IR社のIRS2092を使用したデジタルアンプ基板の製作

IRS2092自作基板
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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

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, R2922201608サイズ例:RC0603J220R、±5%、1/10W、50V秋月電子、R-13833
抵抗R313.3k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R411001608サイズ例:RC0603J100R、±5%、1/10W、50V秋月電子、R-06101
抵抗R5, R1228.2k1608サイズ例:RK73B1JTTD822J、±5%、1/10W、50V共立電子、ABQ362
抵抗R611.2k1608サイズ例:RC0603J1K2、±5%、1/10W、50V秋月電子、R-06122
抵抗R2, R721.1k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R8147k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R91220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R1113.3k1608サイズ例:RC0603J3K3、±5%、1/10W、50V秋月電子、R-14661
抵抗R10, R13210k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R1411.5k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R151220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R16133k(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R1714.7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R180open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, R21210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, R222106.4mm×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R2311k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R2411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R25110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R261106.4mm×3.2mm
(2512インチ)サイズ
例:RK73HW3ATTE10R0F、KOA
R25と排他
秋月電子、R-08698
抵抗R2712.2k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R2812.2k6.4mm×3.2mm
(2512インチ)サイズ
R27と排他
可変抵抗RV1, RV221kΩBourns_3296WタイプVout:5V仕様時、Bourns_3296W秋月電子、P-12700
ダイオードD1, D2, D53GS1010FLSOD-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, D42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C2010u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C3110u5750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
622u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
50.1u1608サイズ例:GRM188F11H104ZA01、村田秋月電子、P-13374
コンデンサC810.01u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, C1031000p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C11110u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
30.1u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C1510.01u1608サイズ例:CM105W5R103K50VAT秋月電子、P-13399
コンデンサC221150p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C2310.1u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C2410.47u~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
30.1u2016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C2610.47u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C2810.47u3216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
41000u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C3210.1u3216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-TP1010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ICU11IRS2092PBFDIP-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U21LM337SPTO-220-3負電源、Vcc供給用(-12V)秋月電子、I-07218
フォトカプラU31LTV-817DIP-4_W7.62mmCSD信号の絶縁用秋月電子、I-11964
MOSFETQ51IRFI4024H-117PTO-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2CW-3TO-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2M3×12mm3mm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
220PB020_W20D20H25
Q1、2 or Q5と、U2に使用
秋月電子、P-05054
コネクタJ112pin
5.08mmピッチ
汎用端子台秋月電子、P-01306
コネクタJ2, J82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
部品表

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

KiCADの3D表示:C面
KiCADの3D表示:C面
KiCADの3D表示:S面
KiCADの3D表示:S面

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。

部品配置図:C面
部品配置図:C面
部品配置図:S面
部品配置図:S面

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。

基板C面側
基板C面側
基板S面側
基板S面側

組み立て後の写真

組み立て後の写真
組み立て後の基板

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。

インダクタの画像
左がはじめに使おうとしていた形状のもので、右がサガミエレク製のデジタルアンプ用インダクタです。

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。

組み立て後の基板:S面
組み立て後の基板:S面

-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。

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2008年3月号にIRS2092アンプの特集があります。
自作基板電子工作
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