350 -ватов самоосцилиращ усилвател клас D: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Въведение и защо направих тази инструкция:

В интернет има множество уроци, показващи на хората как да създадат свои собствени усилватели клас D. Те са ефективни, лесни за разбиране и всички използват една и съща обща топология. От една част на веригата се генерира високочестотна триъгълна вълна и тя се сравнява с аудио сигнала за модулиране на изходните превключватели (почти винаги MOSFET) за включване и изключване. По -голямата част от тези „DIY Class D“дизайни нямат обратна връзка, а тези, които звучат чисто само в басовата област. Те правят донякъде приемливи усилватели за субуфер, но имат значителни изкривявания в областите на високите честоти. Тези без обратна връзка, дължащи се на мъртво време, необходимо за превключване на MOSFET, имат изходна форма на вълна, която изглежда нещо като триъгълна вълна, за разлика от синусоида. Съществуват значителни нежелани хармоници, което води до забележимо намаляване на качеството на звука, което прави музиката да звучи нещо като излизането на тръба. Донякъде тръбен, не чак толкова силен звук на предишния ми усилвател клас D е причината да реша да проуча и изградя усилвател, използвайки тази неясна, недостатъчно използвана топология.

Класическият "сравнител на триъгълни вълни" обаче не е единственият начин за конструиране на усилвател клас D. Има по -добър начин. Вместо осцилатор да модулира сигнала, защо да не направите целия усилвател осцилатор? Изходните MOSFETs се задвижват (чрез подходяща задвижваща схема) от изхода на компаратор с положителен вход, приемащ входящия звук и отрицателен вход, приемащ (намалена) версия на изходното напрежение на усилвателя. Хистерезисът се използва в компаратора за регулиране на честотата на работа и предотвратяване на нестабилни, високочестотни резонансни режими. Освен това, RC снуберна мрежа се използва през изхода за потискане на звъненето на резонансната честота на изходния филтър и намаляване на фазовото изместване до близо 90 градуса при работната честота на усилвателя от около 100 Khz. Пропускането на този прост, но критичен филтър ще доведе до самоунищожение на усилвателя, тъй като може да се генерират напрежения от няколкостотин волта, които незабавно да разрушат филтърните кондензатори.

Принцип на действие:

Да предположим, че усилвателят е стартиран първо и всички напрежения са на нула. Поради хистерезиса си, компараторът ще реши да изтегли изхода положителен или отрицателен. За този пример ще приемем, че компараторът извежда отрицателния изход. В рамките на няколко десетки микросекунди, изходното напрежение на усилвателя е намаляло достатъчно, за да обърне компаратора и да изпрати напрежението отново нагоре, и този цикъл се повтаря около 60 до 100 хиляди пъти всяка секунда, като запазва желаното напрежение на изхода. Поради високия импеданс на филтърния индуктор и ниския импеданс на филтърния кондензатор при тази честота, няма много шум на изхода, а поради високата работна честота той е далеч над звуковия диапазон. Ако входното напрежение се увеличи, изходното напрежение ще се увеличи достатъчно, че напрежението на обратната връзка достигне изходното напрежение. По този начин се постига усилване.

Предимства пред стандартния клас D:

1. Изключително нисък изходен импеданс: Тъй като изходните MOSFETs няма да се превключат обратно, докато желаното изходно напрежение след достигане на филтъра, импедансът на изхода е практически нулев. Дори и с разлика от 0,1 волта между действителното и желаното изходно напрежение, веригата ще изхвърли усилвателите в изхода, докато напрежението обърне компаратора обратно (или нещо духа).

2. Възможност за чисто задвижване на реактивни товари: Благодарение на изключително ниския изходен импеданс, автоциркулиращият клас D може да управлява многопосочни акустични системи с големи импедансни пропуски и пикове с много малко хармонични изкривявания. Пренесените субуферни системи с нисък импеданс на резонансната честота на порта са отличен пример за високоговорител, който без усилвател с усилвател "сравнител на триъгълни вълни" без обратна връзка би се затруднявал да работи добре.

3. Широка честотна характеристика: С увеличаването на честотата усилвателят ще се опитва да компенсира, като променя повече работния цикъл, за да поддържа напрежението на обратната връзка в съответствие с входното напрежение. Поради затихването на филтъра на високи честоти, високите честоти ще започнат да се изрязват при по -ниско ниво на напрежение от по -ниските, но поради музиката, която има значително повече електрическа мощност в баса от високите (приблизително 1/f разпределение, повече, ако използвайте усилване на басите), това не е проблем.

4. Стабилност: Ако е правилно проектиран и с инсталирана снубер мрежа, почти 90 ° фазовото поле на изходния филтър при работната честота гарантира, че усилвателят няма да стане нестабилен, дори ако карате големи товари при силно нарязване. Ще издухате нещо, вероятно вашите високоговорители или подводници, преди усилвателят да стане нестабилен.

5. Ефективност и малък размер: Поради саморегулиращия се характер на усилвателя, добавянето на много мъртво време към превключващите форми на MOSFET не влияе върху качеството на звука. Ефективността при пълно натоварване над 90% е възможна с качествен индуктор и MOSFET (използвам IRFB4115s в моя усилвател). В резултат на това относително малък радиатор на FET е достатъчен и вентилатор е необходим само ако работи в изолиран корпус с висока мощност.

Стъпка 1: Части, консумативи и предпоставки

Предпоставки:

Изграждането на всякакъв вид верига с висока мощност, особено такава, предназначена за чисто възпроизвеждане на аудио, изисква познаване на основните концепции за електрониката. Ще трябва да знаете как работят кондензаторите, индукторите, резисторите, MOSFET и оперативните усилватели, както и как правилно да проектирате платка за захранване. Трябва също да знаете как да запоявате компоненти през отвори и как да използвате лента (или да изградите печатна платка). Този урок е насочен към хора, които преди са изграждали умерено сложни схеми. Обширни аналогови познания не са необходими, тъй като повечето от подсхемите във всеки усилвател клас D работят само с две нива на напрежение - включено или изключено.

Също така ще трябва да знаете как да използвате осцилоскоп (само основните функции) и как да отстранявате грешки в схеми, които не работят по предназначение. Много е вероятно, с верига с тази сложност, в крайна сметка да имате подсхема, която не работи при първото й изграждане. Намерете и отстранете проблема, преди да преминете към следващата стъпка, отстраняването на грешки в една под-верига е много по-лесно, отколкото да се опитвате да намерите грешка някъде в цялата платка. Използването на осцилоскоп е необходимо, за да се намерят непредвидени трептения и да се провери дали сигналите изглеждат така, както трябва.

Общи съвети:

На всеки усилвател клас D ще имате високо напрежение и ток, превключващи се на високи честоти, което има потенциал да генерира много шум. Също така ще имате аудио схеми с ниска мощност, които са чувствителни към шума и ще го вземат и усилват. Входният етап и степента на захранване трябва да са в противоположните краища на платката.

Доброто заземяване, особено в степента на захранване, също е от съществено значение. Уверете се, че заземяващите проводници преминават директно от отрицателния извод към всеки драйвер на порта и компаратора. Трудно е да има твърде много заземяващи проводници. Ако правите това на печатна платка, използвайте заземителна равнина.

Части, от които се нуждаете:

(Пишете ми, ако съм пропуснал нещо, сигурен съм, че това е пълен списък)

(Всичко, обозначено като HV, трябва да бъде оценено поне за повишеното напрежение, за да задвижва високоговорителя, за предпочитане повече)

(Много от тях могат да бъдат спасени от електроника и уреди, хвърлени в контейнер за боклук, особено кондензатори)

• 24 -волтово захранване, способно да 375 вата (използвах литиева батерия, ако използвате батерия, уверете се, че имате LVC (прекъсване на ниско напрежение))
• Усилващ преобразувател на мощност, способен да осигури 350 вата при 65 волта. (Потърсете „Yeeco преобразувател на мощност 900 вата“в Amazon и ще намерите този, който използвах.)
• „Perf board“или proto-board за изграждане на всичко. Препоръчвам да имате поне 15 квадратни инча, с които да работите за този проект, 18, ако искате да изградите входната платка на същата дъска.
• Радиатор за монтиране на MOSFET
• 220uf кондензатор
• 2x 470uf кондензатор, един трябва да бъде оценен за входно напрежение (не HV)
• 2x 470nf кондензатор
• 1x 1nf кондензатор
• 12x 100nf керамичен кондензатор (или можете да използвате поли)
• 2x 100nf Poly кондензатор [HV]
• 1x 1uf Poly кондензатор [HV]
• 1x 470uf LOW ESR Електролитен кондензатор [HV]
• 2x 1n4003 диод (всеки диод, който може да издържи 2*HV или повече е добре)
• 1x 10 ампер предпазител (или къса част от проводник 30AWG през клемен блок)
• 2x 2.5mh индуктор (или навийте свой собствен)
• 4x IRFB4115 захранващ MOSFET [HV] [Трябва да е GENUINE!]
• Разнообразни резистори, можете да ги вземете от eBay или Amazon за няколко долара
• 4x 2k тримерни потенциометри
• 2x операционен усилвател KIA4558 (или подобни аудио операционни усилватели)
• 3x сравнителни устройства LM311
• 1x 7808 регулатор на напрежението
• 1x "Lm2596" долар конвертор дъска, можете да ги намерите на eBay или Amazon за няколко долара
• 2x IC драйвер за порта NCP5181 (може да издухате някои, да получите повече) [Трябва да е ИЗКЛЮЧИТЕЛНО!]
• 3-пинов хедър за свързване към входната платка (или повече щифтове за механична твърдост)
• Проводници или клеми за високоговорители, захранване и др
• Захранващ проводник 18AWG (за окабеляване на захранващия етап)
• 22 AWG свързващ проводник (за свързване на всичко останало)
• 200 ома аудио трансформатор с ниска мощност за входен етап
• Малък 12v/200ma (или по -малко) компютърен вентилатор за охлаждане на усилвателя (по избор)

Инструменти и консумативи:

• Осцилоскоп с поне 2us/div разделителна способност с 1x и 10x сонда (можете да използвате 50k и 5k резистор, за да направите своя собствена 10x сонда)
• Мултицет, който може да направи напрежение, ток и съпротивление
• Припой и поялник (използвам Kester 63/37, ДОБРОТО КАЧЕСТВО без олово също работи, ако имате опит)
• Припой, фитил и др. Ще правите грешки в такава голяма верига, особено когато запоявате индуктора, това е болка.
• Резачки и стрипери за тел
• Нещо, което може да генерира квадратна вълна от няколко HZ, като макет и 555 таймер

Стъпка 2: Научете как работи автоциркулиращият клас D (по избор, но препоръчително)

Преди да започнете, добра идея е да се запознаете как всъщност работи веригата. Това ще помогне значително при всички проблеми, които може да имате по -нататък, и ще ви помогне да разберете какво прави всяка част от пълната схема.

Първото изображение е графика, произведена от LTSpice, показваща реакцията на усилвателя на мигновена промяна на входното напрежение. Както можете да видите от графиката, зелената линия се опитва да следва синята линия. Веднага щом входът се промени, зелената линия се издига възможно най -бързо и се утаява с минимално превишаване. Червената линия е напрежението на изходния етап преди филтъра. След промяната усилвателят бързо се утаява и отново започва да се колебае около зададената точка.

Второто изображение е основната електрическа схема. Аудио входът се сравнява със сигнала за обратна връзка, който генерира сигнал за задвижване на изходния етап, за да приближи изхода към входа. Хистерезисът в компаратора кара веригата да се колебае около желаното напрежение на твърде висока честота, на която ушите или високоговорителите да реагират.

Ако имате LTSpice, можете да изтеглите и да играете с.asc схематичен файл. Опитайте да промените r2, за да промените честотата и гледайте как веригата полудява, докато премахвате шумозаглушителя, който заглушава прекомерните трептения около резонансната точка на LC филтъра.

Дори и да нямате LTSpice, изучаването на изображенията ще ви даде добра представа как работи всичко. Сега да преминем към изграждането.

Стъпка 3: Изградете захранването

Преди да започнете да запоявате нещо, разгледайте схематичното и примерното оформление. Схемата е SVG (векторна графика), така че след като я изтеглите, можете да увеличите колкото искате, без да губите резолюция. Решете къде ще поставите всичко на дъската и след това изградете захранването. Включете напрежението на акумулатора и земята и се уверете, че нищо не се нагрява. Използвайте мултицет, за да настроите платката "lm2596" да извежда 12 волта и проверете дали регулаторът 7808 извежда 8 волта.

Това е всичко за захранването.

Стъпка 4: Изградете изходния етап и драйвера на порта

От целия процес на изграждане, това е най -трудната стъпка от всички тях. Изградете всичко в схемата "Драйвер на портата" и "Степен на захранване" в схемата, като се уверите, че FET са свързани към радиатора.

В схемата ще видите проводници, които изглежда не отиват никъде и казват „vDrv“. Те се наричат етикети в схемата и всички етикети с един и същ текст се свързват заедно. Свържете всички проводници с етикет „vDrv“към изхода на регулаторната платка 12v.

След като завършите този етап, захранвайте тази верига с токово ограничено захранване (можете да използвате резистор последователно с захранването) и се уверете, че нищо не се нагрява. Опитайте да свържете всеки от входните сигнали към драйвера на порта към 8v от захранването (един по един) и проверете дали се задвижват правилните порти. След като се уверите, че знаете, че порталното устройство работи.

Поради задвижването на портата, използващо начална верига, не можете да тествате изхода директно чрез измерване на изходното напрежение. Поставете мултицета на диодна проверка и проверете между всеки терминал на високоговорителите и всеки захранващ терминал.

1. Положително за говорител 1
2. Положително за говорител 2
3. Отрицателно за оратора 1
4. Отрицателно за оратора 2

Всеки трябва да показва частична проводимост само по един начин, точно като диод.

Ако всичко работи, поздравления, току -що завършихте най -трудния раздел на дъската. Спомнихте си правилното заземяване, нали?

Стъпка 5: Изградете MOSFET Gate Drive Signal Generator

След като приключите с драйвера на портата и етапа на захранване, сте готови да изградите частта от веригата, която генерира сигнали, които казват на драйверите на портата какви FETs да включат по кое време.

Изградете всичко в „генератора на сигнали на драйвера на MOSFET с мъртво време“в схемата, като се уверите, че не забравяте нито един от малките кондензатори. Ако ги пропуснете, веригата все още ще се тества добре, но няма да работи добре, когато се опитате да управлявате високоговорител поради паразитно трептене на компараторите.

След това тествайте веригата, като подадете квадратна вълна от няколко херца в "генератора на сигнала на MOSFET драйвера с мъртво време" от вашия генератор на сигнал или таймер 555. Свържете напрежението на акумулатора към „HV in“чрез ограничител на тока.

Свържете осцилоскоп към изходите на високоговорителите. Трябва да получите напрежение на батерията, обърнало полярността няколко пъти в секунда. Нищо не трябва да се затопля и изходът трябва да е хубава, остра квадратна вълна. Малко превишаване е добре, стига да не е повече от 1/3 напрежение на батерията.

Ако изходът произвежда чиста квадратна вълна, това означава, че всичко, което сте изградили досега, работи. Остава само една под-верига до завършване.

Стъпка 6: Сравнител, диференциален усилвател и моментът на истината

Вече сте готови да изградите частта от веригата, която всъщност прави модулация на клас D.

Изградете всичко в "Компаратор с хистерезис" и "Диференциален усилвател за обратна връзка" в схемата, както и двата 5k резистора, които поддържат веригата стабилна, когато нищо не е свързано към входа.

Свържете захранването към веригата (но все още HV не е включено) и проверете дали пиновете 2 и 3 на U6 трябва да са наистина близо до половината от Vreg (4 волта).

Ако и двете стойности са правилни, свържете субуфер през изходните клеми. свържете захранването и HV към напрежението на батерията чрез резистор за ограничаване на тока (можете да използвате 4 ома или по -голям субуфер като резистор). Трябва да чуете лек удар и субуферът не трябва да се движи по един или друг начин повече от милиметър. Проверете с осцилоскоп, за да се уверите, че сигналите, влизащи и излизащи от драйверите на порта NCP5181, са чисти и имат около 40% работен цикъл всеки. Ако това не е така, регулирайте двата променливи резистора, докато станат. Честотата на задвижващите вълни на портата ще бъде по-ниска от желаните 70-110 KHZ поради това, че HV не е свързан към усилвателя на напрежението.

Ако сигналите на задвижващите врати изобщо не се колебаят, опитайте да превключите SPK1 и SPK2 към диференциалния усилвател. Ако все още не работи, използвайте осцилоскоп, за да проследите повредата. Почти сигурно е във веригата на компаратора или диференциалния усилвател.

След като веригата заработи, оставете високоговорителя свързан и добавете модула за усилване на напрежението, за да увеличите напрежението, достигащо до HV, до около 65-70 волта (не забравяйте предпазителя). Включете веригата и се уверете, че първоначално нищо не се нагрява, особено MOSFET и индуктор. Продължете да наблюдавате температурите за около 5 минути. Нормално е индукторът да се затопли, стига да не е прекалено горещ за непрекъснато докосване. MOSFETS трябва да са не повече от леко топли.

Проверете отново честотата и работния цикъл на задвижващите вълни на портата. Настройте за 40% работен цикъл и се уверете, че честотата е между 70 и 110 Khz. Ако не е така, регулирайте R10 в схемата, за да коригирате честотата. Ако честотата е правилна, вие сте готови да започнете да възпроизвеждате звук с усилвателя.

Стъпка 7: Аудио вход и окончателно тестване

Сега, когато самият усилвател работи задоволително, е време да се изгради входен етап. На друга платка (или същата, ако имате място), изградете веригата съгласно схемата, предоставена с тази стъпка (трябва да я изтеглите), като се уверите, че е екранирана със заземен парче метал, ако е близо до генериране на шум компоненти. Прикрепете захранването и земята към веригата от усилвателя, но все още не свързвайте аудио сигнала. Проверете дали аудио сигналът е на около 4 волта и леко се променя, когато завъртите потенциометъра "DC offset Adjust". Регулирайте потенциометъра за 4 волта и запоявайте аудио входния проводник към останалата част от веригата.

Въпреки че схемата показва използването на жак за слушалки като вход, можете също да добавите Bluetooth адаптер с изхода, свързан към мястото, където е аудио жакът. Bluetooth адаптерът може да се захранва от регулатор 7805. (Имах 7806 и използвах диод, за да пусна още 0,7 волта).

Включете усилвателя отново и включете кабел към жака AUX на входната платка. Вероятно ще има слаба статика.

Ако статиката е твърде силна, можете да опитате няколко неща:

• Добре ли сте защитили входния етап? Сравнителите също генерират шум.
• Добавете 100nf кондензатор към изхода на трансформатора.
• Добавете 100nf кондензатор между аудио изхода и земята и поставете 2k резистор на линия преди кондензатора.
• Уверете се, че допълнителният кабел не е близо до захранващия кабел или изходните кабели на усилвателя.

Бавно (в продължение на няколко минути) увеличете силата на звука, като гарантирате, че нищо не се нагрява твърде много и не се изкривява. Регулирайте усилването, така че усилвателят да не се захваща, освен ако силата на звука не е максимална.

В зависимост от качеството на сърцевината на индуктора и размера на радиатора, може да е добра идея да добавите малък вентилатор, захранван от 12v шина, за охлаждане на усилвателя. Това е особено добра идея, ако ще го поставите в кутия.