350 wattový oscilačný zosilňovač triedy D: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Úvod a prečo som z toho urobil návod:

Na internete existuje množstvo návodov, ktoré ľuďom ukazujú, ako si postaviť vlastné zosilňovače triedy D. Sú účinné, ľahko zrozumiteľné a všetky používajú rovnakú všeobecnú topológiu. Jedna časť obvodu generuje vysokofrekvenčné trojuholníkové vlny, ktoré sa porovnávajú so zvukovým signálom na moduláciu a vypínanie výstupných spínačov (takmer vždy MOSFET). Väčšina týchto dizajnov „DIY triedy D“nemá žiadnu spätnú väzbu a tie, ktoré znejú čisto iba v basových oblastiach. Vytvárajú trochu prijateľné zosilňovače subwoofera, ale v oblastiach výšok majú značné skreslenie. Tie bez spätnej väzby majú v dôsledku mŕtveho času potrebného na prepínanie MOSFET výstupný priebeh, ktorý vyzerá ako sínusová vlna. Prítomné sú výrazné nežiaduce harmonické, čo vedie k citeľnému zníženiu kvality zvuku, vďaka čomu hudba znie ako keby vychádzala z trúbky. Trochu trúbkový, nie tak úderný zvuk môjho predchádzajúceho zosilňovača triedy D je dôvod, prečo som sa rozhodol preskúmať a zostrojiť zosilňovač pomocou tejto nejasnej, nedostatočne využívanej topológie.

Klasický „porovnávač trojuholníkových vĺn“však nie je jediným spôsobom, ako skonštruovať zosilňovač triedy D. Existuje lepší spôsob. Prečo namiesto oscilátora modulovať signál, prečo neurobiť oscilátorom celý zosilňovač? Výstupné MOSFETy sú poháňané (prostredníctvom vhodných obvodov pohonu) výstupom komparátora s pozitívnym vstupom prijímajúcim prichádzajúci zvuk a so záporným vstupom prijímajúcim (zmenšenú) verziu výstupného napätia zosilňovača. V komparátore sa používa hysterézia na reguláciu prevádzkovej frekvencie a zabránenie nestabilným, vysokofrekvenčným rezonančným režimom. Ďalej sa na výstupe používa RC tlmiaca sieť na potlačenie zvonenia na rezonančnej frekvencii výstupného filtra a zníženie fázového posunu na takmer 90 stupňov pri prevádzkovej frekvencii zosilňovača okolo 100 Khz. Vynechanie tohto jednoduchého, ale kritického filtra, spôsobí samodeštrukciu zosilňovača, pretože môže dôjsť k generovaniu napätí niekoľko stoviek voltov, čo okamžite zničí kondenzátory filtra.

Princíp činnosti:

Predpokladajme, že zosilňovač je najskôr spustený a všetky napätia sú na nule. Vzhľadom na svoju hysterézu sa komparátor rozhodne vytiahnuť výstup buď kladne, alebo záporne. V tomto prípade budeme predpokladať, že komparátor vytiahne záporný výstup. V priebehu niekoľkých desiatok mikrosekúnd sa výstupné napätie zosilňovača dostatočne znížilo, aby sa prevrátil komparátor a napätie sa opäť vrátilo nahor, a tento cyklus sa opakuje približne 60 až 100 000 krát každú sekundu, pričom sa na výstupe udržiava požadované napätie. Vzhľadom na vysokú impedanciu filtračného induktora a nízku impedanciu filtračného kondenzátora na tejto frekvencii nie je na výstupe veľa šumu a vzhľadom na vysokú pracovnú frekvenciu je vysoko nad počuteľným rozsahom. Ak sa zvýši vstupné napätie, výstupné napätie sa zvýši natoľko, že napätie spätnej väzby dosiahne výstupné napätie. Týmto spôsobom sa dosiahne zosilnenie.

Výhody oproti štandardnej triede D:

1. Extrémne nízka výstupná impedancia: Pretože sa výstupné MOSFETy neprepnú späť, kým sa po dosiahnutí filtra nedosiahne požadované výstupné napätie, je impedancia výstupu prakticky nulová. Aj pri rozdiele 0,1 voltu medzi skutočným a požadovaným výstupným napätím bude obvod vypúšťať zosilňovače do výstupu, kým napätie neklopí komparátor späť (alebo niečo nevybuchne).

2. Schopnosť čisto riadiť jalovú záťaž: Vzhľadom na extrémne nízku výstupnú impedanciu môže samočinná trieda D poháňať viacpásmové reproduktorové systémy s veľkými poklesmi a špičkami impedancie s veľmi malým harmonickým skreslením. Systémy subwooferov s portom s nízkou impedanciou na rezonančnej frekvencii portu sú vynikajúcim príkladom reproduktora, pre ktorý by sa dobre ovládal zosilňovač s „komparátorom trojuholníkových vĺn“bez spätnej väzby.

3. Široká frekvenčná odozva: Ako sa frekvencia zvyšuje, zosilňovač sa pokúsi kompenzovať väčším menením pracovného cyklu tak, aby napätie spätnej väzby zodpovedalo vstupnému napätiu. Vďaka zoslabeniu vysokých frekvencií filtra začnú vysoké frekvencie spínať na nižšej úrovni napätia ako nižšie, ale v dôsledku hudby, ktorá má v basoch oveľa väčší elektrický výkon ako výšky (približne distribúcia 1/f, viac, ak použite zosilnenie basov), toto nie je problém.

4. Stabilita: Ak je správne navrhnutý a má odpruženú sieť, takmer 90 ° fázový okraj výstupného filtra na prevádzkovej frekvencii zaisťuje, že zosilňovač sa nestane nestabilným, aj keď budete jazdiť s ťažkými bremenami pod silným orezaním. Pred zosilnením zosilňovača niečo, pravdepodobne reproduktory alebo zosilňovače, sfúknete.

5. Účinnosť a malá veľkosť: Vzhľadom na samoregulačnú povahu zosilňovača nemá pridanie dostatku času nečinnosti do spínacích priebehov MOSFET vplyv na kvalitu zvuku. Účinnosť plného zaťaženia až 90% je možná s kvalitným induktorom a MOSFETmi (v zosilňovači používam IRFB4115s). Výsledkom je, že relatívne malý chladič na FET stačí a ventilátor je potrebný iba vtedy, ak pracuje vo vnútri izolovaného krytu s vysokým výkonom.

Krok 1: Diely, spotrebný materiál a predpoklady

Predpoklady:

Budovanie akéhokoľvek druhu vysokovýkonného obvodu, najmä obvodu navrhnutého na čistú reprodukciu zvuku, vyžaduje znalosť základných konceptov elektroniky. Budete potrebovať vedieť, ako fungujú kondenzátory, induktory, odpory, MOSFET a operačné zosilňovače a ako správne navrhnúť dosku s obvodmi na manipuláciu s energiou. Musíte tiež vedieť, ako spájkovať súčiastky cez otvor a ako používať pásovú dosku (alebo zostaviť DPS). Tento tutoriál je zameraný na ľudí, ktorí predtým stavali stredne komplikované obvody. Rozsiahle analógové znalosti nie sú potrebné, pretože väčšina subobvodov v akomkoľvek zosilňovači triedy D sa zaoberá iba dvoma úrovňami napätia - zapnuté alebo vypnuté.

Budete tiež musieť vedieť, ako používať osciloskop (len základné funkcie) a ako ladiť obvody, ktoré nefungujú podľa plánu. Je veľmi pravdepodobné, že s obvodom tejto zložitosti skončíte s obvodom, ktorý pri prvom vybudovaní nefunguje. Predtým, ako prejdete k ďalšiemu kroku, nájdite a opravte problém, ladenie jedného podokruhu je oveľa jednoduchšie, ako pokúšať sa nájsť chybu niekde na celej doske. Použitie osciloskopu je potrebné na nájdenie neúmyselných kmitov a overenie, či signály vyzerajú tak, ako by mali.

Všeobecné rady:

Na každom zosilňovači triedy D budete mať vysoké napätie a prúdy spínajúce pri vysokých frekvenciách, čo má potenciál generovať značnú dávku šumu. Budete mať tiež zvukové obvody s nízkym výkonom, ktoré sú citlivé na hluk a budú ho zachytávať a zosilňovať. Vstupný a výkonový stupeň by mali byť na opačných koncoch dosky.

Dobré uzemnenie, najmä v výkonovom stupni, je tiež nevyhnutné. Uistite sa, že uzemňovacie vodiče vedú priamo zo záporného pólu ku každému ovládaču brány a komparátoru. Je ťažké mať príliš veľa uzemňovacích vodičov. Ak to robíte na doske s plošnými spojmi, na uzemnenie použite uzemňovaciu rovinu.

Potrebné diely:

(Ak mi nejaké unikli, pošlite mi správu, som si celkom istý, že toto je úplný zoznam.)

(Všetko označené ako VN musí byť dimenzované aspoň na zosilnené napätie na pohon reproduktora, najlepšie na viac.

(Veľa z nich je možné zachrániť z elektroniky a spotrebičov vyhodených do smetného koša, najmä kondenzátorov)

• Napájanie 24 voltov s výkonom 375 wattov (použil som lítiovú batériu, ak používate batériu, uistite sa, že máte LVC (prerušenie nízkeho napätia))
• Zosilňovač výkonu dokáže poskytnúť 350 wattov pri 65 voltoch. (Vyhľadajte „Konvertor výkonu Yeeco 900 wattov“na Amazone a nájdete ten, ktorý som použil.)
• „Perf board“alebo proto-board, na ktorom môžete stavať. Pri tomto projekte odporúčam mať prácu najmenej 15 štvorcových palcov, 18 ak chcete postaviť vstupnú dosku na rovnakú dosku.
• Chladič na pripojenie MOSFETov
• 220uf kondenzátor
• 2x 470uf kondenzátor, jeden musí byť dimenzovaný na vstupné napätie (nie VN)
• 2x 470nf kondenzátor
• 1 x 1nf kondenzátor
• 12x keramický kondenzátor 100nf (alebo môžete použiť poly)
• 2x 100nf Poly kondenzátor [VN]
• 1 x 1uf Poly kondenzátor [VN]
• 1x 470uf LOW ESR Elektrolytický kondenzátor [VN]
• 2x dióda 1n4003 (akákoľvek dióda, ktorá vydrží 2*HV alebo viac, je v poriadku)
• 1x 10 ampérová poistka (alebo krátky kus vodiča 30AWG cez svorkovnicu)
• 2x 2,5 mh induktor (alebo namotajte vlastný)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Musí byť ORIGINÁL!]
• Rôzne odpory, môžete ich získať z eBay alebo Amazon za pár dolárov
• 4x 2k potenciometre trimra
• 2x operačný zosilňovač KIA4558 (alebo podobné zvukové operačné zosilňovače)
• 3x komparátory LM311
• 1x regulátor napätia 7808
• 1x doska na konverziu dolárov „Lm2596“, nájdete ich na eBay alebo Amazone za pár dolárov
• 2x IC integrovaného ovládača brány NCP5181 (niektoré môžete vyhodiť a získať ďalšie) [Musí byť ORIGINÁL!]
• 3-kolíkový konektor na pripojenie k vstupnej doske (alebo viac pinov pre mechanickú tuhosť)
• Drôty alebo svorkovnice pre reproduktory, napájanie atď
• Napájací vodič 18AWG (na zapojenie výkonového stupňa)
• Pripojovací kábel 22 AWG (na zapojenie všetkého ostatného)
• 200 ohmový zvukový transformátor s nízkym výkonom pre vstupný stupeň
• Malý ventilátor počítača 12 V/200 mA (alebo menej) na chladenie zosilňovača (voliteľné)

Nástroje a zásoby:

• Osciloskop s rozlíšením najmenej 2 us/div so sondou 1x a 10x (na výrobu vlastnej sondy 10x môžete použiť odpor 50k a 5k)
• Multimetr, ktorý dokáže vykonávať napätie, prúd a odpor
• Spájkovačka a spájkovačka (používam Kester 63/37, DOBRÁ KVALITA bezolovnaté funguje aj vtedy, ak máte skúsenosti)
• Nasávačka spájky, knôt atď. Na tak veľkom obvode BUDETE chybovať, obzvlášť pri spájkovaní induktora je to bolesť.
• Strihače a odizolovače drôtu
• Niečo, čo môže generovať štvorcovú vlnu niekoľkých Hz, ako napríklad doska na pečenie a časovač 555

Krok 2: Zistite, ako funguje samočinná trieda D (voliteľné, ale odporúčané)

Skôr ako začnete, je dobré sa zoznámiť s tým, ako obvod v skutočnosti funguje. Pomôže výrazne pri akýchkoľvek problémoch, s ktorými by ste sa mohli ďalej stretnúť, a pomôže vám porozumieť tomu, čo každá časť úplnej schémy robí.

Prvý obrázok je graf vytvorený spoločnosťou LTSpice, ktorý ukazuje reakciu zosilňovača na okamžitú zmenu vstupného napätia. Ako vidíte z grafu, zelená čiara sa pokúša sledovať modrú čiaru. Hneď ako sa zmení vstup, zelená čiara ide hore tak rýchlo, ako len môže, a vyrovnáva sa s minimálnym prekročením. Červená čiara je napätie koncového stupňa pred filtrom. Po zmene sa zosilňovač rýchlo usadí a začne opäť kmitať okolo nastavenej hodnoty.

Druhý obrázok je základná schéma zapojenia. Zvukový vstup sa porovnáva so signálom spätnej väzby, ktorý generuje signál na pohon koncového stupňa, aby sa výstup priblížil k vstupu. Hysteréza v komparátore spôsobuje, že obvod osciluje okolo požadovaného napätia na príliš vysokej frekvencii, na ktorú by uši alebo reproduktory nemohli reagovať.

Ak máte LTSpice, môžete si stiahnuť a hrať sa so schematickým súborom.asc. Skúste zmeniť r2 na zmenu frekvencie a sledujte, ako sa obvod zblázni, keď odstránite tlmiaci prvok, ktorý tlmí nadmerné kmity okolo rezonančného bodu LC filtra.

Aj keď nemáte LTSpice, štúdium obrázkov vám poskytne dobrú predstavu o tom, ako všetko funguje. Teraz poďme na stavbu.

Krok 3: Zostavte napájací zdroj

Predtým, ako začnete čokoľvek spájkovať, pozrite sa na schematický a ukážkový návrh. Schéma je SVG (vektorová grafika), takže akonáhle si ju stiahnete, môžete ju priblížiť, ako by ste chceli, bez straty rozlíšenia. Rozhodnite sa, kam umiestnite všetko na dosku, a potom vytvorte napájanie. Pripojte napätie batérie a uzemnenie a uistite sa, že sa nič nezahrieva. Pomocou multimetra nastavte dosku „lm2596“na výstup 12 voltov a skontrolujte, či regulátor 7808 dodáva 8 voltov.

To je k napájaniu všetko.

Krok 4: Zostavte výstupnú fázu a ovládač brány

Z celého procesu zostavovania je to najťažší krok zo všetkých. Postavte všetko v schéme „Obvod ovládača brány“a „Výkonový stupeň“a uistite sa, že FET sú pripevnené k chladiču.

V schéme uvidíte káble, ktoré zrejme nikam nevedú, a povedia „vDrv“. Nazývajú sa to schematicky a všetky štítky s rovnakým textom sa spoja. Pripojte všetky vodiče označené „vDrv“k výstupu dosky 12 V regulátora.

Po dokončení tejto fázy napájajte tento obvod prúdovo obmedzeným napájaním (môžete použiť odpor v sérii s napájacím zdrojom) a zaistite, aby sa nič nezahrievalo. Skúste zapojiť každý zo vstupných signálov do ovládača brány na 8 V z napájacieho zdroja (jeden po druhom) a skontrolujte, či sú poháňané správne brány. Keď overíte, že pohon brány funguje.

Vzhľadom na pohon brány pomocou obvodu bootstrap nemôžete testovať výstup priamo meraním výstupného napätia. Pripojte multimetr k dióde a skontrolujte ho medzi každým konektorom reproduktora a každým napájacím konektorom.

1. Pozitívny voči rečníkovi 1
2. Pozitívne voči reproduktorovi 2
3. Negatívny voči reproduktorovi 1
4. Negatívne voči reproduktorovi 2

Každý by mal vykazovať čiastočnú vodivosť iba jedným spôsobom, rovnako ako dióda.

Ak všetko funguje, gratulujeme, práve ste dokončili najťažšiu časť dosky. Pamätáte si poriadne uzemnenie, nie?

Krok 5: Zostavte generátor signálu pohonu brány MOSFET

Akonáhle dokončíte ovládač brány a výkonový stupeň, ste pripravení vybudovať časť obvodu, ktorý generuje signály, ktoré oznamujú ovládačom brány, aké FET v akom čase zapnúť.

Postavte všetko v schéme „Generátor signálu ovládača MOSFET s dobou nečinnosti“a uistite sa, že nezabudnete na žiadny z malých kondenzátorov. Ak ich vynecháte, obvod bude stále v poriadku, ale nebude fungovať dobre, keď sa pokúsite riadiť reproduktor kvôli komparátorom, ktoré paraziticky oscilujú.

Ďalej otestujte obvod tak, že do vášho „generátora signálu alebo obvodu časovača 555“privediete štvorcovú vlnu niekoľkých hertzov do „generátora signálu ovládača MOSFET s mŕtvym časom“. Pripojte napätie batérie k „HV in“cez odpor obmedzujúci prúd.

Pripojte osciloskop k výstupom reproduktorov. Niekoľkokrát za sekundu by ste mali dostať polaritu napätia batérie. Nič by sa nemalo zahriať a výstupom by mala byť pekná, ostrá štvorcová vlna. Malé prekročenie je v poriadku, pokiaľ nie je vyššie ako 1/3 napätia batérie.

Ak výstup vytvára čistú štvorcovú vlnu, znamená to, že všetko, čo ste doteraz vytvorili, funguje. Do dokončenia zostal iba jeden pod okruh.

Krok 6: Komparátor, diferenciálny zosilňovač a moment pravdy

Teraz ste pripravení vybudovať časť obvodu, ktorá v skutočnosti vykonáva moduláciu triedy D.

Postavte všetko v schéme „Komparátor s hysteréziou“a „Diferenciálny zosilňovač pre spätnú väzbu“, ako aj dva 5k odpory, ktoré udržujú obvod stabilný, keď nie je na vstup pripojené nič.

Pripojte napájanie k obvodu (zatiaľ však nie je zapojený HV) a skontrolujte, či sú piny 2 a 3 U6 skutočne blízko polovice Vreg (4 volty).

Ak sú obe tieto hodnoty správne, pripojte k výstupným svorkám subwoofer. pripojte napájanie a VN k napätiu batérie pomocou rezistora obmedzujúceho prúd (ako odpor môžete použiť 4 ohmový alebo väčší subwoofer). Mali by ste počuť malé puknutie a subwoofer by sa nemal pohybovať tak či onak o viac ako milimeter. Skontrolujte pomocou osciloskopu, či sú signály vstupujúce do a vychádzajúce z ovládačov brány NCP5181 čisté a či majú každý zhruba 40% pracovný cyklus. Ak tomu tak nie je, nastavte dva variabilné odpory, kým nie sú. Frekvencia pohonných vĺn brány bude nižšia ako požadovaných 70-110 KHZ, pretože HV nie je pripojené k zosilňovaču napätia.

Ak signály pohonov brány vôbec nekmitajú, skúste prepnúť SPK1 a SPK2 na diferenciálny zosilňovač. Ak to stále nefunguje, na zistenie poruchy použite osciloskop. Je to takmer určite v obvode komparátora alebo diferenciálneho zosilňovača.

Akonáhle obvod zapojí, nechajte reproduktor zapojený a pridajte modul zosilňovača napätia na zvýšenie napätia na HV na približne 65-70 voltov (pamätajte na poistku). Zapnite obvod a uistite sa, že sa na začiatku nič nezahreje, najmä MOSFETy a induktory. Pokračujte v monitorovaní teplôt asi 5 minút. Je normálne, že sa induktor zahrieva, pokiaľ nie je príliš horúci na dotyk nepretržite. MOSFETY by nemali byť viac ako mierne teplé.

Znova skontrolujte frekvenciu a pracovný cyklus pohonných vĺn brány. Upravte na 40% pracovný cyklus a zaistite, aby frekvencia bola medzi 70 a 110 Khz. Ak nie je, upravte frekvenciu pomocou schémy R10. Ak je frekvencia správna, môžete začať prehrávať zvuk pomocou zosilňovača.

Krok 7: Vstup zvuku a záverečné testovanie

Teraz, keď samotný zosilňovač uspokojivo funguje, je načase vybudovať vstupný stupeň. Na ďalšej doske (alebo tej istej, ak máte miesto) vytvorte obvod podľa schémy dodanej s týmto krokom (musíte ho stiahnuť) a uistite sa, že je tienený uzemneným kusom kovu, ak je blízko akéhokoľvek generátora hluku. komponentov. Pripojte napájanie a uzemnenie k obvodu zo zosilňovača, ale zatiaľ nepripojte zvukový signál. Skontrolujte, či je zvukový signál okolo 4 voltov a či sa mierne zmení, keď otočíte potenciometrom „DC offset adjust“. Nastavte potenciometer na 4 volty a spájajte vstupný zvukový vodič so zvyškom obvodu.

Napriek tomu, že schéma ukazuje ako vstup konektor pre slúchadlá, môžete tiež pridať adaptér Bluetooth s výstupom zapojeným tam, kde je zvukový konektor. Adaptér bluetooth môže byť napájaný regulátorom 7805. (Mal som 7806 a pomocou diódy klesol ďalších 0,7 voltu).

Znova zapnite zosilňovač a zapojte kábel do konektora AUX na vstupnej doske. Pravdepodobne bude nejaký slabý statický náboj.

Ak je statický zvuk príliš hlasný, môžete vyskúšať niekoľko vecí:

• Ochránili ste dobre vstupný stupeň? Komparátory tiež generujú hluk.
• Na výstup transformátora pridajte kondenzátor 100nf.
• Pridajte 100nf kondenzátor medzi zvukový výstup a zem a umiestnite 2k odpor v línii pred kondenzátor.
• Uistite sa, že sa pomocný kábel nenachádza v blízkosti napájacích káblov alebo výstupných káblov zosilňovača.

Pomaly (niekoľko minút) zvyšujte hlasitosť, aby nič nebolo príliš horúce alebo skresľovalo. Nastavte zosilnenie tak, aby zosilňovač nespínal, pokiaľ nie je hlasitosť zapnutá na maximum.

V závislosti od kvality jadra induktora a veľkosti chladiča môže byť vhodné na chladenie zosilňovača pridať malý ventilátor napájaný z 12 koľajnice. Je to obzvlášť dobrý nápad, ak ho budete dávať do škatule.