Il potente amplificatore in Classe D-costruire uno da soli e di essere stupito dalla sua efficienza. Il dissipatore di calore si scalda a malapena!
Avete sempre voluto costruire il proprio amplificatore di potenza audio? Un progetto elettronico in cui non solo si vedono i risultati ma anche li si sente?
Se la tua risposta è sì, allora dovresti continuare a leggere questo articolo su come costruire il tuo amplificatore in classe D. Ti spiegherò come funzionano e poi ti guiderò passo dopo passo per far sì che la magia accada da sola.,
Nozioni di base teoriche
Che cosa è un amplificatore di potenza audio in classe D? La risposta potrebbe essere solo una frase lunga: Si tratta di un amplificatore di commutazione. Ma per capire appieno come funziona, ho bisogno di insegnarti tutti i suoi angoli.
Iniziamo con quella prima frase. Gli amplificatori tradizionali, come la classe AB, funzionano come dispositivi lineari. Confrontalo con gli amplificatori switching, così chiamati perché i transistor di potenza (i MOSFET) agiscono come interruttori, cambiando il loro stato da OFF a ON. Ciò consente un’efficienza molto elevata, fino all ‘ 80-95%., Per questo motivo, l’amplificatore non genera molto calore e non richiede un grande dissipatore di calore come fanno gli amplificatori lineari in classe AB. Per confronto, l’amplificatore in classe B può raggiungere solo un’efficienza massima del 78,5% (in teoria).
Di seguito potete vedere lo schema a blocchi di un amplificatore PWM di base in Classe D, proprio come quello che stiamo costruendo.
Il segnale di ingresso viene convertito in un segnale rettangolare modulato in larghezza di impulso utilizzando un comparatore. Ciò significa fondamentalmente che l’ingresso è codificato nel ciclo di lavoro degli impulsi rettangolari., Il segnale rettangolare viene amplificato, e quindi un filtro passa-basso si traduce in una versione ad alta potenza del segnale analogico originale.
Esistono altri metodi per convertire il segnale in impulsi, come la modulazione ΔΣ (delta-sigma), ma per questo progetto useremo PWM.
Pulse-Width Modulation Using a Comparator
Nel grafico sottostante, puoi vedere come trasformiamo un segnale sinusoidale (l’ingresso) in un segnale rettangolare confrontandolo con un segnale triangolare.,
Clicca per ingrandire
Al picco positivo dell’onda sinusoidale, il ciclo di lavoro dell’impulso rettangolare è del 100% mentre al picco negativo è dello 0%. La frequenza effettiva del segnale triangolare è molto più alta, dell’ordine di centinaia di kHz, in modo che possiamo in seguito estrarre il nostro segnale originale.
Un filtro reale, non ideale, non ha una transizione “brick-wall” perfetta dalla banda passante alla banda passante, quindi vogliamo che il segnale triangolare abbia una frequenza almeno 10 volte superiore a 20kHz, che è il limite superiore dell’udito umano.,
Power Stage—Tutto suona bene in teoria
La teoria è un aspetto e la pratica è un altro. Se vogliamo mettere in pratica il precedente schema a blocchi, ci imbatteremo in alcuni problemi.
Due problemi sono il tempo di salita e discesa dei dispositivi nello stadio di potenza e il fatto che stiamo usando un transistor NMOS per il driver high-side.,
Perché la commutazione dei Mosfet non avviene istantaneamente, ma è come andare su e giù per una collina, il transistor NEL tempo e si sovrappongono, creando una bassa impedenza di connessione tra il positivo e il negativo dell’alimentatore guide. Ciò fa sì che un impulso di corrente elevata passi attraverso i nostri MOSFET, il che può portare a guasti.
Per evitare questo, abbiamo bisogno di inserire un po ‘ di tempo morto tra i segnali che guidano i MOSFET lato alto e basso., Un modo per raggiungere questo obiettivo è quello di utilizzare un driver MOSFET specializzato da International Rectifier (Infineon), come il IR2110S o IR2011S. Inoltre, questi circuiti integrati forniscono la tensione di gate potenziata necessaria per il lato alto NMOS.
Filtro passa-basso
Per la fase di filtraggio, uno dei modi migliori per farlo è usare un filtro Butterworth.
Questi tipi di filtri hanno una risposta molto piatta nella banda passante., Ciò significa che il segnale che vogliamo raggiungere non sarà attenuato troppo.
Vogliamo filtrare frequenze superiori a 20 kHz. La frequenza di cut-off è calcolata a-3dB, quindi vogliamo che sia un po ‘ più alta per non filtrare i suoni che vogliamo sentire. È meglio scegliere qualcosa tra 40 e 60 kHz. Il fattore qualità \.,
Queste sono le formule usate per calcolare i valori dell’induttore e del condensatore:
\
\
Costruire il Vostro fai da te Amplificatore (Luca-Il-Caldo)
Ora che sappiamo come un amplificatore in Classe D opere, costruiamo uno.
Prima di tutto, ho chiamato questo amplificatore Luke-The-Warm perché il dissipatore di calore si scalda appena, al contrario di un amplificatore in classe AB, il cui dissipatore di calore può diventare piuttosto caldo se non si raffredda attivamente.
Qui sotto potete vedere lo schema dell’amplificatore che ho progettato., Si basa sul design di riferimento IRAUDAMP1 di International Rectifier (Infineon). La differenza principale è che invece della modulazione ΔΣ, la mia utilizza PWM.
Clicca per ingrandire
Ora ti dirò alcune scelte progettuali e come i componenti funzionano tra loro. Iniziamo dal lato sinistro.
Circuito di ingresso
Per il circuito di ingresso, ho deciso che era meglio usare un filtro passa-alto seguito da un filtro passa-basso. È così semplice.,
Triangle Generator
Per il triangle generator, ho usato un LMC555, che è la variante CMOS del famoso chip 555. La carica e la scarica del condensatore produce un bel triangolo, che non è perfetto (sale e scende in modo esponenziale) ma se i tempi di salita e discesa sono uguali, funziona perfettamente.
I valori del resistore e del condensatore impostano una frequenza di circa 200kHz. Qualsiasi superiore a questo e ci troveremo nei guai perché il comparatore e il driver MOSFET non sono i dispositivi più veloci.,
Comparatore
Per il comparatore, è possibile utilizzare qualsiasi componente si desidera—ha solo bisogno di essere veloce. Ho usato quello che avevo a disposizione, il LM393AP. A 300ns tempo di risposta, non è il più veloce e può sicuramente essere migliorata, ma fa il lavoro. Se si desidera utilizzare altri circuiti integrati, basta fare attenzione a controllare che i pin corrispondano o sarà necessario modificare il design del PCB.
In teoria, un op-amp può essere usato come comparatore, ma in realtà gli op-amp sono progettati per altri tipi di lavoro, quindi assicurati di usare un vero comparatore.,
Poiché abbiamo bisogno di due uscite dal comparatore, una per il driver high-side e una per il driver low-side, ho deciso di utilizzare LM393AP. Si tratta di due comparatori in un unico pacchetto e scambiamo gli input per il secondo comparatore. Un altro approccio è quello di utilizzare un comparatore che ha due uscite, come il LT1016 da Linear Technology. Questi dispositivi possono offrire prestazioni leggermente migliorate, ma potrebbero anche essere più costosi.
Questi comparatori sono alimentati da un’alimentazione bipolare 5V, fornita da due diodi zener che regolano la tensione dall’alimentazione principale, che è ±30V.,
Driver MOSFET
Per il driver MOSFET, ho scelto di utilizzare l’IR2110. Un’alternativa è l’IR2011, che viene utilizzato nel progetto di riferimento. Questo circuito integrato fa in modo di aggiungere quel tempo morto che ho parlato nella sezione precedente.
Poiché il pin VSS dell’IC è legato all’alimentazione negativa, è necessario livellare i segnali dal comparatore. Questo viene fatto usando transistor PNP e diodi 1N4148.,
Per pilotare i MOSFET, alimentiamo l’IR2110 con 12V riferito alla tensione di alimentazione negativa; questa tensione viene generata utilizzando un BD241 in combinazione con uno zener 12V. Il MOSFET high side deve essere guidato da una tensione di gate che è circa 12V sopra il nodo di commutazione, VS. Ciò richiede una tensione superiore all’alimentazione positiva; l’IR2110 fornisce questa tensione di azionamento con l’aiuto del nostro condensatore bootstrap, C10.
Filtro
Infine il filtro., La frequenza di cut-off è 40KHz e la resistenza di carico è 4 ohm perché abbiamo un altoparlante da 4 ohm (i valori utilizzati qui funzioneranno anche con un altoparlante da 8 ohm, ma è meglio regolare il filtro in base all’altoparlante scelto). Con queste informazioni possiamo calcolare i valori dell’induttore e del condensatore:
\
Possiamo tranquillamente arrotondare fino a 22µH.
\
Il valore standard più vicino è 680nF.,
Note su Build
Ora che sapete tutto sul funzionamento interno, tutto quello che dovete fare è leggere con molta attenzione le prossime righe, scaricare i file qui sotto, acquistare i componenti necessari, incidere il PCB, e iniziare il montaggio.
Filtro passa-basso
Per il filtro passa-basso, è possibile utilizzare un condensatore 680nF per avvicinarsi il più possibile al valore calcolato, ma è anche possibile utilizzare un condensatore da 1µF senza problemi (ho progettato il PCB in modo da poter utilizzare due condensatori in parallelo per mescolare e abbinare).,
Questi condensatori devono essere in polipropilene o poliestere—in generale non è una grande idea usare condensatori ceramici con segnali audio. Ed è necessario assicurarsi che i condensatori che si sta utilizzando per il filtraggio sono classificati per alta tensione, almeno 100VAC (più non fa male). Anche il resto dei condensatori nel design deve avere una tensione nominale appropriata.
Ho progettato questo amplificatore per una potenza di uscita di circa 100-150W. Dovresti usare un alimentatore bipolare con rotaie ±30V., Si può andare più in alto di questo, ma per tensioni di circa ±40V è necessario assicurarsi di modificare i valori dei resistori R4 e R5 a 2K2.
Non è necessario, ma si consiglia vivamente di utilizzare un dissipatore di calore per BD241C poiché diventa piuttosto caldo.
MOSFET
Per quanto riguarda i MOSFET di potenza, suggerisco di utilizzare IRF540N o IRFB41N15D. Questi MOSFET hanno una bassa carica di gate per una commutazione più rapida e un basso RDS(on) per un consumo energetico inferiore. È inoltre necessario assicurarsi che il MOSFET abbia una valutazione VDS (drain-to-source voltage) massima adeguata., È possibile utilizzare l’IRF640N, ma l’RDS (on) è significativamente più alto, portando ad un amplificatore con minore efficienza., 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., Deve essere polvere di ferro; la ferrite può funzionare ma avrà bisogno di uno spazio o si saturerà. Utilizzando il detto toroide, vento 40 giri di 0.8-1mm di diametro (AWG20-18) filo di rame smaltato. Ecco fatto. Non preoccupatevi se non è perfetto-basta farlo stretto.
Resistenze
Infine, tutti i resistori, a meno che non indicato (R4, R5), sono 1/4 W.
Test
Quando ho progettato il PCB, ho fatto in modo che è molto facile da testare. Il segnale di ingresso ha un proprio connettore e ci sono due terminali a forcella per la terra: uno per l’alimentazione e uno per l’altoparlante.,
Per rimuovere il rumore di ronzio (50/60 Hz, dalla frequenza di rete), ho usato una configurazione a stella; questo significa collegare tutti i motivi (massa amplificatore, massa segnale e massa altoparlante) nello stesso punto, preferibilmente sulla scheda di alimentazione, dopo il circuito raddrizzatore.
La Distinta base completa può essere trovata nei file qui sotto, dove è anche possibile trovare i file PCB sia in formato PDF che come file KiCad.
Chicche.zip
Considerazioni finali
Spero che le informazioni contenute in questo articolo siano sufficienti per costruire il proprio amplificatore di potenza audio., Spero che ti entusiasmi anche di costruire il tuo amplificatore.
Ci sono molte cose che possono essere migliorate in questo progetto. Hai tutte le informazioni e i file necessari, ma non è necessario seguirli alla lettera.
È possibile utilizzare componenti SMD, migliorare il circuito del comparatore utilizzando uno di uscita complementare, o provare il IR2011S invece del IR2110. Basta accendere quel saldatore, incidere il PCB e iniziare a lavorare. Non importa se non funziona al primo tentativo.
Si tratta di tentativi ed errori., Quando finalmente sentirai quel suono nitido proveniente dal tuo altoparlante, ne varrà la pena.
