Samooscylujący wzmacniacz klasy D o mocy 350 W: 8 stopni

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Wprowadzenie i dlaczego zrobiłem to instruktażowe:

W Internecie jest mnóstwo tutoriali pokazujących ludziom, jak zbudować własne wzmacniacze w klasie D. Są wydajne, łatwe do zrozumienia i wszystkie wykorzystują tę samą ogólną topologię. Jedna część obwodu generuje falę trójkątną o wysokiej częstotliwości, która jest porównywana z sygnałem audio, aby modulować włączanie i wyłączanie przełączników wyjściowych (prawie zawsze tranzystorów MOSFET). Większość tych konstrukcji „zrób to sam w klasie D” nie ma sprzężenia zwrotnego, a te, które brzmią czysto tylko w zakresie basów. Tworzą one dość akceptowalne wzmacniacze subwoofera, ale mają znaczne zniekształcenia w obszarach wysokich tonów. Te bez sprzężenia zwrotnego, ze względu na czas martwy wymagany do przełączania MOSFET, mają przebieg wyjściowy, który wygląda trochę jak fala trójkątna, w przeciwieństwie do fali sinusoidalnej. Obecne są znaczące niepożądane harmoniczne, co prowadzi do zauważalnego spadku jakości dźwięku, co sprawia, że muzyka brzmi jakby wydobywała się z trąbki. Nieco trąbki, niezbyt mocny dźwięk mojego poprzedniego wzmacniacza w klasie D jest powodem, dla którego zdecydowałem się zbadać i zbudować wzmacniacz przy użyciu tej niejasnej, niewykorzystanej topologii.

Jednak klasyczny „trójkątny komparator fali” to nie jedyny sposób na skonstruowanie wzmacniacza w klasie D. Jest lepszy sposób. Zamiast mieć oscylator modulujący sygnał, dlaczego nie uczynić oscylatorem całego wzmacniacza? Wyjściowe tranzystory MOSFET są sterowane (poprzez odpowiedni obwód napędowy) przez wyjście komparatora z wejściem dodatnim odbierającym przychodzące audio i wejściem ujemnym odbierającym (zmniejszoną) wersję napięcia wyjściowego wzmacniacza. Histereza jest wykorzystywana w komparatorze do regulacji częstotliwości pracy i zapobiegania niestabilnym trybom rezonansowym o wysokiej częstotliwości. Ponadto na wyjściu zastosowano sieć tłumiącą RC, aby stłumić dzwonienie przy częstotliwości rezonansowej filtra wyjściowego i zmniejszyć przesunięcie fazowe do prawie 90 stopni przy częstotliwości roboczej wzmacniacza około 100 kHz. Pominięcie tego prostego, ale krytycznego filtra spowoduje samozniszczenie wzmacniacza, ponieważ może powstać napięcie kilkuset woltów, niszcząc natychmiast kondensatory filtrujące.

Zasada działania:

Załóżmy, że wzmacniacz jest uruchamiany jako pierwszy i wszystkie napięcia są na zero. Ze względu na swoją histerezę komparator zdecyduje się ciągnąć wyjście dodatnie lub ujemne. W tym przykładzie założymy, że komparator ciągnie wynik ujemny. W ciągu kilkudziesięciu mikrosekund napięcie wyjściowe wzmacniacza spadło na tyle, aby odwrócić komparator i ponownie zwiększyć napięcie, a cykl ten powtarza się około 60 do 100 tysięcy razy na sekundę, utrzymując pożądane napięcie na wyjściu. Ze względu na wysoką impedancję cewki filtrującej i niską impedancję kondensatora filtrującego przy tej częstotliwości, na wyjściu nie ma zbyt wiele szumów, a ze względu na wysoką częstotliwość roboczą jest znacznie powyżej słyszalnego zakresu. Jeśli napięcie wejściowe wzrośnie, napięcie wyjściowe wzrośnie na tyle, że napięcie sprzężenia zwrotnego osiągnie napięcie wyjściowe. W ten sposób uzyskuje się wzmocnienie.

Zalety w stosunku do standardowej klasy D:

1. Niezwykle niska impedancja wyjściowa: ponieważ wyjściowe tranzystory MOSFET nie przełączą się z powrotem, dopóki nie zostanie osiągnięte pożądane napięcie wyjściowe po osiągnięciu filtra, impedancja wyjściowa jest praktycznie zerowa. Nawet przy 0,1 V różnicy między rzeczywistym a pożądanym napięciem wyjściowym obwód będzie zrzucał ampery na wyjście, dopóki napięcie nie odwróci komparatora z powrotem (lub coś wybuchnie).

2. Zdolność do czystego sterowania obciążeniami reaktywnymi: Ze względu na wyjątkowo niską impedancję wyjściową, samooscylująca klasa D może napędzać wielodrożne systemy głośnikowe z dużymi spadkami i szczytami impedancji z bardzo małymi zniekształceniami harmonicznymi. Systemy subwooferów z portami o niskiej impedancji przy częstotliwości rezonansowej portu są doskonałym przykładem głośnika, który bez sprzężenia zwrotnego wzmacniacza z „trójkątną falą porównawczą” miałby problemy z dobrym wysterowaniem.

3. Szeroka charakterystyka częstotliwościowa: Wraz ze wzrostem częstotliwości wzmacniacz będzie próbował skompensować to poprzez większą zmianę cyklu pracy, aby utrzymać napięcie sprzężenia zwrotnego dopasowane do napięcia wejściowego. Ze względu na tłumienie przez filtr wysokich częstotliwości, wysokie częstotliwości zaczną się obcinać przy niższym poziomie napięcia niż niższe, ale ze względu na to, że muzyka ma znacznie więcej mocy elektrycznej w tonach niskich niż w tonach wysokich (w przybliżeniu rozkład 1/f, więcej, jeśli użyj wzmocnienia basów), to nie jest żaden problem.

4. Stabilność: Jeśli jest odpowiednio zaprojektowany i posiada sieć tłumiącą na miejscu, prawie 90-stopniowy margines fazowy filtra wyjściowego przy częstotliwości roboczej zapewnia, że wzmacniacz nie stanie się niestabilny, nawet podczas jazdy z dużymi obciążeniami przy dużym przesterowaniu. Zdmuchniesz coś, prawdopodobnie głośniki lub subwoofery, zanim wzmacniacz stanie się niestabilny.

5. Wydajność i mały rozmiar: Ze względu na samoregulującą się naturę wzmacniacza, dodanie dużej ilości czasu martwego do przebiegów przełączania MOSFET nie wpływa na jakość dźwięku. Sprawność przy pełnym obciążeniu sięgająca nawet 90% jest możliwa dzięki dobrej jakości cewce indukcyjnej i tranzystorom MOSFET (w moim wzmacniaczu używam IRFB4115). W rezultacie stosunkowo mały radiator na tranzystorach FET jest wystarczający, a wentylator jest wymagany tylko w przypadku pracy wewnątrz izolowanej obudowy przy dużej mocy.

Krok 1: Części, materiały eksploatacyjne i wymagania wstępne

Wymagania wstępne:

Budowanie dowolnego rodzaju obwodu o dużej mocy, zwłaszcza zaprojektowanego do czystej reprodukcji dźwięku, wymaga znajomości podstawowych pojęć elektronicznych. Musisz wiedzieć, jak działają kondensatory, cewki indukcyjne, rezystory, tranzystory MOSFET i wzmacniacze operacyjne, a także jak prawidłowo zaprojektować płytkę drukowaną obsługującą zasilanie. Musisz także wiedzieć, jak lutować elementy przewlekane i jak używać stripboardu (lub zbudować PCB). Ten samouczek jest skierowany do osób, które wcześniej budowały umiarkowanie skomplikowane obwody. Rozległa wiedza na temat analogów nie jest potrzebna, ponieważ większość podukładów w każdym wzmacniaczu klasy D radzi sobie tylko z dwoma poziomami napięcia - włączonym lub wyłączonym.

Będziesz także musiał wiedzieć, jak korzystać z oscyloskopu (tylko podstawowe funkcje) i jak debugować obwody, które nie działają zgodnie z przeznaczeniem. Jest bardzo prawdopodobne, że z obwodem o takiej złożoności będziesz miał pod-obwód, który nie będzie działał za pierwszym razem, gdy go zbudujesz. Znajdź i napraw problem przed przejściem do następnego kroku, debugowanie jednego obwodu podrzędnego jest znacznie łatwiejsze niż próba znalezienia usterki gdzieś w całej płycie. Użycie oscyloskopu jest konieczne, aby znaleźć niezamierzone oscylacje i sprawdzić, czy sygnały wyglądają tak, jak powinny.

Ogólne wskazówki:

W każdym wzmacniaczu klasy D będziesz miał przełączanie wysokich napięć i prądów przy wysokich częstotliwościach, co może generować sporo szumów. Będziesz mieć również obwody audio o małej mocy, które są wrażliwe na hałas i będą je wychwytywać i wzmacniać. Stopień wejściowy i stopień mocy powinny znajdować się na przeciwległych końcach płyty.

Niezbędne jest również dobre uziemienie, szczególnie w fazie mocy. Upewnij się, że przewody uziemiające biegną bezpośrednio od ujemnego zacisku do każdego sterownika bramki i komparatora. Trudno mieć za dużo przewodów uziemiających. Jeśli robisz to na płytce drukowanej, użyj płaszczyzny uziemienia do uziemienia.

Części, których będziesz potrzebować:

(Napisz do mnie, jeśli coś przegapiłem, jestem prawie pewien, że to pełna lista)

(Wszystko oznaczone jako HV musi być ocenione przynajmniej na zwiększone napięcie do napędzania głośnika, najlepiej więcej)

(Wiele z nich można uratować z elektroniki i urządzeń wyrzuconych do śmietnika, zwłaszcza kondensatorów)

• Zasilacz 24 V o mocy 375 watów (użyłem baterii litowej, jeśli używasz baterii, upewnij się, że masz LVC (odcięcie niskiego napięcia))
• Konwerter mocy Boost zdolny do zapewnienia 350 watów przy 65 woltach. (Wyszukaj „Yeeco power converter 900 watów” na Amazon, a znajdziesz ten, którego użyłem.)
• „Płyta perforowana” lub proto-deska, na której można wszystko zbudować. Polecam mieć co najmniej 15 cali kwadratowych do pracy w tym projekcie, 18, jeśli chcesz zbudować tablicę wejściową na tej samej płycie.
• Radiator do montażu tranzystorów MOSFET
• Kondensator 220 uf
• Kondensator 2x 470uf, jeden musi być przystosowany do napięcia wejściowego (nie HV)
• 2x 470nf kondensator
• 1x Kondensator 1nf
• Kondensator ceramiczny 12x 100nf (lub możesz użyć poli)
• Kondensator Poly 2x 100nf [HV]
• 1x kondensator Poly 1uf [HV]
• Kondensator elektrolityczny 1x470 uf LOW ESR [HV]
• 2x dioda 1n4003 (dowolna dioda, która może wytrzymać 2*HV lub więcej, jest w porządku)
• 1x bezpiecznik 10 A (lub krótki kawałek przewodu 30AWG na listwie zaciskowej)
• 2x 2.5mh induktor (lub uzwojenie własne)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Musi być ORYGINALNY!]
• Różne rezystory, możesz je kupić z eBaya lub Amazona za kilka dolców
• 4x potencjometry trymera 2k
• 2x wzmacniacz operacyjny KIA4558 (lub podobne wzmacniacze operacyjne audio)
• 3x komparatory LM311
• 1x 7808 regulator napięcia
• 1x płyta konwertera buck "Lm2596", możesz je znaleźć na eBay lub Amazon za kilka dolców
• 2x układ scalony sterownika bramki NCP5181 (możesz trochę wysadzić, zdobądź więcej) [Musi być ORYGINALNY!]
• 3-pinowe złącze do podłączenia do płytki wejściowej (lub więcej pinów dla sztywności mechanicznej)
• Przewody lub listwy zaciskowe do głośników, zasilania itp.
• Przewód zasilający 18AWG (do okablowania stopnia mocy)
• Przewód przyłączeniowy 22 AWG (do okablowania wszystkiego innego)
• 200-omowy transformator audio małej mocy dla stopnia wejściowego
• Mały wentylator komputerowy 12v/200ma (lub mniej) do chłodzenia wzmacniacza (opcjonalnie)

Narzędzia i materiały:

• Oscyloskop o rozdzielczości co najmniej 2us/div z sondą 1x i 10x (można użyć rezystora 50k i 5k do wykonania własnej sondy 10x)
• Multimetr, który może wykonać napięcie, prąd i rezystancję
• Lut i lutownica (używam Kester 63/37, DOBRA JAKOŚĆ bezołowiowa działa również, jeśli masz doświadczenie)
• Przyssawka lutownicza, knot itp. BĘDZIESZ popełniać błędy na tak dużym obwodzie, szczególnie podczas lutowania cewki indukcyjnej, to jest uciążliwe.
• Przecinaki do drutu i ściągacze izolacji
• Coś, co może generować falę prostokątną o wartości kilku Hz, jak płytka stykowa i timer 555

Krok 2: Dowiedz się, jak działa samooscylująca klasa D (opcjonalnie, ale zalecana)

Zanim zaczniesz, dobrze jest dowiedzieć się, jak faktycznie działa obwód. Pomoże to bardzo w rozwiązaniu wszelkich problemów, które możesz mieć w dalszej części, i pomoże ci zrozumieć, co robi każda część pełnego schematu.

Pierwszy obraz to wykres wykonany przez LTSpice pokazujący reakcję wzmacniacza na chwilową zmianę napięcia wejściowego. Jak widać na wykresie, zielona linia próbuje podążać za niebieską linią. Gdy tylko dane wejściowe się zmienią, zielona linia wznosi się tak szybko, jak to możliwe i opada z minimalnym przeregulowaniem. Czerwona linia to napięcie stopnia wyjściowego przed filtrem. Po zmianie wzmacniacz szybko się uspokaja i ponownie zaczyna oscylować wokół wartości zadanej.

Drugi obraz to podstawowy schemat obwodu. Wejście audio jest porównywane z sygnałem sprzężenia zwrotnego, który generuje sygnał do sterowania stopniem wyjściowym, aby zbliżyć wyjście do wejścia. Histereza w komparatorze powoduje, że obwód oscyluje wokół pożądanego napięcia z częstotliwością zbyt wysoką, na którą mogą reagować uszy lub głośniki.

Jeśli masz LTSpice, możesz pobrać i bawić się plikiem schematu.asc. Spróbuj zmienić r2, aby zmienić częstotliwość i obserwuj, jak obwód szaleje, gdy usuwasz tłumik, który tłumi nadmierne oscylacje wokół punktu rezonansowego filtra LC.

Nawet jeśli nie masz LTSpice, przestudiowanie obrazów da ci dobre wyobrażenie o tym, jak wszystko działa. Przejdźmy teraz do budowania.

Krok 3: Zbuduj zasilacz

Zanim zaczniesz cokolwiek lutować, spójrz na schemat i przykładowy układ. Schemat jest w formacie SVG (grafika wektorowa), więc po pobraniu można go dowolnie powiększać bez utraty rozdzielczości. Zdecyduj, gdzie umieścisz wszystko na planszy, a następnie zbuduj zasilacz. Podłącz napięcie akumulatora i uziemienie i upewnij się, że nic się nie nagrzewa. Za pomocą multimetru wyreguluj płytkę „lm2596” na napięcie 12 woltów i sprawdź, czy regulator 7808 generuje napięcie 8 woltów.

To tyle, jeśli chodzi o zasilacz.

Krok 4: Zbuduj stopień wyjściowy i sterownik bramki

Z całego procesu kompilacji jest to najtrudniejszy krok ze wszystkich. Zbuduj wszystko w „Obwód sterownika bramki” i „Stopień mocy” na schemacie, upewniając się, że FET są podłączone do radiatora.

Na schemacie zobaczysz przewody, które wydają się prowadzić donikąd i mówią „vDrv”. Są one nazywane etykietami w schemacie i wszystkie etykiety z tym samym tekstem są ze sobą łączone. Podłącz wszystkie przewody oznaczone „vDrv” do wyjścia płyty regulatora 12V.

Po zakończeniu tego etapu zasil ten obwód zasilaczem o ograniczonym prądzie (możesz użyć rezystora szeregowo z zasilaczem) i upewnij się, że nic się nie nagrzewa. Spróbuj podłączyć każdy z sygnałów wejściowych do sterownika bramki do 8V z zasilacza (po jednym na raz) i sprawdź, czy są sterowane prawidłowe bramki. Po sprawdzeniu, czy wiesz, że napęd bramy działa.

Ze względu na to, że napęd bramki wykorzystuje obwód ładowania początkowego, nie można bezpośrednio testować wyjścia poprzez pomiar napięcia wyjściowego. Umieść multimetr na sprawdzeniu diody i sprawdź między każdym zaciskiem głośnika a każdym zaciskiem zasilania.

1. Pozytywny dla głośnika 1
2. Pozytywny dla głośnika 2
3. Negatywny do głośnika 1
4. Negatywny do głośnika 2

Każdy powinien wykazywać przewodność cząstkową tylko w jedną stronę, podobnie jak dioda.

Jeśli wszystko działa, gratulacje, właśnie ukończyłeś najtrudniejszą część planszy. Pamiętałeś właściwe uziemienie, prawda?

Krok 5: Zbuduj generator sygnału napędu bramki MOSFET

Po zakończeniu pracy sterownika bramki i stopnia mocy można przystąpić do zbudowania części obwodu, która generuje sygnały informujące sterowniki bramki, które tranzystory FET mają włączyć o której godzinie.

Zbuduj wszystko w "generatorze sygnału sterownika MOSFET z czasem martwym" na schemacie, upewniając się, że nie zapomnisz żadnego z małych kondensatorów. Jeśli je pominiesz, obwód nadal będzie dobrze testował, ale nie będzie działał dobrze, gdy spróbujesz wysterować głośnik z powodu pasożytniczych oscylacji komparatorów.

Następnie przetestuj obwód, wprowadzając falę prostokątną o wartości kilku herców do „generatora sygnału sterownika MOSFET z czasem martwym” z generatora sygnału lub obwodu timera 555. Podłącz napięcie akumulatora do „HV in” przez rezystor ograniczający prąd.

Podłącz oscyloskop do wyjść głośnikowych. Powinieneś uzyskać zmianę polaryzacji napięcia akumulatora kilka razy na sekundę. Nic nie powinno się nagrzewać, a wyjście powinno być ładną, ostrą falą prostokątną. Niewielkie przeregulowanie jest w porządku, o ile nie przekracza 1/3 napięcia akumulatora.

Jeśli wyjście generuje czystą falę prostokątną, oznacza to, że wszystko, co do tej pory zbudowałeś, działa. Do ukończenia pozostał tylko jeden pod-obwód.

Krok 6: Komparator, wzmacniacz różnicowy i moment prawdy

Jesteś teraz gotowy do zbudowania części obwodu, która faktycznie wykonuje modulację klasy D.

Zbuduj wszystko w "Komparatorze z histerezą" i "Wzmacniaczu różnicowym do sprzężenia zwrotnego" na schemacie, a także dwa rezystory 5k, które utrzymują obwód stabilny, gdy nic nie jest podłączone do wejścia.

Podłącz zasilanie do obwodu (ale jeszcze nie HV) i sprawdź, czy piny 2 i 3 U6 powinny być naprawdę blisko połowy Vreg (4 V).

Jeśli obie te wartości są prawidłowe, podłącz subwoofer do zacisków wyjściowych. podłączyć zasilanie i HV do napięcia akumulatora przez rezystor ograniczający prąd (możesz użyć subwoofera o impedancji 4 omów lub większej jako rezystora). Powinieneś usłyszeć cichy trzask, a subwoofer nie powinien poruszać się w jedną lub drugą stronę o więcej niż milimetr. Sprawdź za pomocą oscyloskopu, aby upewnić się, że sygnały wchodzące i wychodzące ze sterowników bramek NCP5181 są czyste i mają około 40% cyklu pracy każdy. Jeśli tak nie jest, wyreguluj dwa rezystory zmienne, aż będą. Częstotliwość fal sterujących bramką będzie niższa niż pożądana 70-110 KHZ ze względu na to, że WN nie jest podłączone do wzmacniacza napięcia.

Jeśli sygnały sterujące bramkami w ogóle nie oscylują, spróbuj przełączyć SPK1 i SPK2 do wzmacniacza różnicowego. Jeśli nadal nie działa, użyj oscyloskopu, aby wyśledzić usterkę. Prawie na pewno jest w obwodzie komparatora lub wzmacniacza różnicowego.

Gdy obwód będzie działał, pozostaw głośnik podłączony i dodaj moduł zwiększania napięcia, aby zwiększyć napięcie przechodzące do HV do około 65-70 woltów (pamiętaj o bezpieczniku). Włącz obwód i upewnij się, że początkowo nic się nie nagrzewa, zwłaszcza tranzystory MOSFET i cewka indukcyjna. Kontynuuj monitorowanie temperatur przez około 5 minut. To normalne, że cewka indukcyjna się nagrzewa, o ile nie jest zbyt gorąca, aby można ją było dotykać w sposób ciągły. MOSFET-y powinny być nie więcej niż lekko ciepłe.

Sprawdź ponownie częstotliwość i cykl pracy fal napędowych bramki. Ustaw na 40% cykl pracy i upewnij się, że częstotliwość wynosi od 70 do 110 kHz. Jeśli tak nie jest, wyreguluj R10 na schemacie, aby poprawić częstotliwość. Jeśli częstotliwość jest prawidłowa, możesz rozpocząć odtwarzanie dźwięku za pomocą wzmacniacza.

Krok 7: Wejście audio i testy końcowe

Teraz, gdy sam wzmacniacz działa zadowalająco, czas na zbudowanie stopnia wejściowego. Na innej płytce (lub tej samej, jeśli masz miejsce), zbuduj obwód według schematu dostarczonego w tym kroku (musisz go pobrać), upewniając się, że jest ekranowany uziemionym kawałkiem metalu, jeśli jest blisko generujący hałas składniki. Podłącz zasilanie i masę do obwodu ze wzmacniacza, ale nie podłączaj jeszcze sygnału audio. Sprawdź, czy sygnał audio ma około 4 woltów i zmienia się nieznacznie po przekręceniu potencjometru „Regulacja przesunięcia DC”. Ustaw potencjometr na 4 V i przylutuj przewód wejściowy audio do reszty obwodu.

Chociaż schemat pokazuje użycie gniazda słuchawkowego jako wejścia, możesz również dodać adapter bluetooth z wyjściem podłączonym do miejsca, w którym znajduje się gniazdo audio. Adapter bluetooth może być zasilany przez regulator 7805. (Miałem 7806 i użyłem diody, aby obniżyć kolejne 0,7 wolta).

Ponownie włącz wzmacniacz i podłącz kabel do gniazda AUX na płycie wejściowej. Prawdopodobnie pojawi się słaby szum.

Jeśli szum jest zbyt głośny, możesz spróbować kilku rzeczy:

• Czy dobrze osłoniłeś stopień wejściowy? Komparatory również generują hałas.
• Dodaj kondensator 100nf na wyjściu transformatora.
• Dodaj kondensator 100nf między wyjściem audio a uziemieniem i umieść rezystor 2k w linii przed kondensatorem.
• Upewnij się, że przewód aux nie znajduje się w pobliżu zasilacza lub kabli wyjściowych wzmacniacza.

Powoli (przez kilka minut) zwiększaj głośność, upewniając się, że nic się nie przegrzeje ani nie zniekształci. Wyreguluj wzmocnienie tak, aby wzmacniacz nie przesterowywał, chyba że głośność jest ustawiona na maksimum.

W zależności od jakości rdzenia indukcyjnego i wielkości radiatora, dobrym pomysłem może być dodanie małego wentylatora, zasilanego z szyny 12V do chłodzenia wzmacniacza. Jest to szczególnie dobry pomysł, jeśli będziesz wkładał go do pudełka.