IR社のIRS2092を使用したデジタルアンプ基板の製作

はじめに

秋月で売っているInternational Rectifier製のIRS2092を使用したデジタルアンプ（D級アンプ）の製作を行いました。
このICは2008年3月のトラ技で付録基板付きで特集された有名なヤツです。
IRS2092自体はPWM変調とゲートドライバのみのような構成をしていて、パワー段のMOSFETを外付けで接続します。
よって、MOSFETをいろいろ変えたりして遊べそうです。ネットを見ると化け物じみた出力の製作例がたくさんありますね。
私もいつか作ってみたいと思いつつ、今さらながら中古で基板付きのトラ技をゲットしました。でも1冊だとモノラル（1Ch分）しか無いし、付録基板は紙フェノールで安っぽいし…ということで、結局基板を作ってみることにしました。

回路図

回路図はトラ技やデータシート、純正の評価基板のものを参考にさせてもらいました。
IRS2092は両電源で動作し、Vcc（-12V）はレギュレータU2（LM337）で生成して供給するようにしました。
R2、R7は使用する電源電圧によって変更が必要なので注意してください。今回は±18Vを想定しており、1.1kΩとします。手持ちの実験用電源の出力電圧の都合や、将来的に中古ノートPCのアダプタを2個使用して動かしたいな～と考えているためです。

MOSFETや出力フィルタ部品がたくさんパラで入っているように見えるのは、並列動作させるわけではなく、いろいろなパッケージのものを試したい…という気持ちから載せています。貧乏性です。
今回は秋月で売っていたハーフブリッジタイプのMOSFET：IRFI4024H-117Pを使用してみました。

部品定数の検討はいろいろややこしかったので、詳細は別ページを作って説明したいと考えております。また、実はまだちゃんと動作確認出来ていませんので参考程度に見てください。

部品リスト

品名	参照名	数量	数値・仕様	規格・フットプリント	備考	購入先(コード)
抵抗	R1, R29	2	220	1608サイズ	例:RC0603J220R、±5%、1/10W、50V	秋月電子、R-13833
抵抗	R3	1	3.3k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MF1/4CC3301F、KOA	秋月電子、R-03387
抵抗	R4	1	100	1608サイズ	例:RC0603J100R、±5%、1/10W、50V	秋月電子、R-06101
抵抗	R5, R12	2	8.2k	1608サイズ	例:RK73B1JTTD822J、±5%、1/10W、50V	共立電子、ABQ362
抵抗	R6	1	1.2k	1608サイズ	例:RC0603J1K2、±5%、1/10W、50V	秋月電子、R-06122
抵抗	R2, R7	2	1.1k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	VAA、VBB(±6V)に10mA供給できる抵抗にする。 ±35V電源時の例:MF1/4CC2701F、KOA ±24V電源時の例:MF1/4CC1501F、KOA ±18V電源時の例:MF1/4CC1101F、KOA	秋月電子、 R-03385、 R-03379、 R-03376
抵抗	R8	1	47k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MF1/4CC4702F、KOA	秋月電子、R-03497
抵抗	R9	1	220	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	Vout：5V仕様時 例：MF1/4CC2200F	秋月電子、R-03359
抵抗	R11	1	3.3k	1608サイズ	例:RC0603J3K3、±5%、1/10W、50V	秋月電子、R-14661
抵抗	R10, R13	2	10k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MF1/4CC1002F、KOA	秋月電子、R-03399
抵抗	R14	1	1.5k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MF1/4CC1501F、KOA	秋月電子、R-03379
抵抗	R15	1	220	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	Vout：5V仕様時 例：MF1/4CC2200F	秋月電子、R-03359
抵抗	R16	1	33k(データシート) →10kΩ	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	VBチャージ抵抗 例:MF1/4CC1002F、KOA	秋月電子、R-03399
抵抗	R17	1	4.7	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MFU100F4R7B（1W、1/4Wサイズ）	秋月電子、R-08803
抵抗	R18	0	open	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	オープン、Vcc供給用 電源が±15V以下の場合は 10Ωを接続し、U2は使用しない	–
抵抗	R20, R21	2	10	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	ゲート抵抗 例:MFU100F10RB（1W、1/4Wサイズ）	秋月電子、R-08805
抵抗	R19, R22	2	10	6.4mm×3.2mm (2512インチ)サイズ	ゲート抵抗(R19,20と排他) 例:RK73HW3ATTE10R0F、KOA	秋月電子、R-08698
抵抗	R23	1	1k	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MF1/4CC1001F、KOA	秋月電子、R-03375
抵抗	R24	1	1	アキシャルリード (DIN0207） 1/4Wサイズ	例:MFU100F1RB（1W、1/4Wサイズ）	秋月電子、R-08801
抵抗	R25	1	10	アキシャルリード (DIN0309) 1/2Wサイズ	例:MFU100F10RB（1W、1/4Wサイズ）	秋月電子、R-08805
抵抗	R26	1	10	6.4mm×3.2mm (2512インチ)サイズ	例:RK73HW3ATTE10R0F、KOA R25と排他	秋月電子、R-08698
抵抗	R27	1	2.2k	アキシャルリード (DIN0309） 1/2Wサイズ	例:MFU100F2K2B（1W、1/4Wサイズ）	秋月電子、R-08832
抵抗	R28	1	2.2k	6.4mm×3.2mm (2512インチ)サイズ	R27と排他
可変抵抗	RV1, RV2	2	1kΩ	Bourns_3296Wタイプ	Vout：5V仕様時、Bourns_3296W	秋月電子、P-12700
ダイオード	D1, D2, D5	3	GS1010FL	SOD-123FL	ミュート用、レギュレータの保護ダイオード	秋月電子、I-06014
ダイオード	D3, D4	2	ファストリカバリ ダイオード (推奨：MURS120)	DO-41(DO-204AL) P12.7mm	例:ERA32-02 ※推奨品が手に入らないので…	秋月電子、I-06796
コンデンサ	C2	0	10u	フィルムコンデンサ D13.0mm_W6.5mm P5~P10mm	入力カップリングコンデンサ (C3と排他、もしくはパラで10uF) 例:電解コンデンサ(廉価):UES1H100MPM	秋月電子、P-04638
コンデンサ	C3	1	10u	5750サイズ	入力カップリングコンデンサ (C2と排他、もしくはパラで10uF) 例:25MU106MD15750 　ルビコン、薄膜高分子積層	秋月電子、P-07398
コンデンサ	C1, C4, C12, C16, C19, C21	6	22u	電解コンデンサ 直径：6.3mm ピッチ2~2.5mm	例:50PK22MEFC5X11、ルビコン	秋月電子、P-03177
コンデンサ	C5, C6, C17, C18, C20	5	0.1u	1608サイズ	例:GRM188F11H104ZA01、村田	秋月電子、P-13374
コンデンサ	C8	1	0.01u	フィルムコンデンサ D9.0mm_W4.0mm P5~7.5mm	例:MEM103J101RB-5	秋月電子、P-14592
コンデンサ	C7, C9, C10	3	1000p	フィルムコンデンサ D9.0mm_W4.0mm P5～7.5mm	例:MEM102J101RB-5	秋月電子、P-14587
コンデンサ	C11	1	10u	電解コンデンサ 直径：6.3mm ピッチ2～2.5mm	例:50PK10MEFC5X11	秋月電子、P-03116
コンデンサ	C13, C31, C35	3	0.1u	フィルムコンデンサ D9.0mm_W6.4mm P5～7.5mm	例:MEM104J101RB-5	秋月電子、P-14597
コンデンサ	C15	1	0.01u	1608サイズ	例:CM105W5R103K50VAT	秋月電子、P-13399
コンデンサ	C22	1	150p	フィルムコンデンサ D7.0mm_W3.5mm P2.5～5.0mm	例:RDE5C1H151J0K1H03B 　村田(セラミック,C0G) フィルムコンデンサがあれば使いたい	秋月電子、P-08104
コンデンサ	C23	1	0.1u	フィルムコンデンサ D9.0mm_W6.4mm P5～7.5mm	V+、V-間電源デカップリング、耐圧注意 例:MEM104J101RB-5	秋月電子、P-14597
コンデンサ	C24	1	0.47u～	フィルムコンデンサ D13.0mm_W6.5mm P5～P10mm	V+、V-間電源デカップリング、耐圧注意 フィルムコンデンサがあれば使いたい 例:MEM474J101RB-5 または:125MMBA474K、ルビコンなど	秋月電子、P-14601
コンデンサ	C14, C25, C27	3	0.1u	2016サイズ	例:GRM219F11H104ZA01D 電源デカップリング用、耐圧注意	秋月電子、P-13372
コンデンサ	C26	1	0.47u	フィルムコンデンサ D13.0mm_W6.5mm P5～P10mm	出力フィルタ用 例:MEM474J101RB-5 または:125MMBA474K、ルビコンなど	秋月電子、P-14601
コンデンサ	C28	1	0.47u	3216サイズ	出力フィルタ用 (C31と排他、もしくはパラで0.47uF)
コンデンサ	C29, C30, C33, C34	4	1000u	電解コンデンサ 直径：12.5mm ピッチ3.5~5mm	例:35ZLH1000MEFC12.5X20	秋月電子、P-02722
コンデンサ	C32	1	0.1u	3216サイズ	出力フィルタ用 (C31と排他、もしくはパラで0.1uF) 例:50MU104MA13216 　ルビコン、薄膜高分子積層	秋月電子、P-07396
テストポイント	TP1-TP10	10	テストポイント	ドリル径φ1	チェック端子(黄色)	秋月電子、P-07592
D級アンプIC	U1	1	IRS2092PBF	DIP-16_W7.62mm	ステレオD級パワーアンプドライバIC	秋月電子、I-11603
三端子レギュレータ	U2	1	LM337SP	TO-220-3	負電源、Vcc供給用（-12V）	秋月電子、I-07218
フォトカプラ	U3	1	LTV-817	DIP-4_W7.62mm	CSD信号の絶縁用	秋月電子、I-11964
MOSFET	Q5	1	IRFI4024H-117P	TO-220-5	ハーフブリッジMOSFET Q1,Q2(TO-220-3) Q3,Q4(TO-252-2,DPAK+)と排他	秋月電子、I-06379
放熱シート	–	2	CW-3	TO-220用	マックエイト、サーコン	秋月電子、P-12791
プラスチックネジ	–	2	M3×12mm	3mmプラネジ +六角ナットセット		秋月電子、P-02743
ヒートシンク	HS1, HS2, HS3, HS4	2	–	–	20PB020_W20D20H25 Q1、2 or Q5と、U2に使用	秋月電子、P-05054
コネクタ	J1	1	–	2pin 5.08mmピッチ	汎用端子台	秋月電子、P-01306
コネクタ	J2, J8	2	–	ピンヘッダ 1×2pin 2.54mmピッチ	ミュート、クロック信号用 例：PH-1x40SG(40pin)を折って使用	秋月電子、C-00167

表が長大になってしまい、見難いと思うのでエクセル表でUP予定です。（準備中）
未実装の部分は取り消し線と赤色マーカーを引いてます。
※上記の部品は例であり、下記の製作例では、家に転がっていた別の部品を使用している可能性があります。

基板レイアウトと完成予想3D

基板サイズは秋月電子のユニバーサル基板Bタイプ(95mm×72mm)に合わせて設計しよう、、、としましたが、ディスクリート部品を主体にしたので意外と場所を取ってしまい、少し妥協して横を100mmに伸ばしました。ただし取り付け穴はそのままBタイプ基板に合わせてます。

届いた基板

今回もElecrowで製作してもらいました。レジスト色は黄色です。
ビアホールのレジストは抜く設定としてみました。
設定方法については、別記事でまとめました。

組み立て後の写真

基板を引いてるときは結構密に配置したつもりでしたが、作ってみると意外と余裕があり、まだまだ攻められそうですね。
胆となるインダクタをどうしよう…と悩みながら基板を発注したら、基板が届くまでの間に、トラ技の付録基板でも推奨されていたサガミエレク製のデジタルアンプ用インダクタ（7G14C-220M-R）が秋月電子で取り扱い開始されてました。

これを取り付ける想定にしていなかったので、今回はスルーホールを削って無理やり実装しました。
また、MOSFETはモールドパッケージなのでヒートシンクと絶縁されてますが、基板のビアからのショートが怖かったのでカプトンテープで保護して少し浮かせて実装しています。

-12V用のレギュレータのヒートシンクが基板からはみ出て邪魔ですね。発熱が少なければヒートシンク無しとしても良いかもしれません。

動作確認【予定】

ここまで勢いで作りましたが、実はまだ電源投入できていません…

とりあえず先ずはダミーロードを接続して、煙を出さずに動くかを確認しようと思います。