-5 Gehäuse bestehend 2 N-FETs. Daraus kann man anscheinend H-Brücken zusammensetzen. Es geht ja nur darum, die FETs als Schalter im richtigen Takt um zu schalten. Zum Beispiel IRFI4212H-117P. Die Idee ist also, 4 dieser schnellen N-Kanal MOSFETs zu nehmen und daraus eine H-Bridge zusammenzusetzen.

Mikrocontroller: braucht mindestens einen ADC Eingang und zwei PWM Ausgänge. Da die Vorlage einen ATtiny verwendet hat, dürfte jeder ATmega gehen. ATmega ist hier interessanter, weil die einen Hardware-Multiplizierer haben, was unserem Synthesizer gefallen wird. Bei Reichelt gibt es auch den AT 90PWM3B SOIC. Das ist ein krasser Chip, weil er einen dual PWM Ausgang hat, der auch Totzeiten produzieren kann so wie sie für den korrekten Betrieb von H-Brücken notwendig sind.

Um die Leistungs-MOSFETs um zu schalten ist eine Treiberstufe vor ihnen notwendig. Das Problem ist, die Gate-Source Spannung definiert auf und auch wieder abzubauen und das auch noch schnell. Das MOSFET Gate ist eine Art Kondensator Richtung Source und Drain. Dieser Kondensator muss schnell umgeladen werden. Die schnellsten Treiber benutzen 3 Bipolar-Transistoren plus Widerstände etc. Wir haben bei Reichelt den MCP 14E8-E/P :: 2.0A Dual HSP MOSFET Treiber PDIP-8 gefunden. Dieser kommt mit relativ wenig externen Bauteilen aus und schafft immerhin 45ns Umschaltverzögerung und 12/15ns Steig-/Fallzeit bei 1000pF Gate-Kapazität.

Die Umschaltverzögerung bestimmt wahrscheinlich, wie lang der kürzeste Impuls sein darf. Bei n Bit Auflösung kann das mit 2^n Abstufungen multipliziert werden. Bei symmetrischem PWM Generator halbiert sich die länge des kürzesten Impulses. Dies Ergibt zum Beispiel eine PWM-Frequenz von 1/(45ns*2^8/2)=170kHz. Vermutlich muss man das aber nicht so genau nehmen. Es kann auch sein, dass deutlich kürzere Impulse trotzdem noch durchgehen, weil die Umschaltverzögerung durch mehrere interne Treiberstufen entstehen. „Zur Abschätzung kann man sich merken: Wenn man das Gate eines MOSFETs mit einer Eingangskapazität von 1nF (~10nC) in 100ns auf 10V aufladen will, braucht man dazu 100mA.“

Nächstes Problem: ein MOSFET Treiber allein tut es wahrscheinlich nicht, denn die Stromwege sind andere bei Highside (Last zwischen Vdd und Transistor) als bei Lowside (Last zwischen Gate und Masse). Eine Halbbrücke ist eine Kombination aus beiden. Die Halbbrückentreiber haben daher 4 statt nur zwei Ausgänge. Zwei davon gehen wie gehabt an die beiden Gates und die anderen beiden sind die Masse-Verbindung an den Source Pin.

Weitere Suche hat ergeben, dass es von IR natürlich auch passende Audio-Fähige Treiberstufen gibt. Das coolste ist IRS2011 die bis 1MHz PWM-Frequenz gehen soll und unsere Leistungswünsche schon mit einer Halbbrücke erreicht. Das Bauteil gibt es in PDIP Gehäuse bei HBE für 2,95€. Dazu passend sollten wir auch lieber den IRFI4024H-117P als dual n-kanal MOSFET nehmen, denn der wird von IR für unseren Winzig-Leistungsbereich empfohlen: http://www.irf.com/product-info/audio/audiofets.html Unschön sind dass der ca. 8ns Totzeit zu wenig hat. Dafür schaltet der IRS2011 aber schneller aus als ein, was dies gut genug kompensieren sollte. Beispiel Schaltplan an einem ähnlichen Treiber

ReicheltStückpreisMengeKommentar
TS 7805 CZ0,291U-Reg +5V 1A TO220, sollten wir auf Lager haben
IRFI 4212H-1171,102Leist.-MOSFET 2xN-Ch TO-220-5-FU 100V 11A, als je eine Half-Bridge
ATMEGA 168-20DIP3,051ATMega AVR-RISC-Controller, DIL-28
1N 41480,023 :: Planar Epitaxial Schaltdiode, DO35, 100V, 0,15A

Endstufe 2

Endstufe

Das hier ist alles noch sehr fragwürdig. Wir müssen erst noch die Grundlagenliteratur genauer lesen (siehe Aufgaben oben).

ReicheltStückpreisMengeKommentar
TS 7805 CZ0,291U-Reg +5V 1A TO220, sollten wir auf Lager haben
SLK 3MM GN0,086grüne LED 3mm, je zwei davon werden als ~5V Zenerdiode eingesetzt
BS 1700,112Transistor N-FET TO-92 60V 0,5A 0,35W, Treiber für die H-Bridge

Die Digital-Audio MOSFETs aus dem Beispielbauplan gibt es bei Reichelt nicht. Bei Conrad gibt es solche. Oder wir nehmen einfach andere? Bei Reichelt gibt es sogar eine Kategorie „Digital - Audio MOSFET“. Da wir unser PWM Rechtecksignal dort drauf jagen dürften sehr schnelle Umschaltzeiten das wichtigste sein. Das was man dort findet sind häufig Halbbrücken, also eine halbe H-Bridge in einen Chip. Zum Beispiel interessant: Application Notes for Class D Amplifiers

ConradStückpreisMengeKommentar
162737 - 621,222N-Channel Power MOSFET
162549 - 621,232P-Channel Power MOSFET

Literatur