amplificatorul puternic de clasă D-construiți unul singur și fiți uimiți de eficiența acestuia. Radiatorul abia se încălzește!
ați dorit întotdeauna să vă construiți propriul amplificator de putere audio? Un proiect electronic în care nu numai că vedeți rezultatele, ci și le auziți?dacă răspunsul dvs. este da, atunci ar trebui să continuați să citiți acest articol despre cum să vă construiți propriul amplificator de clasă D. Vă voi explica cum funcționează și apoi vă voi ghida pas cu pas pentru a face magia să se întâmple de unul singur.,
Noțiuni de bază teoretice
Ce este un amplificator de putere audio clasa D? Răspunsul ar putea fi doar o propoziție lungă: este un amplificator de comutare. Dar pentru a înțelege pe deplin cum funcționează unul, trebuie să te învăț toate ungherele și crăpăturile sale.
să începem cu prima propoziție. Amplificatoarele tradiționale, precum clasa AB, funcționează ca dispozitive liniare. Comparați acest lucru cu amplificatoarele de comutare, așa numite deoarece tranzistoarele de putere (MOSFET) acționează ca întrerupătoare, schimbându-și starea de la oprit la PORNIT. Acest lucru permite o eficiență foarte ridicată, de până la 80 – 95%., Din acest motiv, amplificatorul nu generează multă căldură și nu necesită un radiator mare, cum ar fi amplificatoarele liniare din clasa AB. Pentru comparație, amplificatorul de clasă B poate obține doar o eficiență maximă de 78, 5% (teoretic).
mai jos puteți vedea diagrama bloc a unui amplificator de bază PWM Class-D, la fel ca cel pe care îl construim.
semnalul de intrare este convertit într-un semnal dreptunghiular cu lățimea impulsului, folosind un comparator. Aceasta înseamnă practic că intrarea este codificată în ciclul de funcționare al impulsurilor dreptunghiulare., Semnalul dreptunghiular este amplificat, iar apoi un filtru low-pass are ca rezultat o versiune de putere mai mare a semnalului analogic original.există și alte metode de conversie a semnalului în impulsuri, cum ar fi modularea ΔΣ (delta-sigma), dar pentru acest proiect vom folosi PWM.în graficul de mai jos, puteți vedea cum transformăm un semnal sinusoidal (intrarea) într-un semnal dreptunghiular comparându-l cu un semnal triunghiular.,
Click pentru a mari
La pozitiv vârf de undă sinusoidală, ciclul de puls dreptunghiular este de 100% în timp ce la vârf negativ este 0%. Frecvența reală a semnalului triunghi este mult mai mare, de ordinul a sute de kHz, astfel încât să putem extrage mai târziu semnalul nostru original.un filtru real ,nu unul ideal, nu are o tranziție perfectă „zid de cărămidă” de la banda de trecere la banda de oprire, așa că dorim ca semnalul triunghiului să aibă o frecvență de cel puțin 10 ori mai mare decât 20kHz, care este limita superioară a auzului uman.,
Power Stage-totul sună bine în teorie
teoria este un aspect și practica este alta. Dacă dorim să punem în practică diagrama bloc anterioară, ne vom împiedica de unele probleme.
două probleme sunt timpul de creștere și cădere a dispozitivelor în stadiul de putere și faptul că folosim un tranzistor NMOS pentru driverul de înaltă parte.,
Pentru comutarea Mosfet nu se face instantaneu, ci este mai degrabă merge în sus și în jos un deal, tranzistori cu timpul se vor suprapune, creând o impedanță joasă legătură între pozitiv și negativ alimentare șine. Acest lucru face ca un impuls de curent ridicat să treacă prin MOSFET-urile noastre, ceea ce poate duce la eșec.pentru a preveni acest lucru, trebuie să introducem ceva timp mort între semnalele care conduc MOSFET-urile laterale înalte și joase., O modalitate de a realiza acest lucru este de a utiliza o specialitate MOSFET driver de la International Rectifier (Infineon), cum ar fi IR2110S sau IR2011S. În plus, aceste ICs oferi amplificat poarta de tensiune necesar pentru mare parte NMOS.
filtru trece-jos
pentru etapa de filtrare, una dintre cele mai bune metode de a face acest lucru este de a utiliza un filtru Butterworth.
Aceste tipuri de filtre au un răspuns plat în banda de trecere., Aceasta înseamnă că semnalul pe care dorim să îl realizăm nu va fi atenuat prea mult.dorim să filtrăm frecvențele care sunt mai mari de 20 kHz. Frecvența de întrerupere este calculată la-3dB, așa că vrem să fie puțin mai mare pentru a nu filtra sunetele pe care vrem să le auzim. Cel mai bine este să alegeți ceva între 40 și 60 kHz. Factorul de calitate \.,
Acestea sunt formulele folosite pentru a calcula valorile de inductor și condensator:
\
\
Construirea Amplificator DIY (Luca-La-Cald)
Acum, că știm cum o Clasa-D amplificator funcționează, să construiască unul.în primul rând, am numit acest amplificator Luke-the-Warm, deoarece radiatorul abia se încălzește, spre deosebire de un amplificator de clasă AB, al cărui radiator poate deveni destul de fierbinte dacă nu este răcit activ.mai jos puteți vedea schema amplificatorului pe care l-am proiectat., Ea se bazează pe proiectarea de referință IRAUDAMP1 de redresor internațional (Infineon). Principala diferență este că în loc de modularea ΔΣ, mina folosește PWM.
Click pentru a mari
acum vă voi spune unele alegeri de design și modul în care componentele de lucru cu fiecare alte. Să începem din partea stângă.
circuitele de intrare
pentru circuitele de intrare, am decis că este mai bine să folosiți un filtru high-pass urmat de un filtru low-pass. Este atât de simplu.,
Generator triunghi
pentru generatorul triunghi, am folosit un lmc555, care este varianta CMOS a celebrului cip 555. Încărcarea și descărcarea condensatorului produce un triunghi frumos, care nu este perfect (se ridică și cade exponențial), dar dacă timpii de creștere și cădere sunt egali, funcționează perfect.valorile rezistorului și condensatorului stabilesc o frecvență de aproximativ 200KHz. Orice mai mare decât aceasta și vom avea probleme, deoarece comparatorul și driverul MOSFET nu sunt cele mai rapide dispozitive.,
Comparator
pentru comparator, puteți utiliza orice componentă doriți—trebuie doar să fie rapidă. Am folosit ceea ce am avut la dispoziție, LM393AP. La timpul de răspuns 300ns, nu este cel mai rapid și poate fi cu siguranță îmbunătățit, dar face treaba. Dacă doriți să utilizați alte IC-uri, trebuie doar să aveți grijă să verificați dacă pinii se potrivesc sau va trebui să modificați designul PCB.în teorie, un op-amp poate fi folosit ca un comparator, dar în realitate op-amperi sunt proiectate pentru alte tipuri de lucru, deci asigurați-vă că utilizați un comparator real.,deoarece avem nevoie de două ieșiri de la comparator, una pentru șoferul de pe partea superioară și una pentru șoferul de pe partea inferioară, am decis să folosesc lm393ap. Acestea sunt două comparatoare într-un singur pachet și schimbăm doar intrările pentru al doilea comparator. O altă abordare este utilizarea unui comparator care are două ieșiri, cum ar fi LT1016 din tehnologia liniară. Aceste dispozitive pot oferi performanțe oarecum îmbunătățite, dar ar putea fi și mai scumpe.aceste comparatoare sunt alimentate de o sursă bipolară de 5V, furnizată de două diode zener care reglează tensiunea de la sursa principală de alimentare, care este de ±30V.,
MOSFET Driver
Pentru MOSFET driver, am ales să folosesc IR2110. O alternativă este IR2011, care este utilizat în proiectarea de referință. Acest circuit integrat asigură adăugarea acelui timp mort despre care am vorbit în secțiunea anterioară.deoarece pinul VSS al IC este legat de sursa de alimentare negativă, trebuie să schimbăm nivelul semnalelor de la comparator. Acest lucru se face folosind tranzistorul PNP și diodele 1N4148.,pentru a conduce MOSFET-urile, alimentăm IR2110 cu 12V referit la tensiunea de alimentare negativă; această tensiune este generată folosind un BD241 împreună cu un zener de 12V. Partea înaltă MOSFET trebuie să fie condusă de o tensiune de poartă care este de aproximativ 12V deasupra nodului de comutare, VS. aceasta necesită o tensiune mai mare decât alimentarea pozitivă; IR2110 furnizează această tensiune de antrenare cu ajutorul condensatorului nostru bootstrap, C10.
filtru
în cele din urmă filtrul., Frecvența de întrerupere este de 40KHz, iar rezistența la sarcină este de 4 ohmi, deoarece avem un difuzor de 4 ohmi (valorile utilizate aici vor funcționa și cu un difuzor de 8 ohmi, dar cel mai bine este să reglați filtrul în funcție de difuzorul pe care îl alegeți). Cu această informație, putem calcula valorile de inductor și condensator:
\
putem rotunji la 22µH.
\
Cea mai apropiată valoare standard este 680nF., acum că știți totul despre lucrările interioare, tot ce trebuie să faceți este să citiți cu atenție următoarele rânduri, să descărcați fișierele de mai jos, să cumpărați componentele necesare, să etchați PCB-ul și să începeți asamblarea.pentru filtrul low-pass, puteți utiliza un condensator 680nf pentru a vă apropia cât mai mult de valoarea calculată, dar puteți utiliza, de asemenea, un condensator 1µf fără probleme (am proiectat PCB-ul astfel încât să puteți utiliza două condensatoare în paralel pentru a se amesteca și potrivi).,aceste condensatoare trebuie să fie din polipropilenă sau poliester—în general, nu este o idee grozavă să folosiți condensatoare ceramice cu semnale audio. Și trebuie să vă asigurați că condensatoarele pe care le utilizați pentru filtrare sunt evaluate pentru tensiune înaltă, cel puțin 100vac (mai mult nu doare). Restul condensatoarelor din proiectare trebuie, de asemenea, să aibă o tensiune adecvată. am proiectat acest amplificator pentru o putere de ieșire de aproximativ 100-150W. ar trebui să utilizați o sursă de alimentare bipolară cu șine ±30V., Puteți merge mai sus decât aceasta, dar pentru tensiuni de aproximativ ±40V trebuie să vă asigurați că modificați valorile rezistențelor R4 și R5 la 2K2.
nu este necesar, dar foarte recomandat să utilizați un radiator pentru BD241C, deoarece devine destul de fierbinte.
Valoare
Cât de departe Mosfet de putere du-te, îți sugerez să utilizați IRF540N sau IRFB41N15D. Aceste Mosfet au scăzut poarta responsabil pentru mai rapid de comutare și low RDS(on) pentru consum redus de energie. De asemenea, trebuie să vă asigurați că MOSFET are o tensiune maximă adecvată VDS (tensiune de scurgere la sursă)., Puteți utiliza IRF640N, dar RDS(on) este semnificativ mai mare, ceea ce duce la un amplificator cu eficiență mai mică., 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., Trebuie să fie pulbere de fier; ferita poate funcționa, dar va avea nevoie de un gol sau se va satura. Folosind toroidul menționat, vânt 40 de rotații cu diametrul de 0,8-1 mm (AWG20-18) sârmă emailată din cupru. Asta e. Nu vă faceți griji dacă nu este perfect—faceți-l strâns.în cele din urmă, toate rezistențele, cu excepția cazului în care sunt notate (R4, R5), sunt 1/4W.
testare
când am proiectat PCB-ul, am făcut-o astfel încât să fie foarte ușor de testat. Semnalul de intrare are un conector propriu și există două terminale pentru împământare: unul pentru sursa de alimentare și unul pentru difuzor.,pentru a elimina zgomotul zumzet (50/60 Hz, din frecvența rețelei), am folosit o configurație stea-sol; aceasta înseamnă conectarea tuturor motivelor (sol amplificator, sol semnal și sol difuzor) în același punct, de preferință pe PCB-ul de alimentare, după circuitul redresorului.lista completă a materialelor poate fi găsită în fișierele de mai jos, unde puteți găsi și fișierele PCB atât în format PDF, cât și ca fișiere KiCAD.
bunatati.zip
Gânduri finale
sper că informațiile din acest articol sunt suficiente pentru a vă construi propriul amplificator de putere audio., Sper că, de asemenea, devine excitat despre construirea propriul amplificator.
există multe lucruri care pot fi îmbunătățite în acest proiect. Aveți toate informațiile și fișierele necesare, dar nu trebuie să le urmați la scrisoare.
puteți utiliza componente SMD, puteți îmbunătăți circuitul comparatorului utilizând unul de ieșire complementar sau puteți încerca IR2011S în loc de IR2110. Doar porniți fierul de lipit, etch PCB-ul și începeți să lucrați. Nu contează dacă nu funcționează la prima încercare.
este vorba despre încercare și eroare., Când veți auzi în sfârșit acel sunet clar care vine de la difuzorul dvs., totul va merita.
