350 Wattový oscilační zesilovač třídy D: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Úvod a proč jsem vytvořil tento návod:

Na internetu existuje mnoho návodů, které lidem ukazují, jak si postavit vlastní zesilovače třídy D. Jsou efektivní, snadno pochopitelné a všechny používají stejnou obecnou topologii. V jedné části obvodu je generována vysokofrekvenční trojúhelníková vlna, která je porovnávána se zvukovým signálem pro modulaci zapínání a vypínání výstupních spínačů (téměř vždy MOSFETů). Většina těchto návrhů „DIY Class D“nemá žádnou zpětnou vazbu a ty, které znějí čistě pouze v basové oblasti. Vytvářejí poněkud přijatelné subwooferové zesilovače, ale mají výrazné zkreslení v oblastech výšek. Ty bez zpětné vazby, vzhledem k mrtvému času požadovanému pro přepínání MOSFET, mají výstupní vlnovou vlnu, která vypadá jako trojúhelníková vlna, na rozdíl od sinusové vlny. Jsou přítomny výrazné nežádoucí harmonické, což vede ke znatelnému snížení kvality zvuku, díky čemuž hudba zní tak trochu, jako by se ozvala z trumpety. Poněkud trumpetický, nepříliš úderný zvuk mého předchozího zesilovače třídy D je důvod, proč jsem se rozhodl prozkoumat a postavit zesilovač pomocí této temné, málo využívané topologie.

Klasický „komparátor trojúhelníkových vln“však není jediným způsobem, jak sestrojit zesilovač třídy D. Existuje lepší způsob. Proč místo oscilátoru modulovat signál, proč neudělat celý zesilovač oscilátorem? Výstupní MOSFETy jsou poháněny (prostřednictvím vhodných obvodů měniče) výstupem komparátoru s kladným vstupem přijímajícím příchozí zvuk a záporným vstupem přijímajícím (zmenšenou) verzi výstupního napětí zesilovače. V komparátoru se používá hystereze k regulaci frekvence provozu a prevenci nestabilních, vysokofrekvenčních rezonančních režimů. Kromě toho je na výstupu použita RC tlumící síť k potlačení vyzvánění na rezonanční frekvenci výstupního filtru a snížení fázového posunu na téměř 90 stupňů při provozní frekvenci zesilovače kolem 100 Khz. Vynechání tohoto jednoduchého, ale kritického filtru způsobí samodestrukci zesilovače, protože může být generováno napětí několik stovek voltů, což okamžitě zničí kondenzátory filtru.

Princip činnosti:

Předpokládejme, že je zesilovač poprvé spuštěn a všechna napětí jsou na nule. Kvůli své hysterezi se komparátor rozhodne vytáhnout výstup buď kladně, nebo záporně. V tomto případě budeme předpokládat, že komparátor vytáhne záporný výstup. Během několika desítek mikrosekund se výstupní napětí zesilovače snížilo natolik, že převrátilo komparátor a poslalo napětí zpět nahoru, a tento cyklus se opakuje přibližně 60 až 100 tisíckrát každou sekundu, přičemž se na výstupu udržuje požadované napětí. Díky vysoké impedanci filtrační cívky a nízké impedanci filtračního kondenzátoru na této frekvenci není na výstupu mnoho šumu a vzhledem k vysoké pracovní frekvenci je vysoko nad slyšitelným rozsahem. Pokud se vstupní napětí zvýší, výstupní napětí se zvýší natolik, že napětí zpětné vazby dosáhne výstupního napětí. Tímto způsobem je dosaženo zesílení.

Výhody oproti standardní třídě D:

1. Extrémně nízká výstupní impedance: Protože výstupní MOSFETy se po dosažení požadovaného výstupního napětí po dosažení filtru nepřepnou zpět, je impedance výstupu prakticky nulová. I když je rozdíl mezi skutečným a požadovaným výstupním napětím 0,1 voltu, obvod bude do výstupu ukládat zesilovače, dokud napětí nepřeklopí komparátor zpět (nebo něco nevyfoukne).

2. Schopnost čistě řídit reaktivní zátěže: Díky extrémně nízké výstupní impedanci může samočinná třída D pohánět vícepásmové reproduktorové systémy s velkými impedančními poklesy a špičkami s velmi malým harmonickým zkreslením. Portované subwooferové systémy s nízkou impedancí na rezonanční frekvenci portu jsou ukázkovým příkladem reproduktoru, u kterého by se zesilovač bez „zpětné vazby“se zpětnou vazbou snažil dobře řídit.

3. Široká frekvenční odezva: Jak se frekvence zvyšuje, zesilovač se pokusí kompenzovat více změnou pracovního cyklu tak, aby napětí zpětné vazby odpovídalo vstupnímu napětí. Kvůli zeslabení vysokých frekvencí filtru začnou vysoké frekvence stříhat na nižší úrovni napětí než nižší, ale kvůli hudbě, která má v basech mnohem větší elektrický výkon než výšky (přibližně 1/f distribuce, více, pokud použijte zvýraznění basů), to není problém.

4. Stabilita: Je -li správně navržen a má odpruženou síť, téměř 90 ° fázový okraj výstupního filtru na provozní frekvenci zajišťuje, že zesilovač nebude nestabilní, a to ani při jízdě těžkých břemen pod silným ořezáváním. Než zesilovač začne být nestabilní, něco sfouknete, pravděpodobně reproduktory nebo subwoofer.

5. Účinnost a malá velikost: Vzhledem k samoregulační povaze zesilovače nemá přidání spousty mrtvého času do spínacích průběhů MOSFET vliv na kvalitu zvuku. Účinnosti plného zatížení i více než 90% jsou možné s kvalitním induktorem a MOSFETy (v zesilovači používám IRFB4115). Výsledkem je, že relativně malý chladič na FET je dostačující a ventilátor je vyžadován pouze tehdy, pokud pracuje uvnitř izolovaného pouzdra s vysokým výkonem.

Krok 1: Díly, spotřební materiál a předpoklady

Předpoklady:

Vybudování jakéhokoli druhu vysoce výkonného obvodu, zejména takového, který je navržen tak, aby čistě reprodukoval zvuk, vyžaduje znalost základních konceptů elektroniky. Budete potřebovat vědět, jak fungují kondenzátory, induktory, odpory, MOSFETy a operační zesilovače a jak správně navrhnout desku s obvody pro manipulaci s energií. Musíte také vědět, jak pájet součásti skrz otvor a jak používat stripboard (nebo stavět PCB). Tento tutoriál je zaměřen na lidi, kteří dříve stavěli mírně komplikované obvody. Rozsáhlé analogové znalosti nejsou potřeba, protože většina subobvodů v jakémkoli zesilovači třídy D se zabývá pouze dvěma úrovněmi napětí - zapnuto nebo vypnuto.

Budete také potřebovat vědět, jak používat osciloskop (jen základní funkce) a jak ladit obvody, které nefungují podle očekávání. Je velmi pravděpodobné, že s obvodem této složitosti skončíte s dílčím obvodem, který nefunguje, když jej poprvé postavíte. Než přejdete k dalšímu kroku, najděte a opravte problém, ladění jednoho dílčího okruhu je mnohem snazší, než se snažit najít chybu někde na celé desce. Použití osciloskopu je nezbytné k nalezení nezamýšleného kmitání a ověření, že signály vypadají tak, jak by měly.

Obecné rady:

Na jakémkoli zesilovači třídy D budete mít vysoké napětí a proudy spínající na vysokých frekvencích, což má potenciál generovat značný hluk. Budete mít také zvukové obvody s nízkým výkonem, které jsou citlivé na hluk, a budou jej zachytávat a zesilovat. Vstupní a výkonový stupeň by měl být na opačných koncích desky.

Dobré uzemnění, zejména ve výkonové fázi, je také zásadní. Zajistěte, aby zemnicí vodiče vedly přímo ze záporného pólu do každého ovladače brány a komparátoru. Je těžké mít příliš mnoho zemních vodičů. Pokud to děláte na desce s plošnými spoji, použijte k uzemnění zemnící rovinu.

Potřebné díly:

(Napište mi, pokud jsem nějaké zmeškal, jsem si jistý, že toto je úplný seznam)

(Vše označené HV musí být dimenzováno na alespoň zesílené napětí pro pohon reproduktoru, nejlépe více)

(Mnoho z nich lze zachránit z elektroniky a spotřebičů vhozených do popelnice, zejména kondenzátorů)

• 24voltový napájecí zdroj s výkonem 375 wattů (použil jsem lithiovou baterii, pokud používáte baterii, ujistěte se, že máte LVC (odpojení nízkého napětí))
• Převodník pro zvýšení výkonu schopný poskytnout 350 wattů při 65 voltech. (Hledejte „Převodník výkonu Yeeco 900 W“na Amazonu a najdete ten, který jsem použil.)
• „Perf board“nebo proto-board, na kterém můžete stavět. Doporučuji mít pro tento projekt alespoň 15 čtverečních palců, pokud chcete postavit vstupní desku na stejnou desku.
• Chladič pro připojení MOSFETů
• 220uf kondenzátor
• 2x 470uf kondenzátor, jeden musí být dimenzován na vstupní napětí (ne HV)
• 2x 470nf kondenzátor
• 1x 1nf kondenzátor
• 12x 100nf keramický kondenzátor (nebo můžete použít poly)
• 2x 100nf Poly kondenzátor [HV]
• 1x 1uf Poly kondenzátor [HV]
• 1x 470uf LOW ESR Elektrolytický kondenzátor [VN]
• 2x dioda 1n4003 (jakákoli dioda, která vydrží 2*HV nebo více, je v pořádku)
• 1x pojistka 10 A (nebo krátký kus 30AWG vodiče přes svorkovnici)
• 2x 2,5 mh induktor (nebo namotejte vlastní)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Musí být GENUINE!]
• Různé odpory, můžete je získat z eBay nebo Amazon za pár peněz
• 4x 2k potenciometry trimru
• 2x operační zesilovač KIA4558 (nebo podobné zvukové operační zesilovače)
• 3x komparátory LM311
• 1x regulátor napětí 7808
• 1x konvertorová deska na buck „Lm2596“, najdete je na eBay nebo Amazonu za pár babek
• 2x IC ovladače brány NCP5181 (některé můžete vyhodit, získat více) [Musí být GENUINE!]
• 3kolíkový konektor pro připojení ke vstupní desce (nebo více pinů pro mechanickou tuhost)
• Dráty nebo svorkovnice pro reproduktory, napájení atd
• Napájecí vodič 18AWG (pro zapojení výkonového stupně)
• 22 AWG připojovací vodič (pro zapojení všeho ostatního)
• 200 ohmový nízkoenergetický audio transformátor pro vstupní stupeň
• Malý počítačový ventilátor 12v/200ma (nebo méně) pro chlazení zesilovače (volitelně)

Nástroje a zásoby:

• Osciloskop s rozlišením alespoň 2 us/div se sondou 1x a 10x (k vytvoření vlastní 10x sondy můžete použít rezistor 50k a 5k)
• Multimetr, který dokáže provádět napětí, proud a odpor
• Páječka a páječka (používám Kester 63/37, DOBRÁ KVALITA bez olova funguje také, pokud máte zkušenosti)
• Pájecí přísavka, knot atd. Na tak velkém obvodu BUDETE chybovat, zvláště při pájení induktoru je to bolest.
• Nůžky na drát a odizolovače
• Něco, co může generovat čtvercovou vlnu několika HZ, jako prkénko a časovač 555

Krok 2: Zjistěte, jak funguje samostatně oscilující třída D (volitelně, ale doporučeno)

Než začnete, je dobré se seznámit s tím, jak obvod ve skutečnosti funguje. Velmi to pomůže při jakýchkoli problémech, které byste mohli mít dále, a pomůže vám pochopit, co každá část úplného schématu dělá.

První obrázek je graf vytvořený LTSpice ukazující reakci zesilovače na okamžitou změnu vstupního napětí. Jak vidíte z grafu, zelená čára se snaží sledovat modrou čáru. Jakmile se vstup změní, zelená čára stoupá tak rychle, jak jen to jde, a ustálí se s minimálním překročením. Červená čára je napětí koncového stupně před filtrem. Po změně se zesilovač rychle usadí a začne znovu kmitat kolem nastavené hodnoty.

Druhý obrázek je základní schéma zapojení. Zvukový vstup je porovnáván se signálem zpětné vazby, který generuje signál pro řízení koncového stupně, aby se výstup přiblížil vstupu. Hystereze v komparátoru způsobí, že obvod osciluje kolem požadovaného napětí na frekvenci příliš vysoké na to, aby uši nebo reproduktory reagovaly.

Pokud máte LTSpice, můžete si stáhnout a pohrát si se schematickým souborem.asc. Zkuste změnit r2 pro změnu frekvence a sledujte, jak se obvod zblázní, když odstraníte tlumič, který tlumí nadměrné kmity kolem rezonančního bodu LC filtru.

I když nemáte LTSpice, studium obrázků vám poskytne dobrou představu o tom, jak vše funguje. Pojďme tedy ke stavbě.

Krok 3: Sestavte napájecí zdroj

Než začnete cokoli pájet, podívejte se na schematické a ukázkové rozložení. Schéma je SVG (vektorová grafika), takže jakmile si ho stáhnete, můžete jej přiblížit, jak byste chtěli, aniž byste ztratili rozlišení. Rozhodněte se, kam umístíte vše na desku, a poté vytvořte napájecí zdroj. Připojte napětí a uzemnění baterie a ujistěte se, že se nic nezahřívá. Pomocí multimetru upravte desku „lm2596“na výstup 12 voltů a zkontrolujte, zda regulátor 7808 vydává 8 voltů.

To je k napájení.

Krok 4: Sestavte výstupní fázi a ovladač brány

Z celého procesu sestavení je to nejtěžší krok ze všech. Postavte vše ve schématu „Obvod ovladače brány“a „Výkonový stupeň“a ujistěte se, že FET jsou připojeny k chladiči.

Ve schématu uvidíte vodiče, které zřejmě nikam nevedou, a řeknou „vDrv“. Ty se ve schématu nazývají popisky a všechny štítky se stejným textem se spojí. Připojte všechny vodiče označené „vDrv“k výstupu desky regulátoru 12 V.

Po dokončení této fáze napájejte tento obvod proudově omezeným zdrojem (můžete použít odpor v sérii s napájecím zdrojem) a zajistěte, aby se nic nezahřívalo. Zkuste zapojit každý ze vstupních signálů do ovladače brány na 8 V z napájecího zdroje (jeden po druhém) a zkontrolujte, zda jsou poháněny správné brány. Jakmile ověříte, že víte, že pohon brány funguje.

Vzhledem k pohonu brány pomocí obvodu bootstrap nemůžete testovat výstup přímo měřením výstupního napětí. Zapněte multimetr na kontrolu diody a zkontrolujte jej mezi každým reproduktorovým terminálem a každým napájecím terminálem.

1. Pozitivní vůči reproduktoru 1
2. Pozitivní vůči reproduktoru 2
3. Negativní vůči reproduktoru 1
4. Negativní vůči reproduktoru 2

Každý by měl vykazovat částečnou vodivost pouze jedním způsobem, stejně jako dioda.

Pokud vše funguje, gratulujeme, právě jste dokončili nejtěžší část desky. Pamatujete si správné uzemnění, že?

Krok 5: Sestavte generátor signálu pohonu brány MOSFET

Jakmile dokončíte ovladač brány a výkonový stupeň, jste připraveni sestavit část obvodu, který generuje signály, které sdělují ovladačům brány, jaké FETy mají v jakém čase zapnout.

Postavte vše ve schématu „Generátor signálu ovladače MOSFET s mrtvým časem“a ujistěte se, že nezapomenete na žádný z malých kondenzátorů. Pokud je vynecháte, obvod bude stále v pořádku, ale nebude fungovat dobře, když se pokusíte řídit reproduktor kvůli komparátorům paraziticky oscilujícím.

Dále otestujte obvod přivedením čtvercové vlny několika hertzů do „generátoru signálu ovladače MOSFET s mrtvou dobou“z generátoru signálu nebo časovače 555. Připojte napětí baterie na „HV in“přes odpor omezující proud.

Připojte osciloskop k výstupům reproduktorů. Mělo by dojít k přepólování napětí baterie několikrát za sekundu. Nic by se nemělo zahřívat a výstupem by měla být pěkná, ostrá čtvercová vlna. Malé překročení je v pořádku, pokud není větší než 1/3 napětí baterie.

Pokud výstup produkuje čistou čtvercovou vlnu, znamená to, že vše, co jste dosud vytvořili, funguje. Do dokončení zbýval pouze jeden dílčí obvod.

Krok 6: Komparátor, diferenciální zesilovač a moment pravdy

Nyní jste připraveni vybudovat část obvodu, která ve skutečnosti provádí modulaci třídy D.

Postavte vše ve schématu „Komparátor s hysterezí“a „Diferenční zesilovač pro zpětnou vazbu“, stejně jako dva 5k odpory, které udržují obvod stabilní, když ke vstupu není nic připojeno.

Připojte napájení k obvodu (ale zatím ne HV) a zkontrolujte, že piny 2 a 3 U6 by měly být opravdu blízko polovině Vreg (4 volty).

Pokud jsou obě tyto hodnoty správné, připojte subwoofer přes výstupní svorky. připojte napájení a VN k napětí baterie přes odpor omezující proud (jako odpor můžete použít 4 ohm nebo větší subwoofer). Měli byste slyšet malé puknutí a subwoofer by se neměl pohybovat tak či onak o více než milimetr. Zkontrolujte pomocí osciloskopu, zda signály přicházející do a vycházející z ovladačů brány NCP5181 jsou čisté a mají každý kolem 40% pracovního cyklu. Pokud tomu tak není, upravte dva proměnné odpory, dokud nejsou. Frekvence pohonných vln brány bude nižší než požadovaných 70-110 KHZ, protože HV není připojeno k zesilovači napětí.

Pokud signály pohonů brány vůbec nekmitají, zkuste přepnout SPK1 a SPK2 na diferenciální zesilovač. Pokud to stále nefunguje, použijte osciloskop k vyhledání poruchy. Je to téměř jistě v obvodu komparátoru nebo diferenciálního zesilovače.

Jakmile obvod funguje, nechte reproduktor připojený a přidejte modul zesilovače napětí, aby se napětí na HV zvýšilo na přibližně 65-70 voltů (pamatujte na pojistku). Zapněte obvod a ujistěte se, že se zpočátku nic nezahřívá, zejména MOSFETy a induktory. Pokračujte ve sledování teplot asi 5 minut. Je normální, že se induktor zahřívá, pokud není příliš horký na to, aby se dotýkal nepřetržitě. MOSFETY by neměly být více než mírně teplé.

Znovu zkontrolujte frekvenci a pracovní cyklus pohonových vln brány. Upravte na 40% pracovní cyklus a zajistěte frekvenci mezi 70 a 110 Khz. Pokud tomu tak není, upravte frekvenci pomocí R10 ve schématu. Pokud je frekvence správná, můžete začít přehrávat zvuk pomocí zesilovače.

Krok 7: Vstup zvuku a závěrečné testování

Nyní, když samotný zesilovač uspokojivě funguje, je čas vybudovat vstupní fázi. Na jiné desce (nebo stejné, pokud máte místo) vytvořte obvod podle schématu dodaného s tímto krokem (musíte jej stáhnout) a ujistěte se, že je stíněno uzemněným kusem kovu, pokud je blízko generování šumu součásti. Připojte k zesilovači napájení a uzemnění, ale zatím nepřipojujte zvukový signál. Zkontrolujte, zda je zvukový signál na přibližně 4 voltech a zda se mírně mění, když otočíte potenciometrem „DC offset adjust“. Upravte potenciometr na 4 volty a připájejte zvukový vstupní vodič ke zbytku obvodu.

Ačkoli schéma ukazuje použití vstupu pro sluchátka jako vstupu, můžete také přidat adaptér bluetooth s jeho výstupem připojeným k místu, kde je audio konektor. Adaptér bluetooth lze napájet regulátorem 7805. (Měl jsem 7806 a pomocí diody klesl dalších 0,7 voltů).

Znovu zapněte zesilovač a zapojte kabel do konektoru AUX na vstupní desce. Pravděpodobně bude nějaká slabá statika.

Pokud je zvuk příliš hlasitý, můžete vyzkoušet několik věcí:

• Ochránili jste dobře vstupní stupeň? Komparátory také generují hluk.
• Přidejte 100nf kondenzátor na výstup transformátoru.
• Přidejte 100nf kondenzátor mezi zvukový výstup a zem a umístěte 2k odpor v řadě před kondenzátor.
• Ujistěte se, že se pomocný kabel nenachází v blízkosti napájecích nebo výstupních kabelů zesilovače.

Pomalu (po několik minut) zvyšte hlasitost a zajistěte, aby se nic příliš nezahřívalo nebo nezkreslovalo. Upravte zesílení tak, aby zesilovač nestříhal, pokud není hlasitost zapnutá na maximum.

V závislosti na kvalitě jádra induktoru a velikosti chladiče může být dobré přidat k chlazení zesilovače malý ventilátor napájený z kolejnice 12 V. To je obzvláště dobrý nápad, pokud jej budete dávat do krabice.