le puissant amplificateur de classe d-construisez-en un vous-même et laissez-vous surprendre par son efficacité. Le dissipateur de chaleur se réchauffe à peine!
avez – vous toujours voulu construire votre propre amplificateur de puissance audio? Un projet électronique où non seulement vous voyez les résultats, mais aussi les entendez?
Si votre réponse est oui, alors vous devriez continuer à lire cet article sur la façon de construire votre propre amplificateur de classe D. Je vais vous expliquer comment ils fonctionnent, puis vous guider étape par étape pour que la magie se produise tout seul.,
bases théoriques
Qu’est-ce qu’un amplificateur de puissance audio de classe D? La réponse pourrait être juste une phrase longue: C’est un amplificateur. Mais pour bien comprendre comment on fonctionne, je dois vous apprendre tous ses coins et recoins.
commençons par cette première phrase. Les amplificateurs traditionnels, comme la classe AB, fonctionnent comme des appareils linéaires. Comparez cela aux amplificateurs de commutation, ainsi appelés parce que les transistors de puissance (les MOSFET) agissent comme des commutateurs, changeant leur état de OFF à ON. Cela permet un rendement très élevé, jusqu’à 80 – 95%., Pour cette raison, l’amplificateur ne génère pas beaucoup de chaleur et ne nécessite pas un grand dissipateur de chaleur comme le font les amplificateurs linéaires de classe AB. À titre de comparaison, l’amplificateur de classe B ne peut atteindre qu’une efficacité maximale de 78, 5% (en théorie).
ci-Dessous, vous pouvez voir le schéma d’une base de MLI amplificateur de Classe D, tout comme celui que nous construisons.
Le signal d’entrée est convertie en une modulation de largeur d’impulsion rectangulaire de signal à l’aide d’un comparateur. Cela signifie essentiellement que l’entrée est codée dans le rapport cyclique des impulsions rectangulaires., Le signal rectangulaire est amplifié, puis un filtre passe-bas donne une version plus puissante du signal analogique d’origine.
Il existe d’autres méthodes pour convertir le signal en impulsions, telles que la modulation ΔΣ (delta-sigma), mais pour ce projet, nous utiliserons PWM.
Modulation de Largeur d’Impulsion à l’Aide d’un Comparateur
Dans le graphique ci-dessous, vous pouvez voir comment transformer un signal sinusoïdal (l’entrée) en un signal rectangulaire, en la comparant à un signal triangle.,
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Au sommet de l’onde sinusoïdale, le cycle de l’impulsion rectangulaire est de 100%, tandis que le pic négatif, il est de 0%. La fréquence réelle du signal triangle est beaucoup plus élevée, de l’ordre de centaines de kHz, de sorte que nous pouvons extraire plus tard notre signal d’origine.
un vrai filtre, pas idéal, n’a pas une transition parfaite « mur de briques » de la bande passante à la bande d’arrêt, nous voulons donc que le signal triangle ait une fréquence au moins 10 fois supérieure à 20 kHz, ce qui est la limite auditive humaine supérieure.,
Power Stage—tout sonne bien en théorie
La théorie est un aspect et la pratique en est un autre. Si nous voulons mettre en pratique le schéma de principe précédent, nous tomberons sur quelques problèmes.
deux problèmes sont le temps de montée et de descente des dispositifs dans l’étage de puissance et le fait que nous utilisons un transistor NMOS pour le haut-Côté pilote.,
parce que la commutation des MOSFET ne se fait pas instantanément, mais ressemble plus à monter et descendre une colline, les transistors’ sur le temps se chevauchent, créant une connexion à faible impédance entre les transistors rails d’alimentation positifs et négatifs. Cela provoque le passage d’une impulsion de courant élevé à travers nos MOSFET, ce qui peut entraîner une défaillance.
pour éviter cela, nous devons insérer un temps mort entre les signaux qui conduisent les MOSFET latéraux haut et bas., Une façon d’y parvenir est d’utiliser un pilote MOSFET spécialisé D’International redresseur (Infineon), tel que L’IR2110S ou L’IR2011S. en outre, ces circuits intégrés fournissent la tension de grille amplifiée nécessaire pour les NMOS haut de gamme.
Filtre Passe-Bas
Pour le filtrage, l’une des meilleures façons de le faire est d’utiliser un filtre de Butterworth.
Ces types de filtres ont une très plat de réponse dans la bande passante., Cela signifie que le signal que nous voulons atteindre ne sera pas atténué trop.
Nous voulons filtrer les fréquences supérieures à 20 kHz. La fréquence de coupure est calculé à -3dB, nous voulons qu’elle soit un peu plus élevée, afin de ne pas filtrer les sons que nous voulons entendre. Il est préférable de choisir quelque chose entre 40 et 60 kHz. Le facteur de qualité \.,
ce sont les formules utilisées pour calculer les valeurs de l’inductance et le condensateur:
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la Construction de Votre BRICOLAGE Amplificateur (Luc-La-Chaud)
Maintenant que nous savons comment un amplificateur de Classe D œuvres, nous allons créer un.
Tout d’abord, j’ai nommé cet amplificateur Luke-the-Warm parce que le dissipateur de chaleur ne chauffe qu’à peine, contrairement à un amplificateur de classe AB, dont le dissipateur de chaleur peut devenir assez chaud s’il n’est pas activement refroidi.
ci-dessous vous pouvez voir le schéma de l’amplificateur que j’ai conçu., Il est basé sur la conception de référence IRAUDAMP1 par International redresseur (Infineon). La principale différence est qu’au lieu de la modulation ΔΣ, la mienne utilise PWM.
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je vais maintenant vous raconter des choix de conception et la façon dont les composants travailler les uns avec les autres. Commençons par le côté gauche.
Circuit d’Entrée
Pour le circuit d’entrée, j’ai décidé qu’il était préférable d’utiliser un filtre passe-haut, suivie par un filtre passe-bas. C’est aussi simple que cela.,
générateur Triangle
pour le générateur triangle, j’ai utilisé un LMC555, qui est la variante CMOS de la fameuse puce 555. La charge et la décharge du condensateur produisent un joli triangle, qui n’est pas parfait (il monte et tombe de manière exponentielle) mais si les temps de montée et de descente sont égaux, cela fonctionne parfaitement.
Les valeurs de la résistance et du condensateur définissent une fréquence d’environ 200 khz. Tout plus haut que cela et nous rencontrerons des problèmes parce que le comparateur et le pilote MOSFET ne sont pas les appareils les plus rapides.,
Comparateur
Pour le comparateur, vous pouvez utiliser n’importe quel composant que vous souhaitez qu’il doit être rapide. J’ai utilisé ce que j’avais disponible, le LM393AP. Avec un temps de réponse de 300ns, ce n’est pas le plus rapide et peut certainement être amélioré, mais il fait le travail. Si vous souhaitez utiliser d’autres circuits intégrés, veillez simplement à vérifier que les broches correspondent ou vous devrez modifier la conception du circuit imprimé.
en théorie, un ampli-op peut être utilisé comme un comparateur, mais en réalité les amplis-op sont conçus pour d’autres types de travail, alors assurez-vous d’utiliser un comparateur réel.,
parce que nous avons besoin de deux sorties du comparateur, une pour le pilote côté haut et une pour le pilote côté bas, j’ai décidé d’utiliser le LM393AP. Il s’agit de deux comparateurs dans un seul paquet, et nous échangeons simplement les entrées pour le deuxième comparateur. Une autre approche consiste à utiliser un comparateur qui a deux sorties, comme le LT1016 de Linear Technology. Ces appareils peuvent offrir des performances quelque peu améliorées, mais ils pourraient également être plus chers.
ces comparateurs sont alimentés par une alimentation bipolaire 5V, fournie par deux diodes zener qui régulent la tension de l’alimentation principale, qui est de ±30V.,
pilote MOSFET
pour le pilote MOSFET, j’ai choisi D’utiliser L’IR2110. Une alternative est L’IR2011, qui est utilisé dans la conception de référence. Ce circuit intégré fait en sorte d’ajouter ce temps mort dont j’ai parlé dans la section précédente.
étant donné que la broche VSS du circuit intégré est liée à l’alimentation négative, nous devons décaler les signaux du comparateur. Ceci est fait en utilisant un transistor PNP et des diodes 1N4148.,
pour piloter les MOSFET, nous alimentons L’IR2110 avec 12V référencé à la tension d’alimentation négative; cette tension est générée à l’aide d’un BD241 en conjonction avec un zener 12V. Le MOSFET côté haut doit être entraîné par une tension de grille qui est d’environ 12V au-dessus du nœud de commutation, VS. cela nécessite une tension supérieure à l’alimentation positive; L’IR2110 fournit cette tension d’entraînement à l’aide de notre condensateur bootstrap, C10.
Filtre
Enfin le filtre., La fréquence de coupure est de 40 kHz et la résistance de charge est de 4 ohms car nous avons un haut-parleur de 4 ohms (les valeurs utilisées ici fonctionneront également avec un haut-parleur de 8 ohms, mais il est préférable d’ajuster le filtre en fonction du haut-parleur que vous choisissez). Avec cette information, nous pouvons calculer les valeurs de l’inductance et le condensateur:
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Nous pouvons arrondir à 22µH.
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Le plus proche de la valeur standard est 680nF.,
Notes sur la construction
maintenant que vous savez tout sur le fonctionnement interne, tout ce que vous avez à faire est de lire très attentivement les lignes suivantes, télécharger les fichiers ci-dessous, acheter les composants nécessaires, graver le PCB, et commencer à assembler.
Filtre Passe-Bas
pour le filtre passe-bas, vous pouvez utiliser un condensateur 680nf pour vous rapprocher le plus possible de la valeur calculée, mais vous pouvez également utiliser un condensateur 1µF sans aucun problème (j’ai conçu le PCB pour que vous puissiez utiliser deux condensateurs en parallèle pour mélanger et assortir).,
Ces condensateurs doivent être en polypropylène ou en polyester—en général, il n’est pas une bonne idée d’utiliser des condensateurs en céramique avec des signaux audio. Et vous devez vous assurer que les condensateurs que vous utilisez pour le filtrage sont évalués pour la haute tension, au moins 100VAC (plus ne fait pas mal). Le reste des condensateurs de la conception doit également avoir une tension nominale appropriée.
j’ai conçu cet amplificateur pour une puissance de sortie d’environ 100-150W.vous devez utiliser une alimentation bipolaire avec des rails de ±30V., Vous pouvez aller plus haut que cela, mais pour des tensions d’environ ±40V, vous devez vous assurer de changer les valeurs des résistances R4 et R5 à 2K2.
Il n’est pas nécessaire mais fortement recommandé d’utiliser un dissipateur thermique pour BD241C car il fait assez chaud.
MOSFET
en ce qui concerne les MOSFET de puissance, je suggère d’utiliser L’IRF540N ou L’IRFB41N15D. ces MOSFET ont une faible charge de grille pour une commutation plus rapide et un faible RDS(on) pour une consommation d’énergie réduite. Vous devez également vous assurer que le MOSFET a une valeur nominale VDS (tension drain-to-source) maximale adéquate., Vous pouvez utiliser L’IRF640N, mais le RDS(on) est nettement plus élevé, ce qui conduit à un amplificateur avec une efficacité inférieure., Here is a table comparing these three MOSFETs:
| MOSFET | Max VDS (V) | ID (A) | Qg (nC) | RDS(on) (Ω) |
|---|---|---|---|---|
| IRFB41N15D | 150 | 41 | 72 | 0.,045 |
| IRF540N | 100 | 33 | 71 | 0.044 |
| IRF640N | 200 | 18 | 67 | 0.15 |
Inductor
Now the inductor. You can buy one already made but I would suggest that you wind your own—this is a DIY project after all.
Buy a T106-2 toroid., Il doit s’agir de poudre de fer; la ferrite peut fonctionner, mais elle aura besoin d’un espace ou elle sature. En utilisant ledit tore, enroulez 40 tours de fil émaillé de cuivre de 0,8 à 1 mm de diamètre (AWG20-18). C’est tout. Ne vous inquiétez pas si ce n’est pas parfait—il suffit de le resserrer.
les Résistances
Enfin, toutes les résistances, sauf indication contraire (R4, R5), sont de 1/4W.
Test
Lorsque j’ai conçu le PCB, j’ai fait en sorte qu’il est très facile à tester. Le signal d’entrée a son propre connecteur et il y a deux bornes de bêche pour la terre: une pour l’alimentation et une pour le haut-parleur.,
Pour supprimer le bruit de bourdonnement (50/60 Hz, de la fréquence du secteur), j’ai utilisé une configuration star-ground; cela signifie connecter toutes les masses (masse de l’amplificateur, Masse du signal et Masse du haut-parleur) au même point, de préférence sur le circuit D’alimentation, après le circuit redresseur.
La nomenclature complète se trouve dans les fichiers ci-dessous, où vous pouvez également trouver les fichiers PCB au format PDF et en tant que fichiers KiCAD.
Goodies.zip
conclusion
j’espère que les informations contenues dans cet article est suffisant pour vous de construire votre propre amplificateur de puissance audio., J’espère que cela vous excitera également à construire votre propre amplificateur.
Il y a beaucoup de choses qui peut être amélioré dans ce projet. Vous avez toutes les informations et fichiers nécessaires, mais vous n’avez pas besoin de les suivre à la lettre.
Vous pouvez utiliser des composants SMD, améliorer le circuit comparateur en utilisant une sortie complémentaire, ou essayer L’IR2011S au lieu de L’IR2110. Allumez simplement ce fer à souder, gravez votre PCB et commencez à travailler. Peu importe si cela ne fonctionne pas au premier essai.
tout est une question d’essais et d’erreurs., Lorsque vous entendrez enfin ce son net provenant de votre haut-parleur, tout en vaudra la peine.
