Samooscilirajuće pojačalo klase D od 350 W: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Uvod i zašto sam ovo učinio poučnim:

Na internetu postoji mnoštvo vodiča koji ljudima pokazuju kako izgraditi vlastita pojačala klase D. Oni su efikasni, jednostavni za razumijevanje i svi koriste istu opću topologiju. Jedan dio kruga generira visokofrekventni trokutni val koji se uspoređuje sa audio signalom radi moduliranja izlaznih sklopki (gotovo uvijek MOSFET-ova) za uključivanje i isključivanje. Većina ovih dizajna "uradi sam" klase D nema povratnu informaciju, a oni koji zvuče čisto samo u bas području. Proizvode donekle prihvatljiva pojačala za subwoofer, ali imaju značajna izobličenja u regijama visokih tonova. Oni bez povratne informacije, zbog mrtvog vremena potrebnog za prebacivanje MOSFET-a, imaju izlazni valni oblik koji izgleda poput trokutastog vala, za razliku od sinusnog. Prisutni su značajni neželjeni harmonici, što dovodi do primjetnog smanjenja kvalitete zvuka zbog čega muzika zvuči kao da izlazi iz trube. Pomalo trubački, ne baš snažan zvuk moga prethodnog pojačala klase D je razlog zašto sam odlučio istražiti i izgraditi pojačalo koristeći ovu opskurnu, nedovoljno korištenu topologiju.

Međutim, klasični "komparator trokutastih valova" nije jedini način za konstrukciju pojačala klase D. Postoji bolji način. Umjesto da oscilator modulira signal, zašto ne biste cijelo pojačalo učinili oscilatorom? Izlazni MOSFET-ovi se pokreću (putem odgovarajućeg pogonskog sklopa) izlazom komparatora s pozitivnim ulazom koji prima dolazni zvuk, a negativnim ulazom (smanjenom) verzijom izlaznog napona pojačala. Histereza se koristi u usporedbi za regulaciju frekvencije rada i sprječavanje nestabilnih visokofrekventnih rezonantnih moda. Nadalje, RC snubber mreža se koristi preko izlaza za suzbijanje zvonjenja na rezonantnoj frekvenciji izlaznog filtera i smanjenje faznog pomaka na blizu 90 stupnjeva pri radnoj frekvenciji pojačala od oko 100 Khz. Izostavljanje ovog jednostavnog, ali kritičnog filtera uzrokovat će samouništenje pojačala, jer se mogu stvoriti naponi od nekoliko stotina volti, koji trenutno uništavaju kondenzatore filtera.

Princip rada:

Pretpostavimo da je pojačalo prvo pokrenuto i da su svi naponi na nuli. Zbog histereze, komparator će odlučiti da povuče izlaz pozitivan ili negativan. Za ovaj primjer, pretpostavit ćemo da komparator povlači izlaz negativno. U roku od nekoliko desetina mikrosekundi, izlazni napon pojačala se smanjio dovoljno da okrene komparator i pošalje napon koji se ponovno vraća, a ovaj ciklus se ponavlja oko 60 do 100 hiljada puta svake sekunde, zadržavajući željeni napon na izlazu. Zbog velike impedanse prigušnice filtera i niske impedanse kondenzatora filtera na ovoj frekvenciji, nema mnogo buke na izlazu, a zbog visoke radne frekvencije daleko je iznad zvučnog raspona. Ako se ulazni napon poveća, izlazni napon će se povećati dovoljno da povratni napon dosegne izlazni napon. Na ovaj način se postiže pojačanje.

Prednosti u odnosu na standardnu klasu D:

1. Izuzetno niska izlazna impedancija: Budući da se izlazni MOSFET -ovi neće vratiti natrag sve dok se željeni izlazni napon ne dosegne nakon što se filter dosegne, impedancija izlaza je praktički nula. Čak i s razlikom od 0,1 volta između stvarnog i željenog izlaznog napona, krug će ispuštati pojačala u izlaz sve dok napon ne okrene komparator unatrag (ili nešto puhne).

2. Sposobnost čistog pogona reaktivnih opterećenja: Zbog izuzetno niske izlazne impedanse, samooscilirajuća klasa D može pokretati višesmjerne sisteme zvučnika s velikim padovima impedanse i vrhovima s vrlo malim harmoničnim izobličenjem. Preneseni subwoofer sistemi sa niskom impedansom na rezonantnoj frekvenciji porta odličan su primjer zvučnika za koje bi pojačalo "komparator trokutastih talasa" bez povratnih informacija imalo poteškoće u dobroj vožnji.

3. Širok frekvencijski odziv: S povećanjem frekvencije, pojačalo će pokušati kompenzirati promjenom radnog ciklusa kako bi povratni napon bio usklađen s ulaznim naponom. Zbog slabljenja filtera visokih frekvencija, visoke frekvencije će početi isjecati na nižem nivou napona od nižih, ali zbog muzike koja ima znatno veću električnu snagu u basu od visokih tonova (približno 1/f distribucija, više ako koristite pojačanje basova), ovo nije nikakav problem.

4. Stabilnost: Ako je pravilno dizajniran i sa postavljenom mrežom za odmrzavanje, fazna margina od skoro 90 ° izlaznog filtera na radnoj frekvenciji osigurava da pojačalo neće postati nestabilno, čak i ako vozite velika opterećenja pod velikim obrezivanjem. Raznećete nešto, verovatno vaše zvučnike ili podmornice, pre nego što pojačalo nestabili.

5. Učinkovitost i mala veličina: Zbog samoregulirajuće prirode pojačala, dodavanje dosta mrtvog vremena MOSFET preklopnim valnim oblicima ne utječe na kvalitetu zvuka. Efikasnost punog opterećenja od čak 90% je moguća s induktorima dobre kvalitete i MOSFET-ovima (u pojačalu koristim IRFB4115s). Kao rezultat toga, relativno mali hladnjak na FET -ovima je dovoljan, a ventilator je potreban samo ako radi u izoliranom kućištu velike snage.

Korak 1: Dijelovi, potrošni materijal i preduvjeti

Preduslovi:

Izgradnja bilo koje vrste kola velike snage, posebno one dizajnirane za čistu reprodukciju zvuka, zahtijeva poznavanje osnovnih koncepata elektronike. Morat ćete znati kako rade kondenzatori, prigušnice, otpornici, MOSFET-ovi i op-pojačala, kao i kako pravilno dizajnirati ploču za napajanje. Morate znati i kako lemiti komponente kroz rupe i kako koristiti stripboard (ili izgraditi PCB). Ovaj vodič je namijenjen ljudima koji su već izgradili umjereno komplicirana kola. Opsežno analogno znanje nije potrebno, jer većina podkružnih krugova u bilo kojem pojačalu klase D radi sa samo dva nivoa napona - uključenim ili isključenim.

Također ćete morati znati kako koristiti osciloskop (samo osnovne funkcije) i kako otkloniti pogreške u krugovima koji ne rade kako je predviđeno. Vrlo je vjerojatno da ćete sa krugom ove složenosti imati potkolo koje ne radi pri prvom sastavljanju. Pronađite i riješite problem prije nego prijeđete na sljedeći korak, otklanjanje pogrešaka u jednom podkrugu je mnogo lakše nego pokušaj pronalaska greške negdje na cijeloj ploči. Korištenje osciloskopa potrebno je za pronalaženje nenamjernih oscilacija i provjeru da li signali izgledaju onako kako bi trebali.

Opći savjeti:

Na bilo kojem pojačalu klase D imat ćete velike napone i struje koji se prebacuju na visokim frekvencijama, što ima potencijal stvaranja velike količine šuma. Također ćete imati audio kola male snage koja su osjetljiva na šum i koja će ih pokupiti i pojačati. Ulazni stupanj i stupanj napajanja trebaju biti na suprotnim krajevima ploče.

Dobro uzemljenje, posebno u fazi napajanja, također je bitno. Vodite računa da žice za uzemljenje idu direktno od negativnog terminala do svakog upravljačkog programa vrata i komparatora. Teško je imati previše žica za uzemljenje. Ako to radite na štampanoj ploči, upotrijebite uzemljenje za uzemljenje.

Dijelovi koji će vam trebati:

(Pošaljite mi poruku ako sam nešto propustio, prilično sam siguran da je ovo potpuna lista)

(Sve označeno kao HV mora biti ocijenjeno za barem pojačani napon za pokretanje zvučnika, po mogućnosti više)

(Mnogo toga se može spasiti iz elektronike i uređaja bačenih u kontejner, posebno kondenzatora)

• Napajanje od 24 V napaja 375 vata (koristio sam litijumsku bateriju, ako koristite bateriju, provjerite imate li LVC (prekid niskog napona))
• Pretvarač snage za povećanje snage koji može dati 350 vata na 65 volti. (Pretražite "Yeeco pretvarač snage 900 vati" na Amazonu i pronaći ćete onaj koji sam koristio.)
• "Perf ploča" ili proto-ploča na kojoj se sve gradi. Preporučujem da imate najmanje 15 kvadratnih inča za rad na ovom projektu, 18 ako želite ugradnu ploču postaviti na istu ploču.
• Hladnjak za montiranje MOSFET -ova
• 220uf kondenzator
• 2x 470uf kondenzator, jedan mora biti ocijenjen za ulazni napon (ne HV)
• 2x 470nf kondenzator
• 1x 1nf kondenzator
• 12x 100nf keramički kondenzator (ili možete koristiti poli)
• 2x 100nf Poly kondenzator [HV]
• 1x 1uf Poly kondenzator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR Elektrolitički kondenzator [HV]
• 2x 1n4003 dioda (svaka dioda koja može izdržati 2*HV ili više je u redu)
• 1x osigurač od 10 ampera (ili kratki komad žice 30AWG preko priključnog bloka)
• 2x induktor od 2,5 mh (ili namotajte svoj)
• 4x IRFB4115 MOSFET napajanja [HV] [Mora biti GENUINE!]
• Različiti otpornici, možete ih nabaviti na eBayu ili Amazonu za nekoliko dolara
• 4x 2k potenciometri za trimere
• 2x opcionalno pojačalo KIA4558 (ili slična audio pojačala)
• 3x LM311 komparatori
• 1x regulator napona 7808
• 1x pretvarač u dolarima "Lm2596", možete ih pronaći na eBayu ili Amazonu za nekoliko dolara
• 2x IC upravljački program za vrata NCP5181 (možda ćete razneti, dobiti više) [Mora biti ODLIČNO!]
• 3-pinsko zaglavlje za spajanje na ulaznu ploču (ili više pinova za mehaničku krutost)
• Žice ili priključni blokovi za zvučnike, napajanje itd
• Žica za napajanje 18AWG (za ožičenje stepena napajanja)
• 22 AWG priključna žica (za ožičenje svega ostalog)
• Audio transformator male snage 200 ohma za ulaznu fazu
• Mali računarski ventilator od 12v/200ma (ili manje) za hlađenje pojačala (opcionalno)

Alati i potrošni materijal:

• Osciloskop najmanje 2us/div rezolucije sa 1x i 10x sondom (možete upotrijebiti otpornik od 50k i 5k za izradu vlastite sonde od 10x)
• Multimetar koji može raditi napon, struju i otpor
• Lemilica i lemilica (koristim Kester 63/37, DOBRO KVALITETNO i bez olova radi i ako ste iskusni)
• Lemljenje, fitilj itd. Pogriješit ćete na ovako velikom krugu, posebno pri lemljenju induktora, to je bol.
• Rezači i skidači žice
• Nešto što može generirati kvadratni val od nekoliko HZ, poput matične ploče i mjerača vremena od 555

Korak 2: Saznajte kako funkcionira samooscilirajuća klasa D (izborno, ali preporučeno)

Prije nego počnete, dobra je ideja da saznate kako kolo zapravo funkcionira. To će uvelike pomoći pri bilo kakvim problemima koje biste mogli imati dalje, i pomoći će vam da razumijete šta čini svaki dio potpune sheme.

Prva slika je grafikon koji je proizveo LTSpice i prikazuje reakciju pojačala na trenutnu promjenu ulaznog napona. Kao što možete vidjeti na grafikonu, zelena linija pokušava slijediti plavu liniju. Čim se unos promijeni, zelena linija raste najbrže što može i smiruje se s minimalnim prekoračenjem. Crvena linija je napon izlaznog stupnja prije filtra. Nakon promjene, pojačalo se brzo smiruje i ponovno počinje oscilirati oko zadane vrijednosti.

Druga slika je osnovni dijagram kola. Audio ulaz se uspoređuje sa povratnim signalom, koji generira signal za pokretanje izlaznog stepena kako bi se izlaz približio ulazu. Histereza u usporedniku uzrokuje osciliranje kola oko željenog napona na frekvenciji koja je previsoka na uši ili zvučnike.

Ako imate LTSpice, možete preuzeti i igrati se sa.asc shematskom datotekom. Pokušajte promijeniti r2 da biste promijenili frekvenciju i gledajte kako kolo ludi dok uklanjate prigušivač koji prigušuje prekomjerne oscilacije oko rezonantne točke LC filtra.

Čak i ako nemate LTSpice, proučavanje slika dat će vam dobru ideju o tome kako sve funkcionira. A sada prijeđimo na izgradnju.

Korak 3: Izgradite izvor napajanja

Prije nego započnete bilo šta lemljenje, pogledajte shemu i primjer izgleda. Shema je SVG (vektorska grafika) pa kada je preuzmete, možete je zumirati koliko god želite bez gubitka rezolucije. Odlučite gdje ćete sve postaviti na ploču, a zatim izgradite napajanje. Priključite napon baterije i masu i pazite da se ništa ne zagrije. Pomoću multimetra podesite ploču "lm2596" na izlaz 12 volti i provjerite daje li regulator 7808 izlaz 8 volti.

To je to za napajanje.

Korak 4: Izradite izlaznu scenu i upravljački program za vrata

Od cijelog procesa izgradnje, ovo je najteži korak od svih. Izgradite sve u "upravljačkom krugu kapije" i "stupnju napajanja" u shemi, pazeći da su FET -ovi pričvršćeni na hladnjak.

Na shemi ćete vidjeti žice za koje se čini da ne idu nigdje i govore "vDrv". Nazivaju se oznakama u shemi i sve se oznake s istim tekstom povezuju zajedno. Spojite sve žice označene s "vDrv" na izlaz regulatorne ploče 12v.

Nakon završetka ove faze, uključite ovaj krug napajanjem s ograničenom strujom (možete upotrijebiti otpornik u seriji s napajanjem) i pobrinite se da se ništa ne zagrije. Pokušajte spojiti svaki od ulaznih signala na upravljački program vrata na 8v iz napajanja (jedan po jedan) i provjerite da li su ispravna vrata zatvorena. Nakon što provjerite znate li da gateway radi.

Zbog pogona vrata koji koristi bootstrap kolo, ne možete direktno testirati izlaz mjerenjem izlaznog napona. Stavite multimetar na provjeru dioda i provjerite između svakog priključka zvučnika i svakog priključka za napajanje.

1. Pozitivno za zvučnik 1
2. Pozitivno za zvučnik 2
3. Negativno za govornika 1
4. Negativno za zvučnika 2

Svaki bi trebao pokazati djelomičnu vodljivost samo na jedan način, baš poput diode.

Ako sve funkcionira, čestitamo, upravo ste završili najteži dio ploče. Zapamtili ste pravilno uzemljenje, zar ne?

Korak 5: Izgradite generator signala pogona na MOSFET -u

Nakon što završite upravljački program vrata i stupanj napajanja, spremni ste za izgradnju dijela kola koji generira signale koji upravljačkim programima vrata govore koje FET -ove treba uključiti u koje vrijeme.

U shemi sastavite sve u "Generatoru signala upravljačkog programa MOSFET -a s mrtvim vremenom", pazeći da ne zaboravite nijedan od sićušnih kondenzatora. Ako ih izostavite, krug će se i dalje dobro testirati, ali neće raditi dobro kada pokušate pokrenuti zvučnik zbog parazitskih oscilacija komparatora.

Zatim testirajte krug unošenjem kvadratnog vala od nekoliko herca u "generator signala upravljačkog programa MOSFET -a sa mrtvim vremenom" iz vašeg generatora signala ili 555 vremenskog kola. Spojite napon baterije na "HV ulaz" kroz otpornik za ograničavanje struje.

Priključite osciloskop na izlaze zvučnika. Nekoliko puta u sekundi trebali biste dobiti promjenu polariteta napona baterije. Ništa se ne smije zagrijati, a izlaz bi trebao biti lijep, oštar kvadratni val. Malo prekoračenje je u redu, sve dok nema više od 1/3 napona baterije.

Ako izlaz proizvodi čisti kvadratni val, to znači da sve što ste do sada izgradili funkcionira. Ostalo je samo jedno podkruženje do završetka.

Korak 6: Komparator, diferencijalno pojačalo i trenutak istine

Sada ste spremni za izgradnju dijela kola koji zapravo vrši modulaciju klase D.

U shemi sastavite sve u "Uporedniku s histerezom" i "Diferencijalno pojačalo za povratne informacije", kao i dva 5k otpornika koji održavaju krug stabilnim kada ništa nije spojeno na ulaz.

Priključite napajanje na krug (ali još ne naponsko napajanje) i provjerite trebaju li oba pina 2 i 3 U6 biti blizu pola Vrega (4 volta).

Ako su obje vrijednosti točne, spojite subwoofer preko izlaznih priključaka. priključite napajanje i visokonaponski napon na napon baterije kroz otpornik za ograničavanje struje (mogli biste koristiti otpornik od 4 ohma ili veći). Trebali biste čuti mali zvuk i subwoofer se ne bi trebao pomaknuti na ovaj ili onaj način više od milimetra. Provjerite osciloskopom kako biste bili sigurni da su signali koji ulaze i izlaze iz upravljačkih programa vrata NCP5181 čisti i imaju svaki radni ciklus od oko 40%. Ako to nije slučaj, podesite dva promjenjiva otpornika dok ne postanu. Učestalost pogonskih valova kapije bit će niža od željenih 70-110 KHZ zbog toga što HV nije spojen na pojačivač napona.

Ako signali pogona vrata uopće ne osciliraju, pokušajte prebaciti SPK1 i SPK2 na diferencijalno pojačalo. Ako i dalje ne radi, pomoću osciloskopa pronađite grešku. Gotovo je sigurno u krugu komparatora ili diferencijalnog pojačala.

Nakon što kolo radi, ostavite zvučnik priključenim i dodajte modul za pojačavanje napona kako biste povećali napon koji ide na VN na oko 65-70 volti (sjetite se osigurača). Uključite krug i pobrinite se da se u početku ništa ne zagrije, posebno MOSFET -ovi i induktor. Nastavite pratiti temperaturu oko 5 minuta. Normalno je da se induktor zagrijava, sve dok nije prevruće za neprestano dodirivanje. MOSFET -ovi ne smiju biti više od blago topli.

Ponovno provjerite frekvenciju i radni ciklus pogonskih valova kapije. Podesite za radni ciklus od 40% i osigurajte da frekvencija bude između 70 i 110 Khz. Ako nije, podesite R10 u shemi kako biste ispravili frekvenciju. Ako je frekvencija ispravna, spremni ste za početak reprodukcije zvuka s pojačalom.

Korak 7: Audio ulaz i završno testiranje

Sada kada pojačalo radi zadovoljavajuće, vrijeme je za izgradnju ulazne faze. Na drugoj ploči (ili istoj ako imate prostora), izgradite krug prema shemi priloženoj u ovom koraku (morate ga preuzeti), pazeći da je zaštićen uzemljenim komadom metala ako je blizu stvaranju buke komponente. Priključite napajanje i masu u krug s pojačala, ali još nemojte priključiti audio signal. Provjerite je li audio signal na oko 4 volta i blago se mijenja kada okrenete potenciometar za "DC offset Adjust". Podesite potenciometar na 4 volta i zalemite audio ulaznu žicu na ostatak kola.

Iako shema prikazuje korištenje utičnice za slušalice kao ulaza, mogli biste dodati i bluetooth adapter sa izlazom koji je ožičen tamo gdje se nalazi audio priključak. Bluetooth adapter može se napajati pomoću regulatora 7805. (Imao sam 7806 i koristio sam diodu da spustim još 0,7 volti).

Ponovo uključite pojačalo i priključite kabel u AUX utičnicu na ulaznoj ploči. Vjerojatno će biti slabe statike.

Ako je statika preglasna, možete pokušati nekoliko stvari:

• Jeste li dobro zaštitili ulaznu fazu? Komparatori takođe stvaraju buku.
• Dodajte kondenzator od 100 nf preko izlaza transformatora.
• Dodajte kondenzator od 100 nf između audio izlaza i mase i postavite 2k otpornik u red prije kondenzatora.
• Uvjerite se da pomoćni kabel nije u blizini kabela napajanja ili pojačala.

Polako (tijekom nekoliko minuta) pojačajte zvuk, pazeći da se ništa ne zagrije ili izobliči. Podesite pojačanje tako da se pojačalo ne prekida, osim ako je glasnoća maksimalna.

Ovisno o kvaliteti jezgre induktora i veličini hladnjaka, možda bi bilo dobro dodati mali ventilator, napajan iz 12v šine, za hlađenje pojačala. Ovo je posebno dobra ideja ako ćete ga staviti u kutiju.