Amplificator auto oscilant de clasa D de 350 wați: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Introducere și de ce am făcut acest lucru instructiv:

Pe internet, există o mulțime de tutoriale care arată oamenilor cum să își construiască propriile amplificatoare de clasă D. Sunt eficiente, ușor de înțeles și toate utilizează aceeași topologie generală. Există o undă triunghiulară de înaltă frecvență generată de o parte a circuitului și este comparată cu semnalul audio pentru a modula comutatoarele de ieșire (aproape întotdeauna MOSFET-uri) pornite și oprite. Majoritatea acestor modele „DIY Class D” nu au feedback, iar cele care sună doar curate în regiunea basului. Acestea produc amplificatoare de subwoofer oarecum acceptabile, dar au o distorsiune semnificativă în regiunile înalte. Cei fără feedback, din cauza timpului mort necesar pentru comutarea MOSFET, au o formă de undă de ieșire care arată ca o undă triunghiulară, spre deosebire de o undă sinusoidală. Armonice semnificative nedorite sunt prezente, ducând la o scădere notabilă a calității sunetului, ceea ce face ca muzica să sune un fel ca și cum ar ieși dintr-o trompetă. Sunetul oarecum trumpet și nu atât de puternic al amplificatorului meu anterior de clasă D este motivul pentru care am decis să cercetez și să construiesc un amplificator folosind această topologie obscură, subutilizată.

Cu toate acestea, clasicul „comparator de undă triunghiulară” nu este singurul mod de a construi un amplificator de clasă D. Există o modalitate mai bună. În loc să ai un oscilator care să moduleze semnalul, de ce să nu faci din întregul amplificator oscilatorul? MOSFET-urile de ieșire sunt conduse (prin circuite de acționare adecvate) de ieșirea unui comparator cu intrarea pozitivă care primește sunetul de intrare și intrarea negativă care primește o versiune (redusă) a tensiunii de ieșire a amplificatorului. Histereza este utilizată în comparator pentru a regla frecvența de funcționare și pentru a preveni modurile rezonante de înaltă frecvență instabile. În plus, o rețea de snubber RC este utilizată pe ieșire pentru a suprima sunetul la frecvența de rezonanță a filtrului de ieșire și pentru a reduce defazarea la aproape 90 de grade la frecvența de funcționare a amplificatorului de aproximativ 100 Khz. Omiterea acestui filtru simplu, dar critic va face ca amplificatorul să se autodistrugă, deoarece pot fi generate tensiuni de câteva sute de volți, distrugând condensatorii filtrului instantaneu.

Principiul de funcționare:

Să presupunem că amplificatorul este pornit mai întâi și că toate tensiunile sunt la zero. Datorită histerezisului, comparatorul va decide să extragă rezultatul fie pozitiv, fie negativ. Pentru acest exemplu, vom presupune că comparatorul trage rezultatul negativ. În câteva zeci de microsecunde, tensiunea de ieșire a amplificatorului a scăzut suficient pentru a răsturna comparatorul și a trimite tensiunea înapoi, iar acest ciclu se repetă în jur de 60 până la 100 de mii de ori în fiecare secundă, menținând tensiunea dorită la ieșire. Datorită impedanței ridicate a inductorului de filtru și a impedanței reduse a condensatorului de filtru la această frecvență, nu există prea mult zgomot la ieșire și, din cauza frecvenței ridicate de funcționare, este cu mult peste domeniul sonor. Dacă tensiunea de intrare crește, tensiunea de ieșire va crește suficient încât tensiunea de feedback să atingă tensiunea de ieșire. În acest fel se realizează amplificarea.

Avantajele față de clasa standard D:

1. Impedanță de ieșire extrem de scăzută: Deoarece MOSFET-urile de ieșire nu vor reveni până la tensiunea de ieșire dorită după ce filtrul este atins, impedanța de ieșire este practic zero. Chiar și cu o diferență de 0,1 volți între tensiunea de ieșire reală și cea dorită, circuitul va arunca amperi în ieșire până când tensiunea întoarce comparatorul înapoi (sau ceva suflă).

2. Capacitatea de a conduce curate sarcini reactive: Datorită impedanței de ieșire extrem de scăzute, clasa D auto-oscilantă poate conduce sisteme de difuzoare cu mai multe căi cu scăderi de impedanță mari și vârfuri cu o distorsiune armonică foarte mică. Sistemele de subwoofer portate cu impedanță scăzută la frecvența de rezonanță a portului sunt un prim exemplu de difuzor conform căruia un amplificator „comparator de undă triunghiulară” fără feedback ar fi greu să conducă bine.

3. Răspuns la frecvență largă: pe măsură ce frecvența crește, amplificatorul va încerca să compenseze, variind mai mult ciclul de funcționare pentru a menține tensiunea de feedback potrivită cu tensiunea de intrare. Datorită atenuării filtrului de frecvențe înalte, frecvențele înalte vor începe să clipească la un nivel de tensiune mai scăzut decât cele mai mici, dar datorită muzicii având o putere mult mai mare în bas decât înalte (aproximativ o distribuție 1 / f, mai mult dacă utilizați amplificarea basului), aceasta nu este o problemă.

4. Stabilitate: dacă este proiectat corespunzător și cu o rețea de snubber în poziție, marja de fază de aproape 90 ° a filtrului de ieșire la frecvența de funcționare asigură faptul că amplificatorul nu va deveni instabil, chiar dacă conduce sarcini grele sub tăiere grea. Veți arunca ceva, probabil difuzoare sau subs, înainte ca amplificatorul să devină instabil.

5. Eficiență și dimensiuni reduse: Datorită naturii de autoreglare a amplificatorului, adăugarea unui timp mort la formele de undă de comutare MOSFET nu afectează calitatea sunetului. Eficiențele de încărcare completă de peste 90% sunt posibile cu un inductor și MOSFET de bună calitate (folosesc IRFB4115s în amplificatorul meu). Ca urmare, un radiator relativ mic pe FET-uri este suficient și un ventilator este necesar numai dacă funcționează în interiorul unei incinte izolate la putere mare.

Pasul 1: Piese, consumabile și condiții prealabile

Condiții preliminare:

Construirea oricărui tip de circuit de mare putere, în special unul conceput pentru a reproduce în mod curat sunetul, necesită cunoașterea conceptelor electronice de bază. Va trebui să știți cum funcționează condensatoarele, inductoarele, rezistențele, MOSFET-urile și amplificatoarele operaționale, precum și cum să proiectați în mod corespunzător o placă de circuit de gestionare a puterii. De asemenea, trebuie să știți cum să lipiți componentele orificiului traversant și cum să utilizați plăcile (sau să construiți un PCB). Acest tutorial este destinat persoanelor care au construit circuite moderat complicate înainte. Nu este necesară o cunoaștere analogică extinsă, deoarece majoritatea subcircuitelor din orice amplificator de clasă D au doar două niveluri de tensiune - pornit sau oprit.

De asemenea, va trebui să știți cum să utilizați un osciloscop (doar funcțiile de bază) și cum să depanați circuite care nu funcționează conform intenției. Este foarte probabil, cu un circuit de această complexitate, să ajungeți la un sub-circuit care nu funcționează prima dată când îl construiți. Găsiți și remediați problema înainte de a trece la pasul următor, depanarea unui sub-circuit este mult mai ușoară decât încercarea de a găsi un defect undeva pe întreaga placă. Utilizarea osciloscopului este necesară pentru a găsi oscilații neintenționate și pentru a verifica dacă semnalele arată așa cum ar trebui.

Sfaturi generale:

Pe orice amplificator de clasa D, veți avea tensiuni și curenți mari comutați la frecvențe ridicate, ceea ce are potențialul de a genera o mulțime de zgomot. De asemenea, veți avea circuite audio de consum redus care sunt sensibile la zgomot și îl vor prelua și amplifica. Etapa de intrare și etapa de putere ar trebui să fie la capetele opuse ale plăcii.

O bună legare la pământ, în special în etapa de putere, este, de asemenea, esențială. Asigurați-vă că firele de masă rulează direct de la terminalul negativ către fiecare driver de poartă și comparator. Este greu să ai prea multe fire de masă. Dacă faceți acest lucru pe o placă cu circuite imprimate, utilizați un plan de masă pentru împământare.

Piese de care veți avea nevoie:

(Trimiteți-mi un mesaj dacă am ratat vreunul, sunt destul de sigur că aceasta este o listă completă)

(Tot ceea ce este etichetat HV trebuie evaluat pentru cel puțin tensiunea sporită pentru a conduce difuzorul, de preferință mai mult)

(Multe dintre acestea pot fi recuperate din electronice și aparate aruncate într-un tomberon, în special condensatoare)

• Alimentare de 24 volți capabilă de 375 wați (am folosit o baterie cu litiu, dacă folosesc o baterie, asigurați-vă că aveți un LVC (întrerupere de joasă tensiune))
• Convertor de putere Boost capabil să furnizeze 350 de wați la 65 de volți. (Căutați „Yeeco power converter 900 watts” pe Amazon și veți găsi cel pe care l-am folosit.)
• „Perf board” sau proto-board pentru a construi totul. Vă recomand să aveți cel puțin 15 inci pătrate pentru a lucra pentru acest proiect, 18 dacă doriți să construiți placa de intrare pe aceeași placă.
• Radiator pentru montarea MOSFET-urilor
• Condensator 220uf
• 2x 470uf Condensator, unul trebuie să fie evaluat pentru tensiunea de intrare (nu HV)
• 2x condensator 470nf
• 1x 1nf condensator
• Condensator ceramic 12x 100nf (sau puteți utiliza poli)
• 2x condensator poli 100nf [HV]
• 1x 1uf condensator poli [HV]
• 1x 470uf LOW ESR Condensator electrolitic [HV]
• 2x dioda 1n4003 (orice diodă care poate rezista la 2 * HV sau mai mult este bine)
• 1 x siguranță de 10 amp (sau bucată scurtă de fir de 30AWG pe un bloc de borne)
• 2x inductor de 2,5mh (sau vânt propriu)
• 4x IRFB4115 MOSFET de putere [HV] [Trebuie să fie GENUIN!]
• Rezistențe asortate, le puteți scoate de pe eBay sau Amazon pentru câțiva dolari
• 4x potențiometre 2k Trimmer
• 2x amplificator op KIA4558 (sau amplificator op similar audio)
• 3x comparatoare LM311
• 1x regulator de tensiune 7808
• 1x placa de conversie "Lm2596", le puteți găsi pe eBay sau Amazon pentru câțiva dolari
• 2x IC driver de poartă NCP5181 (s-ar putea să aruncați ceva, să obțineți mai multe) [Trebuie să fie GENUIN!]
• Antet cu 3 pini pentru conectarea la placa de intrare (sau mai mulți pini pentru rigiditate mecanică)
• Firuri sau blocuri terminale pentru difuzoare, alimentare etc.
• Sârmă de alimentare 18AWG (pentru cablarea treptei de alimentare)
• Sârmă de conectare 22 AWG (pentru cablarea tuturor celorlalte)
• Transformator audio de 200 ohmi de mică putere pentru etapa de intrare
• Ventilator mic de 12v / 200ma (sau mai puțin) pentru computer pentru răcirea amplificatorului (opțional)

Instrumente și consumabile:

• Osciloscop cu rezoluție de cel puțin 2us / div cu o sondă de 1x și 10x (puteți utiliza un rezistor de 50k și 5k pentru a vă crea propria sondă de 10x)
• Multimetru care poate face tensiune, curent și rezistență
• Lipit și lipit (folosesc Kester 63/37, fără plumb de BUNĂ CALITATE funcționează și dacă aveți experiență)
• Furtun de lipit, fitil etc. Veți face greșeli pe un circuit atât de mare, mai ales când lipiți inductorul, este o durere.
• Tăietoare și decupante de sârmă
• Ceva care poate genera un val pătrat de câțiva HZ, cum ar fi o placă de calcul și un temporizator 555

Pasul 2: Aflați cum funcționează clasa D auto-oscilantă (opțional dar recomandat)

Înainte de a începe, este o idee bună să cunoașteți cum funcționează circuitul. Vă va ajuta foarte mult cu orice probleme pe care le-ați putea avea în continuare și vă va ajuta să înțelegeți ce face fiecare parte a schemei complete.

Prima imagine este un grafic produs de LTSpice care arată răspunsul amplificatorului la o schimbare instantanee a tensiunii de intrare. După cum puteți vedea din grafic, linia verde încearcă să urmeze linia albastră. De îndată ce intrarea se modifică, linia verde crește cât de repede poate și se instalează cu o depășire minimă. Linia roșie este tensiunea etapei de ieșire dinaintea filtrului. După schimbare, amplificatorul se instalează rapid și începe să oscileze din nou în jurul valorii de setare.

A doua imagine este schema circuitului de bază. Intrarea audio este comparată cu semnalul de feedback, care generează un semnal pentru a conduce etapa de ieșire pentru a apropia ieșirea de intrare. Histerezisul din comparator face ca circuitul să oscileze în jurul tensiunii dorite la o frecvență mult prea mare pentru ca urechile sau difuzoarele să răspundă.

Dacă aveți LTSpice, puteți descărca și juca cu fișierul schematic.asc. Încercați să schimbați r2 pentru a schimba frecvența și urmăriți circuitul înnebunind în timp ce eliminați snubber-ul care amortizează oscilația excesivă în jurul punctului de rezonanță al filtrului LC.

Chiar dacă nu aveți LTSpice, studierea imaginilor vă va oferi o idee bună despre cum funcționează totul. Acum să începem să construim.

Pasul 3: Construiți sursa de alimentare

Înainte de a începe să lipiți ceva, aruncați o privire la aspectul schematic și exemplul. Schema este un SVG (grafic vectorial), astfel încât după ce îl descărcați, puteți mări cât doriți, fără a pierde rezoluția. Decideți unde veți plasa totul pe tablă și apoi construiți sursa de alimentare. Conectați tensiunea bateriei și împământare și asigurați-vă că nimic nu se încinge. Folosiți un multimetru pentru a regla placa "lm2596" pentru a produce 12 volți și verificați dacă regulatorul 7808 produce 8 volți.

Asta este pentru sursa de alimentare.

Pasul 4: Construiți etapa de ieșire și driverul de poartă

Din întregul proces de construcție, acesta este cel mai greu pas din toate. Construiți totul în „circuitul driverului Gate” și „Power stage” în schemă, asigurându-vă că FET-urile sunt atașate la radiatorul.

În schemă, veți vedea fire care par să nu meargă nicăieri și să spună „vDrv”. Acestea sunt numite etichete în schmatic și toate etichetele cu același text sunt conectate împreună. Conectați toate firele etichetate „vDrv” la ieșirea plăcii de reglare de 12v.

După finalizarea acestei etape, alimentați acest circuit cu o sursă limitată de curent (puteți utiliza un rezistor în serie cu sursa de alimentare) și asigurați-vă că nimic nu se încălzește. Încercați să conectați fiecare dintre semnalele de intrare la driverul porții la 8v de la sursa de alimentare (unul câte unul) și verificați dacă porțile corecte sunt acționate. După ce ați verificat că știți că unitatea de poartă funcționează.

Datorită unității de poartă care utilizează un circuit bootstrap, nu puteți testa ieșirea direct măsurând tensiunea de ieșire. Puneți multimetrul pe diodă și verificați între fiecare terminal de difuzoare și fiecare terminal de alimentare.

1. Pozitiv pentru Speaker 1
2. Pozitiv pentru Speaker 2
3. Negativ pentru Speaker 1
4. Negativ pentru Speaker 2

Fiecare ar trebui să prezinte conductivitate parțială într-un singur sens, la fel ca o diodă.

Dacă totul funcționează, felicitări, tocmai ați terminat cea mai grea secțiune a tabloului. Ți-ai amintit legarea la pământ corectă, nu?

Pasul 5: Construiți MOSFET Gate Drive Generator de semnal

După ce ați terminat driverul de poartă și etapa de alimentare, sunteți gata să construiți porțiunea circuitului care generează semnalele care le spun driverelor de poartă ce FET-uri trebuie să pornească la ce oră.

Construiți totul în „Generatorul de semnal al driverului MOSFET cu timp mort” în schemă, asigurându-vă că nu uitați niciunul dintre condensatorii mici. Dacă le omiteți, circuitul va testa în continuare bine, dar nu va funcționa bine atunci când încercați să conduceți un difuzor datorită comparatorilor oscilanți parazit.

Apoi, testați circuitul alimentând o undă pătrată de câțiva hertz în „generatorul de semnal al driverului MOSFET cu timp mort” de la generatorul de semnal sau circuitul temporizator 555. Conectați tensiunea bateriei la „HV in” printr-un rezistor de limitare a curentului.

Conectați un osciloscop la ieșirile difuzorului. Ar trebui să obțineți polaritatea inversă a tensiunii bateriei de câteva ori pe secundă. Nimic nu ar trebui să se încălzească și ieșirea ar trebui să fie un val pătrat frumos și ascuțit. O mică depășire este bună, atâta timp cât nu depășește 1/3 din tensiunea bateriei.

Dacă ieșirea produce un val pătrat curat, înseamnă că tot ceea ce ați construit până acum funcționează. Doar un sub-circuit a rămas până la finalizare.

Pasul 6: Comparator, Amplificator diferențial și Momentul Adevărului

Acum sunteți gata să construiți porțiunea circuitului care face efectiv modulația de clasă D.

Construiți totul în „Comparator cu histerezis” și „Amplificator diferențial pentru feedback” în schemă, precum și cele două rezistențe de 5k care mențin circuitul stabil atunci când nimic nu este conectat la intrare.

Conectați alimentarea la circuit (dar nu încă HV) și verificați dacă pinii 2 și 3 ai U6 trebuie să fie aproape de jumătate din Vreg (4 volți).

Dacă ambele valori sunt corecte, atașați un subwoofer la bornele de ieșire. conectați puterea și tensiunea HV la tensiunea bateriei printr-un rezistor de limitare a curentului (puteți folosi un subwoofer de 4 ohmi sau mai mare ca rezistor). Ar trebui să auziți un sunet mic și subwooferul nu trebuie să se miște într-un sens sau altul mai mult de un milimetru sau cam așa ceva. Verificați cu un osciloscop pentru a vă asigura că semnalele care intră și ies din driverele de poartă NCP5181 sunt curate și au aproximativ 40% ciclu de funcționare fiecare. Dacă nu este cazul, reglați cele două rezistențe variabile până când sunt. Frecvența undelor de acționare a porții va fi mai mică decât 70-110 KHZ dorită, datorită faptului că HV nu este conectat la amplificatorul de tensiune.

Dacă semnalele de acționare a porții nu oscilează deloc, încercați să comutați SPK1 și SPK2 mergând la amplificatorul diferențial. Dacă tot nu funcționează, utilizați un osciloscop pentru a depista defecțiunea. Este aproape sigur în circuitul comparator sau amplificator diferențial.

Odată ce circuitul funcționează, lăsați difuzorul conectat și adăugați modulul de creștere a tensiunii pentru a crește tensiunea la HV în jur de 65-70 de volți (amintiți-vă siguranța). Porniți circuitul și asigurați-vă că nimic nu se încălzește inițial, în special MOSFET-urile și inductorul. Continuați să monitorizați temperaturile timp de aproximativ 5 minute. Este normal ca inductorul să se încălzească, atâta timp cât nu este prea fierbinte pentru a atinge continuu. MOSFET-urile nu trebuie să fie mai mult decât ușor calde.

Verificați din nou frecvența și ciclul de funcționare a undelor de acționare a porții. Reglați pentru un ciclu de funcționare de 40% și asigurați-vă că frecvența este între 70 și 110 Khz. În caz contrar, reglați R10 în schemă pentru a corecta frecvența. Dacă frecvența este corectă, sunteți gata să începeți redarea sunetului cu amplificatorul.

Pasul 7: Intrare audio și testare finală

Acum că amplificatorul în sine funcționează satisfăcător, este timpul să construim etapa de intrare. Pe o altă placă (sau pe aceeași, dacă aveți spațiu), construiți circuitul conform schemei furnizate cu acest pas (trebuie să îl descărcați), asigurându-vă că este protejat cu o bucată de metal împământată dacă este aproape de orice generator de zgomot. componente. Conectați alimentarea și împământarea la circuit de la amplificator, dar nu conectați încă semnalul audio. Verificați dacă semnalul audio este în jur de 4 volți și se modifică ușor când rotiți potențiometrul „DC offset adjust”. Reglați potențiometrul pentru 4 volți și lipiți firul de intrare audio pe restul circuitului.

Deși schema arată folosind o mufă pentru căști ca intrare, puteți adăuga și un adaptor bluetooth cu ieșirea conectată la locul unde este mufa audio. Adaptorul bluetooth poate fi alimentat de un regulator 7805. (Am avut un 7806 și am folosit o diodă pentru a scăpa încă 0,7 volți).

Porniți din nou amplificatorul și conectați un cablu la mufa AUX de pe placa de intrare. Probabil că va exista o stare slabă.

Dacă staticul este prea puternic, puteți încerca câteva lucruri:

• Ai protejat bine etapa de intrare? Comparatoarele generează și zgomot.
• Adăugați un condensator 100nf la ieșirea transformatorului.
• Adăugați un condensator 100nf între ieșirea audio și masă și plasați un rezistor de 2k în linie înainte de condensator.
• Asigurați-vă că cablul auxiliar nu se află în apropierea sursei de alimentare sau a cablurilor de ieșire a amplificatorului.

Creșteți încet (peste câteva minute) volumul, asigurându-vă că nimic nu se încălzește prea mult sau nu distorsionează. Reglați câștigul astfel încât amplificatorul să nu decupeze decât dacă volumul este pe maxim.

În funcție de calitatea miezului inductorului și de dimensiunea radiatorului, poate fi o idee bună să adăugați un ventilator mic, alimentat de pe șina de 12v, pentru a răci amplificatorul. Aceasta este o idee deosebit de bună dacă o veți pune într-o cutie.