Nota del Moderador
Éste tema deriva de éste otro : https://www.forosdeelectronica.com/posts/896637/
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Luego de una larga charla virtual con
ramiro77 acerca de la potencia real que puede mantener sobre el parlante en forma continua un chip amplificador de potencia de audio (chipamp), decidí agregar a este tema el cálculo que hice para cada amplificador de este diseño a fin de tratar de aclarar un poco el lío este.
Antes de que comiencen los comentarios (jua!) les aclaro que los cuatro disipadores necesarios los tengo desde hace un par de años, así que el cambio no se negocia, y son los
ZD-14 (Artículo 6825) de
Iternational Aluel, con una longitud de 100mm y una Resistencia térmica disipador-ambiente (Rthda) de 2ºC/W para 75mm de longitud, lo que nos dá (mas o menos) 1.4ºC/W para la longitud usada en este caso. También hay que recordar que yo tengo dos chips amplificadores montados en cada disipador.
Con esto en una mano y el datasheet del TDA7294 en la otra vamos analizar hasta donde podemos llegar con la potencia continua promedio que le vamos a sacar a cada ampli. Usando las figuras 13 y 14 de la página 7/17 del datasheet podemos ver que la
MENOR POTENCIA DISIPADA en el chip compatible con la
POTENCIA DE SALIDA máxima requerida de 50W corresponde a las tensiones de alimentación de +/-25V con carga de 4 ohms y de +/-30V con carga de 8 ohms. En el primer caso, la potencia disipada máxima (Pdiss) es de 32W, y en el segundo caso es de 24W, siendo estas las potencias que tenemos que usar para calcular los disipadores.
Acá están las figuras del datasheet:
El mismo datasheet nos dice que la Resistencia Térmica juntura-capsula (Rthjc) es de 1.5ºC/W y asumiendo una Resistencia Térmica capsula-disipador (Rthcd) de 0.35ºC/W para una hoja de mica con grasa siliconada en ambas caras podemos empezar a calcular como vamos a andar con el disipador que tenemos. Pero antes de esto hay que definir algunos parámetros adicionales, aclarando que la protección por sobre-temperatura del TDA7294 se activa a una temperatura de juntura (Tjmax) de 145ºC, así que hay que tratar por todos los medios de mantenerse por debajo de esa temperatura, y también hay que elegir una temperatura ambiente (Tamb) que sea representativa de una sala de escucha normal (donde yo vivo es “normal” que hagan 40ºC o más en verano y el aire acondicionado puede bajar – con suerte - hasta cerca de 30ºC), por ello un valor no-muy-adecuado de Tamb sería 50ºC en los alrededores de los disipadores con estos al aire libre (no metidos dentro del gabinete).
Ahora, si nos fijamos en
el tema de Cacho sobre el cálculo de disipadores, encontramos que estos se calculan así:
[LATEX]Tjmax < Pdiss \cdot (Rthjc + Rthcd + Rthda) + Tamb[/LATEX]
así que Resistencia térmica disipador ambiente necesaria para disipar esta potencia será:
[LATEX] Rthda < ((Tjmax -Tamb) / Pdiss) - Rthcd -Rthjc[/LATEX]
Veamos que sale de acá para una Pdiss dos veces mayor que la tomada del gráfico, ya que hay dos chips en el mismo disipador y el caso mas desfavorable es cuando ambos disipan la misma potencia máxima. Reemplazando los valores de arriba en las ecuaciones:
- Para 4 Ω resulta [LATEX]Rthda= - 0.36ºC/W[/LATEX]
- Para 8 Ω resulta [LATEX]Rthda= 0.13ºC/W[/LATEX]
Como verán es imposible disipar la potencia máxima requerida de 2 x 32W con una carga de 4 ohms (Rthda es negativa!!!) con
CUALQUIER DISIPADOR del planeta. Para 8 ohms, si resulta viable disipar 2 x 24W pero en un disipador gigantesco… aunque podemos usar refrigeración forzada para mejorar un poco las cosas.
Veamos entonces cuanto podemos disipar con los ZD-14 por cada pareja de TDA’s y por convección natural:
[LATEX]Pdiss = (Tjmax - Tamb) / (Rthjc + Rthcd + Rthda)[/LATEX]
y esto nos dá Pdiss = 29W (para ambos chips) o Pdiss = 14.5W por chip. Volviendo a las figuras 13 y 14 encontramos:
- Pout = 1.5W con 4 ohms
- Pout = 2.5W con 8 ohms
Sonamos... estamos fritos…
Bueno… ante las malas noticias hay que tener un poco de buena onda y pensar en lo que sucede en la realidad.
Esa potencia de salida tan bajita es función de la potencia disipada calculada de 29W y es la potencia disipada conjunta de ambos chips. Así que si solo funciona uno de ellos, voy a poder disponer de toda la potencia en parlante sobre 8 ohms con +/-30V de alimentación (es necesario disipar menos de 29W). En el caso de 4 ohms estamos muy complicados y solo podemos sacar una potencia máxima en parlante de 16W con +/-25V.
En el caso de que ambos chips estén amplificando simultáneamente, todo dependerá de cuanta potencia de salida entregue cada uno de ellos, y todo funcionará bien en la medida de que la suma de la potencia disipada por ambos no exceda la 29W que calculamos. Si usamos un par de amplis (de los del mismo disipador) para un sistema biamplificado
como este, es común que las diferencias de sensibilidades entre los mids y los tweeters sea del orden de 6dB, así que también podemos aprovechar esto, por que si al tweeter (de 4 ohms) le meto 1 watt (con lo que ese ampli disipará 11W) al otro ampli podré sacarle la potencia que resulta de disipar 29W – 11W = 18W, que en el caso de un mid de 8 ohms corresponde a mas o menos 5W… y esto puede repetirse para cualquier combinación de potencias en juego.
Bueno…podría ser peor
… pero al menos estos valores me aseguran una reproducción a volumen alto (94dB SPL/1m con una sensibilidad de 87 dB/W/m, lo que es bastante bueno para una sala de escucha normal) y aún así
admiten un rango dinámico de 10dB en potencia.
Si pusiéramos los amplis en BTL, la potencia disipada se calcula como:
[LATEX]Pdiss = 4 \cdot (Vccfull^2)/(2*PI^2*Rl)[/LATEX]
donde RL no puede ser menor de 8 ohms para +/-25V y resulta en
Pdiss=64W, pero como son dos chips los que trabajan, cada uno de ellos deberá disipar 32W…LPM! ya nos pasamos de nuevo de lo máximo que admite cada disipador usado. Pero también puedo configurar los BTL entre amplis de distintos disipadores
, con lo que ahora casi que cumplen con la capacidad de disipar los 32W, y dependiendo de la fuente de alimentación podríamos lograr poco mas de 100W sobre 8 ohms con +/-25V en forma casi permanente… claro, a costa de desaprovechar dos amplificadores
Seguro que hay un montón que se estará preguntando por que no pongo disipadores mas grandes y me dejo de tantas cuentas y tanta historia. Pues para ellos he armado
una planilla de cálculo que adjunto a este post, para que puedan evaluar hasta donde puedo llegar aumentando el tamaño del disipador (y manteniendo dos amplis por cada uno de ellos)… y les aviso que no llego muy lejos que digamos (en la planilla solo pueden modificar los valores que
NO están en negrita o en rojo, ya que los primeros son resultados calculados y los segundos son fijos por el diseño del chip).
A la larga, la solución final es usar OCHO disipadores ZD-14, uno para cada TDA7294… pero el problema que eso trae es “donde meto el cachivache pesadísimo y grandote que va surgir de esa idea??”
En resumen, cada amplificador es capaz de manejar hasta 50W de pico sin problemas, pero la potencia promedio que pueden entregar es muuuuy inferior a eso, estando siempre limitada por la capacidad de disipación de potencia y los parámetros térmicos del propio chip. Las unicas soluciones mas o menos viables son: poner un disipador grande para cada chip por separado, o bien, elegir un chipamp de mejores características térmicas, tal como alguno de la familia Overture de Texas Instruments, tipo LM3886 (buena elección la tuya Ramiro!!!).
Por ultimo, estas condiciones de operación calculadas son bastante optimistas ya que mantienen al chip al límite de la activación de la protección térmica, así que no descarten exigirle alrededor de un 20% menos de lo calculado… si es que dan algo por la vida de los TDA.
Finalmente, es posible usar refrigeración forzada para mejorar la resistencia térmica de los disipadores, pero si jugaron con la planilla, ya deben saber que no van a lograr mucho con ello... así que es bastante dudosa la utilidad de los "fan" (ventiladores) y toda la artesanía de montaje que hay que hacer.
PD: Vieron por que los trafos tienen dos tensiones de salida???
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