o poderoso amplificador de classe D-construa um você mesmo e fique impressionado com a sua eficiência. O dissipador de calor mal aquece!você sempre quis construir seu próprio amplificador de potência de áudio? Um projeto eletrônico onde você não só vê os resultados, mas também os ouve?
Se a sua resposta for sim, então você deve continuar lendo este artigo sobre como construir o seu próprio amplificador de classe D. Eu explico – te como funcionam e depois guio-te passo a passo para que a magia aconteça sozinha.,o que é um amplificador de potência sonora de classe D? A resposta pode ser apenas uma frase longa: é um amplificador de comutação. Mas para entender completamente como se trabalha, preciso ensinar-te todos os seus recantos e rabanetes.vamos começar com essa primeira frase. Amplificadores tradicionais, como a classe AB, operam como dispositivos lineares. Compare isso com a troca de amplificadores, assim chamado porque os transistores de energia (os MOSFETs) estão agindo como interruptores, mudando seu estado de OFF para ON. Isso permite uma eficiência muito elevada, até 80-95%., Por causa disso, o amplificador não gera muito calor e não requer um grande dissipador de calor como os amplificadores de classe linear AB. Para comparação, o amplificador de Classe B só pode alcançar uma eficiência máxima de 78,5% (em teoria).
abaixo você pode ver o diagrama de bloco de um amplificador de classe-D PWM básico, assim como o que estamos construindo.
o sinal de entrada é convertido numa largura de impulso modulada, um sinal rectangular usando um comparador. Isto significa basicamente que a entrada é codificada no ciclo de funcionamento dos pulsos retangulares., O sinal retangular é amplificado, e então um filtro passa-baixo resulta em uma versão de maior potência do sinal analógico original.
Existem outros métodos para converter o sinal em pulsos, como a modulação ΔΣ (delta-sigma), mas para este projeto estaremos usando PWM.
modulação de largura de pulso usando um comparador
no gráfico abaixo, você pode ver como nós transformamos um sinal sinusoidal (a entrada) em um sinal retangular, comparando-o com um sinal triangular.,
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o pico positivo da onda senoidal, o ciclo de trabalho do impulso rectangular é de 100%, enquanto no pico negativo é 0%. A frequência real do sinal do triângulo é muito maior, na ordem de centenas de kHz, para que possamos extrair mais tarde o nosso sinal original.
um filtro real, não um filtro ideal, não tem uma transição perfeita de “parede de tijolo” da banda passante para a stopband, por isso queremos que o sinal do triângulo tenha uma frequência pelo menos 10 vezes superior a 20KHz, que é o limite superior de audição humana.,
estágio de potência—tudo soa bem na teoria
a teoria é um aspecto e a prática é outro. Se quisermos colocar o diagrama de bloco anterior em prática, vamos tropeçar em alguns problemas.
duas questões são o tempo de Ascensão e queda dos dispositivos na fase de potência e o fato de que estamos usando um transistor NMOS para o condutor de alto lado.,
Porque o chaveamento do Mosfet, não é feita instantaneamente, mas é mais como ir para cima e para baixo de uma colina, os transistores’ NA hora de se sobrepõem, criando uma conexão de baixa impedância entre o positivo e o negativo da fonte de alimentação trilhos. Isso faz com que um pulso de alta corrente passe através de nossos MOSFETs, o que pode levar à falha.
para evitar isso, precisamos inserir algum tempo-morto entre os sinais que conduzem os MOSFETs de lado alto e baixo., Uma maneira de conseguir isso é usar um driver MOSFET especializado de Retifier Internacional (Infineon), como o IR2110S ou IR2011S. além disso, esses ICs fornecem a tensão da porta impulsionada necessária para os NMOS de alto lado.
Filtro de baixa passagem
para a fase de filtragem, uma das melhores formas de o fazer é usar um filtro Butterworth.
Estes tipos de filtros têm uma resposta plana na banda passante., Isto significa que o sinal que queremos alcançar não será demasiado atenuado.queremos filtrar frequências superiores a 20 kHz. A frequência de corte é calculada em-3dB, então queremos que seja um pouco maior para não filtrar sons que queremos ouvir. É melhor escolher algo entre 40 e 60 kHz. O factor de qualidade \.,
Estas são as fórmulas utilizadas para calcular os valores do indutor e do capacitor:
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a Construção de Seu DIY Amplificador (Lucas-A-Aquecido)
Agora que sabemos como um amplificador Classe-D funciona, vamos construir um.
Em Primeiro Lugar, eu nomeei este amplificador Luke-the-Warm porque o dissipador de calor apenas se aquece, em oposição a um amplificador classe AB, cujo dissipador de calor pode ficar bastante quente se não ativamente resfriado.
abaixo você pode ver o esquema do amplificador que eu projetei., É baseado no projeto de referência IRAUDAMP1 da International Rectifier (Infineon). A principal diferença é que em vez de ΔΣ modulação, o meu usa PWM.
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agora vou dizer-lhe algumas escolhas de design e como os componentes trabalham uns com os outros. Vamos começar do lado esquerdo.
circuito de entrada
para o circuito de entrada, decidi que era melhor usar um filtro de alta passagem seguido de um filtro de baixa passagem. É simples.,
Gerador de triângulo
para o gerador de triângulo, eu usei um LMC555, que é a variante CMOS do famoso chip 555. A carga e descarga do capacitor produz um belo triângulo, que não é perfeito (ele sobe e cai exponencialmente), mas se os tempos de subida e queda são iguais, ele funciona perfeitamente.
os valores do resistor e do capacitor definem uma frequência de aproximadamente 200kHz. Mais alto do que isto e vamos ter problemas porque o comparador e o condutor MOSFET não são os dispositivos mais rápidos.,
comparador
para o comparador, pode usar o componente que quiser—só tem de ser rápido. Usei o que tinha disponível, o LM393AP. A 300ns tempo de resposta, não é o mais rápido e pode definitivamente ser melhorado, mas ele faz o trabalho. Se você quiser usar outros ICs, apenas tenha o cuidado de verificar se os pinos correspondem ou você terá que modificar o projeto PCB.
em teoria, um op-amp pode ser usado como um comparador, mas na realidade op-amps são projetados para outros tipos de trabalho, então certifique-se de usar um comparador real.,
porque precisamos de duas saídas do comparador, uma para o condutor de alto-lado e outra para o condutor de baixo-lado, decidi usar o LM393AP. Isto são dois comparadores num pacote, e nós trocamos as entradas pelo segundo comparador. Outra abordagem é usar um comparador que tem duas saídas, como o LT1016 da tecnologia Linear. Estes dispositivos podem oferecer um desempenho um pouco melhor, mas também podem ser mais caros.estes comparadores são alimentados por uma fonte bipolar de 5V, fornecida por dois díodos zener que regulam a tensão a partir da fonte de alimentação principal, que é de ±30V.,
Mosfet Driver
para o MOSFET driver, escolhi usar o IR2110. Uma alternativa é a IR2011, que é utilizada no projeto de referência. Este circuito integrado assegura-se de adicionar o tempo morto de que falei na seção anterior.
porque o pin VSS do IC Está ligado à fonte de alimentação negativa, precisamos nivelar os sinais do comparador. Isto é feito usando transistor PNP e díodos 1N4148.,
para conduzir os MOSFETs, alimentamos o IR2110 com 12V referenciado à tensão de alimentação negativa; esta tensão é gerada usando um BD241 em conjunto com um zener de 12V. O MOSFET de alto lado precisa ser conduzido por uma tensão de porta que é cerca de 12V acima do nó de comutação, VS. isso requer uma tensão que é maior do que a fonte positiva; o IR2110 fornece esta tensão de transmissão com a ajuda do nosso capacitor bootstrap, C10.
Filtro
finalmente o filtro., A frequência de corte é de 40kHz, e a resistência à carga é de 4 ohms porque temos um alto-falante de 4 ohms (os valores utilizados aqui também funcionarão com um alto-falante de 8 ohms, mas é melhor ajustar o filtro de acordo com o alto-falante que você escolher). Com esta informação podemos calcular os valores do indutor e do capacitor:
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podemos arredondar para baixo para 22µH.
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O mais próximo valor padrão é 680nF.,
Notas sobre Build
Agora que você sabe tudo sobre o funcionamento interno, tudo que você tem que fazer é ler muito cuidadosamente as próximas linhas, baixar os arquivos abaixo, comprar os componentes necessários, gravar o PCB, e começar a montar.
filtro passa-baixa
para o filtro passa-baixa, pode usar um condensador 680nF para se aproximar o mais possível do valor calculado, mas também pode usar um condensador 1µF sem qualquer problema (desenhei o PCB para que possa usar dois condensadores em paralelo para misturar e combinar).,estes condensadores precisam ser de polipropileno ou poliéster—em geral não é uma grande ideia usar condensadores cerâmicos com sinais de áudio. E você precisa ter certeza de que os capacitores que você está usando para filtragem são classificados para alta voltagem, pelo menos 100VAC (mais não dói). O resto dos capacitores no projeto também precisa ter um índice de voltagem appropiate.
desenhei este amplificador para uma potência de saída de cerca de 100-150W. deve usar uma fonte de alimentação bipolar com Carris ±30V., Você pode ir mais alto do que isso, mas para tensões de cerca de ±40V você precisa ter certeza de que você muda os valores das resistências R4 e R5 para 2K2.
não é necessário, mas altamente recomendado que você use um heatink para BD241C como ele fica bastante quente.
MOSFETs
as far as power MOSFETs go, I suggest using the IRF540N or the IRFB41N15D. These MOSFETs have low gate charge for faster switching and low RDS (on) for lower power consumption. Você também precisa garantir que o MOSFET tem um nível máximo de VDS (tensão de fuga Para fonte) adequado., Você poderia usar o IRF640N, mas o RDS (on) é significativamente maior, levando a um amplificador com menor eficiência., 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., Tem de ser pó de ferro; ferrite pode funcionar, mas vai precisar de uma abertura ou vai saturar. Usando o dito toróide, vento 40 voltas de 0,8 – 1mm de diâmetro (AWG20-18) fio esmaltado de cobre. É isso. Não te preocupes se não for perfeito, aperta bem.
resistências
Finalmente, todas as resistências, a menos que anotado (R4, R5), são 1/4W.
testando
quando desenhei o PCB, Fi-lo de modo que seja muito fácil de testar. O sinal de entrada tem o seu próprio conector e existem dois terminais spade para o solo: um para a fonte de alimentação e um para o altifalante.,
para remover o ruído de zumbido (50/60 Hz, da frequência da rede principal), usei uma configuração star-ground; isto significa ligar todos os motivos (Solo amplificador, solo de sinal e solo de altifalante) no mesmo ponto, de preferência no PCB de alimentação de energia, após o circuito retificador.
a lista completa de materiais pode ser encontrada nos arquivos abaixo, onde você também pode encontrar os arquivos PCB tanto em formato PDF e como arquivos KiCAD. Goodies.zip
Pensamentos finais
espero que a informação neste artigo seja suficiente para você construir seu próprio amplificador de potência de áudio., Espero que também te entusiasme a construir o teu próprio amplificador.
há muitas coisas que podem ser melhoradas neste projeto. Você tem todas as informações e arquivos necessários, mas você não precisa segui-los à letra.
pode usar componentes SMD, melhorar o circuito comparador usando um de saída complementar, ou tentar os IR2011S em vez do IR2110. Liga o ferro de soldar, grava o PCB e começa a trabalhar. Não importa se não funciona na primeira tentativa.
é tudo sobre tentativa e erro., Quando finalmente ouvir o som nítido do seu altifalante, tudo valerá a pena.
