Автоколебательный усилитель класса D на 350 Вт: 8 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Введение и почему я сделал это поучительным:

В Интернете есть множество учебных пособий, показывающих людям, как построить свои собственные усилители класса D. Они эффективны, просты для понимания и используют одну и ту же общую топологию. Одна часть схемы генерирует высокочастотную треугольную волну, которая сравнивается со звуковым сигналом для включения и выключения выходных переключателей (почти всегда полевых МОП-транзисторов). Большинство этих конструкций «сделай сам» класса D не имеют обратной связи, а те, которые обеспечивают чистое звучание только в области низких частот. Из них можно сделать несколько приемлемых сабвуферных усилителей, но со значительными искажениями в области высоких частот. Те, у которых нет обратной связи, из-за мертвого времени, необходимого для переключения MOSFET, имеют форму выходного сигнала, которая выглядит как волна треугольника, в отличие от синусоидальной волны. Присутствуют значительные нежелательные гармоники, приводящие к заметному снижению качества звука, из-за чего музыка звучит как звук трубы. Несколько трусливый, не такой резкий звук моего предыдущего усилителя класса D - вот почему я решил исследовать и построить усилитель, используя эту неясную, малоиспользуемую топологию.

Однако классический «треугольный компаратор» - не единственный способ построить усилитель класса D. Существует лучший способ. Вместо того, чтобы модулировать сигнал генератором, почему бы не сделать генератором весь усилитель? Выходные полевые МОП-транзисторы управляются (через подходящую схему управления) выходом компаратора, причем положительный вход принимает входящий аудиосигнал, а отрицательный вход принимает (уменьшенную) версию выходного напряжения усилителя. Гистерезис используется в компараторе для регулирования рабочей частоты и предотвращения нестабильных высокочастотных резонансных режимов. Кроме того, на выходе используется RC-демпферная цепь для подавления звона на резонансной частоте выходного фильтра и уменьшения фазового сдвига почти до 90 градусов на рабочей частоте усилителя около 100 кГц. Отсутствие этого простого, но важного фильтра приведет к самоуничтожению усилителя, так как может возникнуть напряжение в несколько сотен вольт, мгновенно разрушающее конденсаторы фильтра.

Принцип действия:

Предположим, что усилитель запускается первым, и все напряжения равны нулю. Из-за гистерезиса компаратор решит подтянуть выход либо к положительному, либо к отрицательному. В этом примере мы предположим, что компаратор вытягивает выходной сигнал отрицательным. В течение нескольких десятков микросекунд выходное напряжение усилителя уменьшилось настолько, чтобы перевернуть компаратор и снова поднять напряжение, и этот цикл повторяется от 60 до 100 тысяч раз каждую секунду, поддерживая желаемое напряжение на выходе. Из-за высокого импеданса катушки индуктивности фильтра и низкого импеданса конденсатора фильтра на этой частоте на выходе не так много шума, а из-за высокой рабочей частоты он намного превышает слышимый диапазон. Если входное напряжение увеличивается, выходное напряжение увеличивается настолько, что напряжение обратной связи достигает выходного напряжения. Таким образом достигается усиление.

Преимущества перед стандартным классом D:

1. Чрезвычайно низкий выходной импеданс: поскольку выходные полевые МОП-транзисторы не будут переключаться обратно до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое выходное напряжение после того, как фильтр будет достигнут, полное выходное сопротивление практически равно нулю. Даже при разнице в 0,1 вольта между фактическим и желаемым выходным напряжением схема будет сбрасывать токи на выходе до тех пор, пока напряжение не вернет компаратор обратно (или что-то не сработает).

2. Способность чисто управлять реактивными нагрузками: благодаря чрезвычайно низкому выходному сопротивлению автоколебательные системы класса D могут управлять многополосными акустическими системами с большими провалами и пиками импеданса с очень маленькими гармоническими искажениями. Системы сабвуфера с портом и низким импедансом на резонансной частоте порта являются ярким примером громкоговорителя, с которым "треугольный компаратор" без обратной связи не справится.

3. Широкая частотная характеристика: по мере увеличения частоты усилитель будет пытаться компенсировать это за счет большего изменения рабочего цикла, чтобы напряжение обратной связи соответствовало входному напряжению. Из-за ослабления высоких частот фильтром высокие частоты начнут ограничиваться при более низком уровне напряжения, чем более низкие, но из-за музыки, имеющей гораздо большую электрическую мощность в басах, чем в высоких частотах (примерно распределение 1 / f, больше, если вы используйте усиление низких частот), это не проблема.

4. Стабильность. При правильной конструкции и наличии демпфирующей цепи запас по фазе выходного фильтра почти на 90 ° на рабочей частоте гарантирует, что усилитель не станет нестабильным, даже при работе с большими нагрузками при сильных ограничениях. Вы взорвете что-нибудь, вероятно, ваши динамики или сабвуферы, прежде чем усилитель выйдет из строя.

5. Эффективность и небольшой размер: из-за саморегулирующейся природы усилителя добавление большого количества мертвого времени к сигналам переключения MOSFET не влияет на качество звука. Эффективность при полной нагрузке может достигать 90%, если использовать катушку индуктивности хорошего качества и полевые МОП-транзисторы (в своем усилителе я использую IRFB4115). В результате достаточно относительно небольшого радиатора на полевых транзисторах, а вентилятор требуется только при работе внутри изолированного корпуса на высокой мощности.

Шаг 1. Детали, расходные материалы и предварительные условия

Предпосылки:

Создание любой мощной схемы, особенно схемы, предназначенной для чистого воспроизведения звука, требует знания основных концепций электроники. Вам нужно будет знать, как работают конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы, полевые МОП-транзисторы и операционные усилители, а также как правильно спроектировать плату управления питанием. Вам также необходимо знать, как паять компоненты со сквозными отверстиями и как использовать стрипборд (или построить печатную плату). Это руководство предназначено для людей, которые раньше строили схемы средней сложности. Обширные знания в области аналоговой обработки не требуются, поскольку большинство подсхем в любом усилителе класса D работают только с двумя уровнями напряжения - включенным или выключенным.

Вам также необходимо знать, как использовать осциллограф (только основные функции) и как отлаживать схемы, которые не работают должным образом. Очень вероятно, что со схемой такой сложности вы получите подсхему, которая не будет работать в первый раз, когда вы ее построите. Найдите и устраните проблему, прежде чем переходить к следующему шагу, отладить одну подсхему намного проще, чем пытаться найти неисправность где-нибудь на всей плате. Использование осциллографа необходимо для обнаружения непреднамеренных колебаний и проверки того, что сигналы выглядят так, как должны.

Общие советы:

На любом усилителе класса D вы будете иметь высокие напряжения и токи, коммутируемые на высоких частотах, которые могут создавать много шума. У вас также будут маломощные аудиосхемы, чувствительные к шуму, которые будут улавливать и усиливать его. Входной каскад и силовой каскад должны быть на противоположных концах платы.

Также необходимо хорошее заземление, особенно в силовом каскаде. Убедитесь, что провода заземления проходят прямо от отрицательной клеммы к каждому приводу затвора и компаратору. Трудно иметь слишком много заземляющих проводов. Если вы делаете это на печатной плате, используйте пластину заземления для заземления.

Детали, которые вам понадобятся:

(Напишите мне, если я что-то пропустил, я уверен, что это полный список)

(Все, что помечено как HV, должно быть рассчитано как минимум на повышенное напряжение для работы динамика, желательно больше)

(Многие из них можно извлечь из электроники и приборов, брошенных в мусорный бак, особенно конденсаторов)

• Источник питания 24 В, мощность 375 Вт (я использовал литиевую батарею, при использовании батареи убедитесь, что у вас есть LVC (отсечка по низкому напряжению))
• Повышающий преобразователь мощности, обеспечивающий мощность 350 Вт при 65 В. (Поищите «Преобразователь мощности Yeeco 900 Вт» на Amazon, и вы найдете тот, который я использовал.)
• «Перфорированная плата» или прототипная плата, на которой можно построить все необходимое. Я рекомендую иметь не менее 15 квадратных дюймов для работы в этом проекте 18, если вы хотите построить плату ввода на той же плате.
• Радиатор для крепления полевых МОП-транзисторов к
• 220 мкФ конденсатор
• 2x 470 мкФ конденсатор, один должен быть рассчитан на входное напряжение (не высоковольтное)
• 2x 470nf конденсатор
• 1x 1nf конденсатор
• Керамический конденсатор 12x 100nf (или вы можете использовать поли)
• 2x 100nf Poly конденсатор [HV]
• 1x 1 мкФ полимерный конденсатор [HV]
• 1x 470 мкФ LOW ESR электролитический конденсатор [HV]
• 2x 1n4003 диода (подойдет любой диод, выдерживающий 2 * HV или более)
• 1 предохранитель на 10 А (или короткий кусок провода 30AWG через клеммную колодку)
• 2 индуктора 2,5 мч (или намотайте самостоятельно)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Должен быть ПОДЛИННЫМ!]
• Разные резисторы, вы можете получить их на eBay или Amazon за несколько долларов.
• 4x 2k подстроечных потенциометра
• 2 операционных усилителя KIA4558 (или аналогичные операционные усилители звука)
• 3x компаратора LM311
• 1x регулятор напряжения 7808
• 1x плата конвертера доллара "Lm2596", вы можете найти их на eBay или Amazon за несколько долларов.
• 2x ИС драйвера затвора NCP5181 (вы можете взорвать, получите больше) [Должен быть ПОДЛИННЫМ!]
• 3-контактный разъем для подключения к входной плате (или более контактов для механической жесткости)
• Провода или клеммы для динамиков, питания и т. Д.
• Провод питания 18AWG (для подключения силового каскада)
• Соединительный провод 22 AWG (для подключения всего остального)
• Аудио трансформатор малой мощности 200 Ом для входного каскада
• Маленький компьютерный вентилятор 12 В / 200 мА (или меньше) для охлаждения усилителя (опционально)

Инструменты и расходные материалы:

• Осциллограф с разрешением не менее 2 мкс / дел с пробником 1x и 10x (вы можете использовать резистор 50 кОм и 5 кОм, чтобы сделать свой собственный пробник 10x)
• Мультиметр, который может измерять напряжение, ток и сопротивление
• Припой и паяльник (я использую Kester 63/37, ХОРОШЕЕ КАЧЕСТВО без свинца тоже подойдет, если у вас есть опыт)
• Присоска для припоя, фитиль и т. Д. Вы БУДЕТЕ делать ошибки в такой большой цепи, особенно при пайке индуктора, это боль.
• Кусачки и стрипперы
• Что-то, что может генерировать прямоугольную волну в несколько Гц, например макет и таймер 555

Шаг 2: узнайте, как работает автоколебательный класс D (необязательно, но рекомендуется)

Прежде чем начать, неплохо узнать, как на самом деле работает схема. Это очень поможет с любыми проблемами, которые могут возникнуть в дальнейшем, и поможет вам понять, что делает каждая часть полной схемы.

Первое изображение - это график, созданный LTSpice, показывающий реакцию усилителя на мгновенное изменение входного напряжения. Как видно из графика, зеленая линия пытается следовать за синей линией. Как только вход изменяется, зеленая линия поднимается так быстро, как только может, и стабилизируется с минимальным выбросом. Красная линия - напряжение выходного каскада перед фильтром. После изменения усилитель быстро стабилизируется и снова начинает колебаться около заданного значения.

Второе изображение - это основная принципиальная схема. Аудиовход сравнивается с сигналом обратной связи, который генерирует сигнал для управления выходным каскадом, чтобы приблизить выход к входу. Гистерезис в компараторе заставляет схему колебаться около желаемого напряжения с частотой, слишком высокой для ушей или динамиков.

Если у вас есть LTSpice, вы можете загрузить и поэкспериментировать с файлом схемы.asc. Попробуйте изменить r2, чтобы изменить частоту, и посмотрите, как схема сойдет с ума, когда вы удалите демпфер, который гасит чрезмерные колебания вокруг точки резонанса LC-фильтра.

Даже если у вас нет LTSpice, изучение изображений даст вам хорошее представление о том, как все работает. Теперь приступим к строительству.

Шаг 3: Соберите блок питания

Прежде чем приступить к пайке, взгляните на схему и примерную разводку. Схема представляет собой SVG (векторную графику), поэтому, как только вы ее загрузите, вы можете увеличить ее сколько угодно без потери разрешения. Решите, где вы собираетесь все разместить на плате, а затем соберите блок питания. Подключите напряжение аккумулятора и заземление и убедитесь, что ничего не нагревается. С помощью мультиметра отрегулируйте плату «lm2596» на выходное напряжение 12 вольт и убедитесь, что стабилизатор 7808 выдает 8 вольт.

Вот и все, что касается блока питания.

Шаг 4: Создайте выходной каскад и драйвер затвора

Из всего процесса сборки это самый сложный этап. Соберите все в «схеме драйвера затвора» и «силовом каскаде» на схеме, убедившись, что полевые транзисторы прикреплены к радиатору.

На схеме вы увидите провода, которые, кажется, никуда не идут, с надписью «vDrv». В схеме они называются метками, и все метки с одним и тем же текстом соединяются вместе. Подключите все провода с маркировкой «vDrv» к выходу платы регулятора 12 В.

После завершения этого этапа включите эту схему с помощью источника с ограничением тока (вы можете использовать резистор последовательно с источником питания) и убедитесь, что ничего не нагревается. Попробуйте подключить каждый из входных сигналов к драйверу затвора на 8 В от источника питания (по одному) и убедитесь, что управляются правильные затворы. После того, как вы убедились, что знаете, что привод ворот работает.

Из-за того, что управление затвором использует схему самозагрузки, вы не можете проверить выход напрямую, измерив выходное напряжение. Поставьте мультиметр на проверку диодов и проверьте между каждой клеммой динамика и каждой клеммой питания.

1. Положительно для спикера 1
2. Положительно для динамика 2
3. Отрицательный к динамику 1
4. Отрицательный к динамику 2

Каждый должен показывать частичную проводимость только в одном направлении, как диод.

Если все работает, поздравляю, вы только что закончили самый сложный раздел доски. Вы ведь вспомнили о правильном заземлении?

Шаг 5: Создайте генератор сигналов управления затвором на полевых МОП-транзисторах

После того, как вы закончили драйвер затвора и силовой каскад, вы готовы построить часть схемы, которая генерирует сигналы, которые сообщают драйверам затвора, какие полевые транзисторы включать в какое время.

Постройте все в «генераторе сигналов драйвера MOSFET с мертвым временем» на схеме, убедившись, что вы не забыли ни одного из крошечных конденсаторов. Если вы их опустите, схема все равно будет нормально тестироваться, но не будет работать, когда вы попытаетесь управлять динамиком из-за паразитных колебаний компараторов.

Затем проверьте схему, подав прямоугольную волну в несколько герц в «генератор сигналов драйвера MOSFET с мертвым временем» от генератора сигналов или схемы таймера 555. Подключите напряжение аккумулятора к «HV in» через токоограничивающий резистор.

Подключите осциллограф к выходам динамиков. Вы должны заставить аккумулятор менять полярность несколько раз в секунду. Ничего не должно нагреваться, и на выходе должна быть красивая резкая прямоугольная волна. Небольшое перерегулирование нормально, если оно не превышает 1/3 напряжения батареи.

Если на выходе получается чистая прямоугольная волна, это означает, что все, что вы создали до сих пор, работает. До завершения осталась только одна подсхема.

Шаг 6: компаратор, дифференциальный усилитель и момент истины

Теперь вы готовы построить часть схемы, которая фактически выполняет модуляцию класса D.

Соберите все элементы «Компаратор с гистерезисом» и «Дифференциальный усилитель для обратной связи» на схеме, а также два резистора 5 кОм, которые обеспечивают стабильность схемы, когда к входу ничего не подключено.

Подключите питание к цепи (но еще не высоковольтное) и убедитесь, что контакты 2 и 3 U6 должны быть действительно близки к половине Vreg (4 вольта).

Если оба этих значения верны, подключите сабвуфер к выходным разъемам. подключите питание и высоковольтное напряжение к напряжению батареи через токоограничивающий резистор (вы можете использовать сабвуфер на 4 Ом или больше в качестве резистора). Вы должны услышать небольшой хлопок, и сабвуфер не должен двигаться в одну или другую сторону более чем на миллиметр или около того. С помощью осциллографа убедитесь, что сигналы, входящие и выходящие из драйверов затворов NCP5181, чистые и имеют рабочий цикл около 40% каждый. Если это не так, отрегулируйте два переменных резистора до тех пор, пока они не станут равными. Частота волн возбуждения затвора будет ниже желаемых 70–110 кГц из-за того, что высокое напряжение не подключено к усилителю напряжения.

Если сигналы управления затвором вообще не осциллируют, попробуйте переключить SPK1 и SPK2 на дифференциальный усилитель. Если по-прежнему не работает, воспользуйтесь осциллографом, чтобы найти неисправность. Почти наверняка дело в схеме компаратора или дифференциального усилителя.

Как только схема заработает, оставьте динамик подключенным и добавьте модуль повышения напряжения, чтобы повысить напряжение, идущее на высоковольтное, примерно до 65-70 вольт (помните предохранитель). Включите питание схемы и убедитесь, что сначала ничего не нагревается, особенно полевые МОП-транзисторы и индуктор. Продолжайте следить за температурой около 5 минут. Нагрев индуктора является нормальным, если он не слишком горячий, чтобы постоянно касаться его. МОП-транзисторы должны быть не более чем немного теплыми.

Еще раз проверьте частоту и рабочий цикл волн возбуждения затвора. Отрегулируйте рабочий цикл 40% и убедитесь, что частота составляет от 70 до 110 кГц. Если это не так, отрегулируйте R10 на схеме, чтобы скорректировать частоту. Если частота правильная, вы готовы начать воспроизведение звука с помощью усилителя.

Шаг 7: аудиовход и окончательное тестирование

Теперь, когда сам усилитель работает удовлетворительно, пришло время построить входной каскад. На другой плате (или той же, если у вас есть место) постройте схему в соответствии со схемой, предоставленной на этом этапе (вы должны загрузить ее), убедившись, что она защищена заземленным куском металла, если рядом с любым источником шума. компоненты. Подключите питание и заземление к цепи от усилителя, но пока не подключайте аудиосигнал. Убедитесь, что аудиосигнал составляет около 4 В и слегка изменяется при повороте потенциометра «Регулировка смещения постоянного тока». Установите потенциометр на 4 В и припаяйте провод аудиовхода к остальной части схемы.

Хотя на схеме показано использование разъема для наушников в качестве входа, вы также можете добавить адаптер Bluetooth с его выходом, подключенным к тому месту, где находится аудиоразъем. Адаптер bluetooth может питаться от регулятора 7805. (У меня был 7806, и я использовал диод, чтобы сбросить еще 0,7 вольта).

Снова включите усилитель и подключите кабель к разъему AUX на входной плате. Вероятно, будет слабая статика.

Если статика слишком сильная, вы можете попробовать следующее:

• Хорошо ли вы защитили входной каскад? Компараторы тоже создают шум.
• Добавьте конденсатор 100 нФ на выходе трансформатора.
• Добавьте конденсатор 100 нФ между аудиовыходом и землей и установите резистор 2 кОм перед конденсатором.
• Убедитесь, что вспомогательный шнур не находится рядом с выходными кабелями источника питания или усилителя.

Медленно (в течение нескольких минут) увеличивайте громкость, следя за тем, чтобы ничего не нагревалось и не искажалось. Отрегулируйте усиление так, чтобы усилитель не срезался, если громкость не установлена на максимум.

В зависимости от качества сердечника индуктора и размера радиатора может быть хорошей идеей добавить небольшой вентилятор с питанием от шины 12 В для охлаждения усилителя. Это особенно хорошая идея, если вы собираетесь класть его в коробку.