El poderoso amplificador de clase D-construye uno tú mismo y sorpréndete con su eficiencia. El disipador de calor apenas se calienta!
¿siempre has querido construir tu propio amplificador de potencia de audio? ¿Un proyecto electrónico donde no solo ves los resultados sino que también los escuchas?
Si su respuesta es sí, entonces usted debe seguir leyendo este artículo sobre cómo construir su propio amplificador Clase D de. Te explicaré cómo funcionan y luego te guiaré paso a paso para hacer que la magia suceda por ti mismo.,
fundamentos teóricos
¿Qué es un amplificador de potencia de audio Clase D? La respuesta podría ser solo una frase larga: es un amplificador de conmutación. Pero para entender completamente cómo funciona uno, necesito enseñarte todos sus rincones.
empecemos con esa primera frase. Los amplificadores tradicionales, como la clase AB, funcionan como dispositivos lineales. Compare esto con los amplificadores de conmutación, llamados así porque los transistores de potencia (los MOSFET) actúan como interruptores, cambiando su estado de apagado a ENCENDIDO. Esto permite una eficiencia muy alta, hasta 80-95%., Debido a esto, el amplificador no genera mucho calor y no requiere un gran disipador de calor como lo hacen los amplificadores lineales de clase AB. En comparación, el amplificador de Clase B solo puede lograr una eficiencia máxima del 78,5% (en teoría).
a continuación puede ver el diagrama de bloques de un amplificador PWM Básico Clase D, Al igual que el que estamos construyendo.
la señal de entrada se convierte en una señal rectangular modulada de ancho de pulso utilizando un comparador. Esto básicamente significa que la entrada está codificada en el ciclo de trabajo de los pulsos rectangulares., La señal rectangular se amplifica, y luego un filtro de paso bajo da como resultado una versión de mayor potencia de la señal analógica original.
hay otros métodos para convertir la señal en pulsos, como la modulación ΔΣ (delta-sigma), pero para este proyecto usaremos PWM.
modulación de ancho de pulso usando un comparador
en la gráfica a continuación, puede ver cómo transformamos una señal sinusoidal (la entrada) en una señal rectangular comparándola con una señal triangular.,
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en el pico positivo de la onda sinusoidal, el ciclo de trabajo del pulso rectangular es 100% mientras que en el pico negativo es 0%. La frecuencia real de la señal del triángulo es mucho mayor, del orden de cientos de kHz, para que podamos extraer más tarde nuestra señal original.
un filtro real, no ideal, no tiene una transición perfecta de «pared de ladrillo» de banda de paso a banda de parada, por lo que queremos que la señal del triángulo tenga una frecuencia al menos 10 veces superior a 20KHz, que es el límite superior de audición humana.,
Power Stage—todo suena bien en teoría
La teoría es un aspecto y la práctica es otro. Si queremos poner en práctica el diagrama de bloques anterior, tropezaremos con algunos problemas.
dos problemas son el tiempo de subida y bajada de los dispositivos en el power stage y el hecho de que estamos utilizando un transistor NMOS para el conductor de lado alto.,
debido a que la conmutación de los MOSFETs no se realiza instantáneamente, sino que es más como subir y bajar una colina, el tiempo de los transistores se superpondrá, creando una conexión de baja impedancia entre los rieles de alimentación positiva y negativa. Esto hace que un pulso de alta corriente pase a través de nuestros MOSFET, lo que puede conducir a un fallo.
para evitar esto, necesitamos insertar algún tiempo muerto entre las señales que impulsan los MOSFETs laterales altos y bajos., Una forma de lograr esto es utilizar un controlador MOSFET especializado de International Rectifier (Infineon), como el IR2110S o IR2011S. Además, estos ICs proporcionan el voltaje de puerta impulsado necesario para los NMOS de lado alto.
filtro de paso bajo
para la etapa de filtrado, una de las mejores formas de hacerlo es usar un filtro Butterworth.
Estos tipos de filtros tienen un muy de respuesta plana en la banda pasante., Esto significa que la señal que queremos lograr no se atenuará demasiado.
queremos filtrar frecuencias superiores a 20 kHz. La frecuencia de corte se calcula en-3dB, por lo que queremos que sea un poco más alta para no filtrar los sonidos que queremos escuchar. Lo mejor es elegir algo entre 40 y 60 kHz. El factor de calidad \.,
estas son las fórmulas utilizadas para calcular los valores del inductor y el condensador:
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construyendo tu amplificador DIY (Luke-the-Warm)
ahora que sabemos cómo funciona un amplificador Clase-D, construyamos uno.
En primer lugar, llamé a este amplificador Luke-the-Warm porque el disipador de calor apenas se calienta, a diferencia de un amplificador de clase AB, cuyo disipador de calor puede calentarse bastante si no se enfría activamente.
a continuación puede ver el esquema del amplificador que diseñé., Se basa en el diseño de referencia IRAUDAMP1 de International Rectifier (Infineon). La principal diferencia es que en lugar de modulación ΔΣ, La Mina utiliza PWM.
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ahora le diré algunas opciones de diseño y cómo funcionan los componentes entre sí. Empecemos por el lado izquierdo.
Circuito de Entrada
Para el circuito de entrada, decidí que era mejor usar un filtro de paso alto, seguido por un filtro de paso bajo. Es así de simple.,
generador de triángulo
para el generador de triángulo, utilicé un LMC555, que es la variante CMOS del famoso chip 555. La carga y descarga del condensador produce un buen triángulo, que no es perfecto (sube y baja exponencialmente), pero si los tiempos de subida y caída son iguales, funciona perfectamente.
los valores de la resistencia y el condensador establecen una frecuencia de aproximadamente 200kHz. Más alto que esto y nos encontraremos con problemas porque el comparador y el controlador MOSFET no son los dispositivos más rápidos.,
Comparador
Para el comparador, puede utilizar el componente que desea, sino que simplemente debe ser rápido. Usé lo que tenía disponible, el LM393AP. Con un tiempo de respuesta de 300ns, no es el más rápido y definitivamente se puede mejorar, pero hace el trabajo. Si desea utilizar otros circuitos integrados, solo tenga cuidado de verificar que los pines coincidan o tendrá que modificar el diseño de la PCB.
en teoría, un amplificador operativo puede usarse como comparador, pero en realidad los amplificadores operativos están diseñados para otros tipos de trabajo, así que asegúrese de usar un comparador real.,
debido a que necesitamos dos salidas del comparador, una para el controlador de lado alto y otra para el controlador de lado bajo, decidí usar el LM393AP. Se trata de dos comparadores en un paquete, y solo intercambiamos las entradas para el segundo comparador. Otro enfoque es utilizar un comparador que tiene dos salidas, como el LT1016 de Linear Technology. Estos dispositivos pueden ofrecer un rendimiento algo mejorado, pero también podrían ser más caros.
estos comparadores son alimentados por una fuente bipolar de 5V, proporcionada por dos diodos zener que regulan el voltaje de la fuente de alimentación principal, que es ±30V.,
MOSFET Driver
Para el MOSFET driver, decidí usar el IR2110. Una alternativa es el IR2011, que se utiliza en el diseño de referencia. Este circuito integrado se asegura de agregar ese tiempo muerto del que hablé en la sección anterior.
debido a que el pin VSS del IC está atado a la fuente de alimentación negativa, necesitamos cambiar de nivel las señales del comparador. Esto se hace utilizando transistores PNP y diodos 1N4148.,
para accionar los MOSFETs, alimentamos el IR2110 con 12v referenciado a la tensión de alimentación negativa; esta tensión se genera utilizando un BD241 junto con un zener de 12v. El MOSFET del lado alto necesita ser accionado por un voltaje de compuerta que esté aproximadamente 12V por encima del nodo de conmutación, VS. esto requiere un voltaje que sea más alto que la fuente positiva; el IR2110 proporciona este voltaje de accionamiento con la ayuda de nuestro condensador bootstrap, C10.
Filtro
Finalmente el filtro., La frecuencia de corte es de 40 kHz, y la resistencia de carga es de 4 ohmios porque tenemos un altavoz de 4 ohmios (los valores utilizados aquí también funcionarán con un altavoz de 8 ohmios, pero lo mejor es ajustar el filtro de acuerdo con el altavoz que elija). Con esta información podemos calcular los valores de la bobina y el condensador:
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se puede redondear a la baja a 22µH.
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El valor estándar más cercano es 680nF.,
notas sobre Build
ahora que sabe todo sobre el funcionamiento interno, todo lo que tiene que hacer es leer muy cuidadosamente las siguientes líneas, descargar los archivos a continuación, Comprar los componentes necesarios, grabar la PCB y comenzar a ensamblar.
filtro de paso bajo
para el filtro de paso bajo, puede usar un condensador de 680nF para acercarse lo más posible al valor calculado, pero también puede usar un condensador de 1µF sin ningún problema (diseñé la PCB para que pueda usar dos condensadores en paralelo para mezclar y combinar).,
estos condensadores deben ser de polipropileno o poliéster; en general, no es una gran idea usar condensadores cerámicos con señales de audio. Y debe asegurarse de que los condensadores que está utilizando para filtrar estén clasificados para alto voltaje, al menos 100VAC (más no duele). El resto de los condensadores en el diseño también necesitan tener una clasificación de voltaje apropiada.
diseñé este amplificador para una potencia de salida de aproximadamente 100-150w.debe usar una fuente de alimentación bipolar con rieles de ±30V., Puede ir más alto que esto, pero para voltajes de aproximadamente ±40V debe asegurarse de cambiar los valores de las resistencias R4 y R5 a 2K2.
no es necesario, pero muy recomendable que utilice un disipador de calor para BD241C, ya que se pone bastante caliente.
MOSFETs
en cuanto a los MOSFETs de potencia, sugiero usar el IRF540N o el IRFB41N15D. estos MOSFETs tienen una carga de puerta baja para una conmutación más rápida y un bajo RDS(encendido) para un menor consumo de energía. También debe asegurarse de que el MOSFET tenga una clasificación VDS (voltaje de drenaje a fuente) máxima adecuada., Podría utilizar el IRF640N, pero el RDS (on) es significativamente más alto, lo que lleva a un amplificador con menor eficiencia., 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., Necesita ser polvo de hierro; la ferrita puede funcionar, pero necesitará un hueco o se saturará. Usando dicho toroide, enrolle 40 vueltas de alambre esmaltado de cobre de 0.8-1mm de diámetro (AWG20-18). Eso es. No te preocupes si no es perfecto, solo hazlo apretado.
Resistors
Finalmente, todas las resistencias, a menos que se indique (R4, R5), son 1/4W.
Testing
cuando diseñé la PCB, la hice para que sea muy fácil de probar. La señal de entrada tiene su propio conector y hay dos terminales de pala para tierra: uno para la fuente de alimentación y otro para el altavoz.,
para eliminar el ruido de zumbido (50/60 Hz, de la frecuencia de la red), utilicé una configuración de tierra de estrella; esto significa conectar todas las tierras (Tierra del amplificador, tierra de la señal y tierra del altavoz) en el mismo punto, preferiblemente en la PCB de la fuente de alimentación, después del circuito rectificador.
la lista completa de materiales se puede encontrar en los archivos a continuación, donde también puede encontrar los archivos PCB tanto en formato PDF como en archivos KiCAD.
Golosinas.zip
Pensamientos finales
espero que la información en este artículo sea suficiente para que pueda construir su propio amplificador de potencia de audio., Espero que también te entusiasme con la construcción de tu propio amplificador.
Hay muchas cosas que se pueden mejorar en este proyecto. Tiene toda la información y los archivos necesarios, pero no necesita seguirlos al pie de la letra.
Puede utilizar componentes SMD, mejorar el circuito comparador utilizando una salida complementaria o probar el IR2011S en lugar del IR2110. Solo encienda ese soldador, Grabe su PCB y comience a trabajar. No importa si no funciona en el primer intento.
se trata de ensayo y error., Cuando finalmente escuche ese sonido nítido que proviene de su altavoz, todo valdrá la pena.
