350 -vatni samooscilirajoči ojačevalnik razreda D: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Uvod in zakaj sem naredil to navodilo:

Na internetu obstaja veliko vaj, ki ljudem prikazujejo, kako izdelati svoje ojačevalnike razreda D. So učinkoviti, enostavni za razumevanje in vsi uporabljajo isto splošno topologijo. En del vezja generira visokofrekvenčni trikotni val, ki ga primerjamo z zvočnim signalom za moduliranje izhodnih stikal (skoraj vedno MOSFET-ov) za vklop in izklop. Večina teh modelov "naredi sam razreda D" nima povratnih informacij, tiste, ki v basovskem območju zvenijo čisto. Proizvajajo nekoliko sprejemljive ojačevalnike nizkotoncev, vendar imajo v visokih regijah znatno popačenje. Tisti brez povratnih informacij, zaradi mrtvega časa, potrebnega za preklapljanje MOSFET, imajo izhodno valovno obliko, ki je videti kot trikotnik, v nasprotju s sinusnim valom. Prisotne so pomembne neželene harmonike, kar vodi v opazno zmanjšanje kakovosti zvoka, zaradi česar glasba zveni nekako tako, kot bi prišla iz trobente. Nekoliko trobento, ne tako pikanten zvok mojega prejšnjega ojačevalnika razreda D sem se odločil raziskati in zgraditi ojačevalnik s to nejasno, premalo izkoriščeno topologijo.

Vendar klasični "trikotni primerjalnik valov" ni edini način za izdelavo ojačevalnika razreda D. Obstaja boljši način. Namesto da bi oscilator moduliral signal, zakaj ne bi celotnega ojačevalnika naredili za oscilator? Izhodne MOSFET-e poganja (preko ustreznega pogonskega vezja) izhod primerjalnika s pozitivnim vhodom, ki sprejema vhodni zvok, in z negativnim vhodom (pomanjšana) različica izhodne napetosti ojačevalnika. Histereza se v primerjalniku uporablja za uravnavanje frekvence delovanja in preprečevanje nestabilnih visokofrekvenčnih resonančnih načinov. Poleg tega se prek izhoda uporablja omrežje RC snubber za zatiranje zvonjenja pri resonančni frekvenci izhodnega filtra in zmanjšanje faznega premika na skoraj 90 stopinj pri delovni frekvenci ojačevalnika okoli 100 Khz. Izpustitev tega preprostega, a kritičnega filtra povzroči, da se ojačevalnik samodejno uniči, saj lahko nastane napetost nekaj sto voltov, ki v trenutku uniči kondenzatorje filtra.

Načelo delovanja:

Predpostavimo, da je ojačevalnik prvič vklopljen in da so vse napetosti na nič. Zaradi histereze se bo primerjalnik odločil, da bo izhod potegnil pozitivno ali negativno. Za ta primer bomo predpostavili, da primerjalnik potegne negativni izhod. V nekaj deset mikrosekundah se je izhodna napetost ojačevalnika dovolj znižala, da je primerjalnik obrnil in napetost spet poslala navzgor, ta cikel pa se vsako sekundo ponovi približno 60 do 100 tisoč krat, pri čemer se želena napetost ohrani na izhodu. Zaradi visoke impedance induktorja filtra in nizke impedance kondenzatorja filtra pri tej frekvenci na izhodu ni veliko hrupa, zaradi visoke delovne frekvence pa je daleč nad slišnim območjem. Če se vhodna napetost poveča, se bo izhodna napetost dovolj povečala, da povratna napetost doseže izhodno napetost. Na ta način se doseže ojačanje.

Prednosti pred standardnim razredom D:

1. Izjemno nizka izhodna impedanca: Ker se izhodni MOSFET -ji ne bodo preklopili nazaj, dokler ni dosežena želena izhodna napetost po dosegu filtra, je impedanca izhoda skoraj nič. Tudi z 0,1 -voltno razliko med dejansko in želeno izhodno napetostjo bo vezje iztisnilo ojačevalnike v izhod, dokler napetost ne obrne primerjalnika nazaj (ali kaj piha).

2. Sposobnost čistega pogona reaktivnih obremenitev: Zaradi izjemno nizke izhodne impedance lahko samonihajoči razred D poganja večsmerne sisteme zvočnikov z velikimi impedančnimi padci in vrhovi z zelo majhnim harmoničnim popačenjem. Preneseni sistemi nizkotoncev z nizko impedanco na resonančni frekvenci vrat so odličen primer zvočnika, ki bi se z ojačevalnikom "primerjalnik trikotnih valov" brez povratnih informacij boril za dobro vožnjo.

3. Širok frekvenčni odziv: Ko se frekvenca povečuje, bo ojačevalnik poskušal kompenzirati z večjim spreminjanjem delovnega cikla, da bo povratna napetost usklajena z vhodno napetostjo. Zaradi oslabitve filtra pri visokih frekvencah se bodo visoke frekvence začele posnemati pri nižji napetostni ravni kot pri nižjih, vendar zaradi glasbe, ki ima v basu bistveno več električne energije kot pri visokih tonih (približno 1/f porazdelitev, več, če uporabite ojačanje nizkih tonov), to sploh ni problem.

4. Stabilnost: Če je pravilno načrtovan in ima nameščeno mrežo za odmrzovanje, skoraj 90 ° fazni rob izhodnega filtra pri delovni frekvenci zagotavlja, da ojačevalnik ne bo nestabilen, tudi če vozite velike obremenitve pod močnim obrezovanjem. Nekaj boste razstrelili, verjetno vaše zvočnike ali podmornice, preden ojačevalnik postane nestabilen.

5. Učinkovitost in majhnost: Zaradi samoregulacijske narave ojačevalnika dodajanje veliko mrtvega časa preklopnim valovnim oblikam MOSFET ne vpliva na kakovost zvoka. Učinkovitost polne obremenitve, ki presega 90%, je možna s kakovostnim induktorjem in MOSFET-i (v ojačevalniku uporabljam IRFB4115s). Posledično zadostuje sorazmerno majhen hladilnik na FET -jih, ventilator pa je potreben le, če deluje v izoliranem ohišju z veliko močjo.

1. korak: Deli, potrebščine in predpogoji

Predpogoji:

Za izdelavo kakršnega koli vezja z veliko močjo, zlasti tistega, ki je namenjeno čisti reprodukciji zvoka, je potrebno poznavanje osnovnih konceptov elektronike. Vedeti boste morali, kako delujejo kondenzatorji, induktorji, upori, MOSFET-i in op-ojačevalniki ter kako pravilno načrtovati vezje za napajanje. Prav tako morate vedeti, kako spajkati sestavne dele skozi luknje in kako uporabljati trak (ali izdelati tiskano vezje). Ta vadnica je namenjena ljudem, ki so že zgradili zmerno zapletena vezja. Obsežno analogno znanje ni potrebno, saj večina podvezij v katerem koli ojačevalniku razreda D obravnava le dve napetostni stopnji - vklopljeno ali izklopljeno.

Prav tako boste morali vedeti, kako uporabljati osciloskop (samo osnovne funkcije) in kako odpraviti napake v vezjih, ki ne delujejo po predvidevanjih. Pri tako kompleksnem vezju je zelo verjetno, da boste imeli pri prvem sestavljanju podkrog, ki ne deluje. Preden nadaljujete z naslednjim korakom, poiščite in odpravite težavo. Odpravljanje napak v enem vezju je veliko lažje kot iskanje napake nekje na celotni plošči. Uporaba osciloskopa je potrebna za iskanje nenamernih nihanj in preverjanje, ali signali izgledajo tako, kot bi morali.

Splošni nasveti:

Na vsakem ojačevalniku razreda D boste imeli visoke napetosti in tokove, ki se preklapljajo pri visokih frekvencah, kar lahko ustvari veliko hrupa. Imeli boste tudi zvočna vezja z nizko porabo energije, ki so občutljiva na hrup in jih bodo pobrala in okrepila. Vhodna stopnja in stopnja napajanja morata biti na nasprotnih koncih plošče.

Bistvena je tudi dobra ozemljitev, zlasti na stopnji napajanja. Prepričajte se, da ozemljitvene žice vodijo neposredno od negativnega priključka do vsakega gonilnika vrat in primerjalnika. Težko je imeti preveč ozemljitvenih žic. Če to počnete na tiskanem vezju, uporabite ozemljitveno ploščo za ozemljitev.

Deli, ki jih boste potrebovali:

(Če sem kaj spregledal, mi pišite, prepričan sem, da je to celoten seznam)

(Vse, kar je označeno kot HV, je treba oceniti za vsaj povečano napetost za pogon zvočnika, po možnosti več)

(Veliko teh je mogoče rešiti iz elektronike in naprav, ki jih vržejo v smetnjak, zlasti kondenzatorje)

• 24 -voltno napajanje z zmogljivostjo 375 vatov (uporabil sem litijevo baterijo, če uporabljate baterijo, se prepričajte, da imate LVC (nizkonapetostna omejitev))
• Pretvornik povečane moči, ki zmore 350 vatov pri 65 voltih. (Poiščite »Yeeco pretvornik 900 vatov« na Amazonu in našli boste tistega, ki sem ga uporabil.)
• "Perf deska" ali proto-plošča, na kateri lahko gradite vse. Priporočam, da imate za ta projekt vsaj 15 kvadratnih centimetrov, 18 če želite vhodno ploščo zgraditi na isti plošči.
• Hladilnik za namestitev MOSFET -ov
• 220uf kondenzator
• 2x 470uf kondenzator, eden mora biti ocenjen za vhodno napetost (ne HV)
• 2x 470nf kondenzator
• 1x 1nf kondenzator
• 12x 100nf keramični kondenzator (ali lahko uporabite poli)
• 2x 100nf poli kondenzator [HV]
• 1x 1uf poli kondenzator [HV]
• 1x 470uf NIZKI ESR elektrolitski kondenzator [HV]
• 2x 1n4003 dioda (vsaka dioda, ki prenese 2*HV ali več, je v redu)
• 1x varovalka 10 amp (ali kratek kos žice 30AWG čez priključni blok)
• 2x 2,5mh induktor (ali navijte svojega)
• 4x IRFB4115 Napajalni MOSFET [HV] [Mora biti PRAVO!]
• Različni upori jih lahko za nekaj dolarjev dobite na eBayu ali Amazonu
• 4x 2k trimer potenciometri
• 2x opcijski ojačevalnik KIA4558 (ali podobni ojačevalniki zvoka)
• 3x primerjalniki LM311
• 1x regulator napetosti 7808
• 1x pretvorniška plošča "Lm2596", ki jo najdete na eBayu ali Amazonu za nekaj dolarjev
• 2x IC gonilnik vrat NCP5181 (morda boste razstrelili nekaj, dobili več) [Mora biti PRAVO!]
• 3-polna glava za povezavo z vhodno ploščo (ali več zatiči za mehansko togost)
• Žice ali priključni bloki za zvočnike, napajanje itd
• Napajalna žica 18AWG (za ožičenje napajalne stopnje)
• 22 AWG priključna žica (za ožičenje vsega drugega)
• 200 ohmski nizkoenergetski avdio transformator za vhodno stopnjo
• Majhen računalniški ventilator 12v/200ma (ali manj) za hlajenje ojačevalnika (neobvezno)

Orodja in potrebščine:

• Osciloskop z ločljivostjo najmanj 2us/div z 1x in 10x sondo (za izdelavo lastne 10x sonde lahko uporabite upor 50k in 5k)
• Multimeter, ki zmore napetost, tok in upor
• Spajkalnik in spajkalnik (uporabljam Kester 63/37, DOBRO KAKOVOST brez svinca deluje tudi, če imate izkušnje)
• Spajkalni sesalec, stenj itd. Na tem velikem vezju boste delali napake, še posebej pri spajkanju induktorja, to je bolečina.
• Rezalniki in odstranjevalci žice
• Nekaj, kar lahko ustvari kvadratni val nekaj HZ, na primer načrt in časovnik 555

2. korak: Naučite se, kako deluje samonihajoči razred D (neobvezno, vendar priporočljivo)

Preden začnete, je dobro, da se seznanite, kako vezje dejansko deluje. Pomagal vam bo pri morebitnih težavah, ki bi jih lahko imeli v prihodnje, in vam bo pomagal razumeti, kaj počne vsak del celotne sheme.

Prva slika je graf LTSpice, ki prikazuje odziv ojačevalnika na trenutno spremembo vhodne napetosti. Kot je razvidno iz grafa, zelena črta poskuša slediti modri črti. Takoj, ko se vnos spremeni, se zelena črta dvigne čim hitreje in se umiri z minimalnim prekoračitvijo. Rdeča črta je napetost izhodne stopnje pred filtrom. Po spremembi se ojačevalnik hitro umiri in spet začne nihati okoli nastavljene točke.

Druga slika je osnovni diagram vezja. Zvočni vhod se primerja s povratnim signalom, ki ustvari signal za pogon izhodne stopnje, da približa izhod vhodu. Histereza v primerjalniku povzroči, da vezje niha okoli želene napetosti s frekvenco, ki je previsoka, da bi se nanjo odzvala ušesa ali zvočniki.

Če imate LTSpice, lahko prenesete in se poigrate s shematsko datoteko.asc. Poskusite spremeniti r2, da spremenite frekvenco, in opazujte, kako vezje nori, ko odstranite snubber, ki duši prekomerna nihanja okoli resonančne točke LC filtra.

Tudi če nimate LTSpice, vam bo preučevanje slik dobro predstavilo, kako vse deluje. Zdaj pa pojdimo k gradnji.

3. korak: Zgradite napajalnik

Preden kaj začnete spajkati, si oglejte shemo in primer postavitve. Shema je SVG (vektorska grafika), zato jo lahko, ko jo prenesete, povečate, kolikor želite, ne da bi pri tem izgubili ločljivost. Odločite se, kam boste vse postavili na ploščo, nato pa zgradite napajalnik. Priključite napetost akumulatorja in ozemljite ter se prepričajte, da se nič ne segreje. Z multimetrom nastavite ploščo "lm2596" na izhod 12 voltov in preverite, ali regulator 7808 oddaja 8 voltov.

To je to za napajalnik.

4. korak: Zgradite izhodno stopnjo in gonilnik vrat

Od celotnega postopka gradnje je to najtežji korak od vseh. V shemo zgradite vse v "vezju gonilnika vrat" in "stopnji napajanja", pri čemer pazite, da so FET pritrjeni na hladilnik.

Na shemi boste videli žice, za katere se zdi, da ne gredo nikamor in pravijo "vDrv". Te se v schmatiku imenujejo oznake in vse oznake z istim besedilom se povežejo. Priključite vse žice z oznako "vDrv" na izhod regulatorne plošče 12v.

Ko končate to stopnjo, napajajte to vezje z napajanjem, omejenim s tokom (lahko uporabite zaporedni upor z napajalnikom) in zagotovite, da se nič ne segreje. Poskusite priključiti vsak od vhodnih signalov na gonilnik vrat na 8v iz napajalnika (enega za drugim) in preverite, ali se napajajo ustrezna vrata. Ko se prepričate, da veste, da pogon vrat deluje.

Ker pogon vrat uporablja zagonsko vezje, izhoda ne morete preizkusiti neposredno z merjenjem izhodne napetosti. Multimeter namestite na diode in preverite med vsakim priključkom zvočnika in vsakim priključkom za napajanje.

1. Pozitivno za govornika 1
2. Pozitivno za zvočnika 2
3. Negativno za govornika 1
4. Negativno za govornika 2

Vsak bi moral pokazati delno prevodnost le na en način, tako kot dioda.

Če vse deluje, čestitam, pravkar ste končali najtežji del plošče. Spomnili ste se na pravilno ozemljitev, kajne?

5. korak: Zgradite generator signalov pogona MOSFET Gate

Ko končate gonilnik vrat in stopnjo napajanja, ste pripravljeni sestaviti del vezja, ki generira signale, ki gonilnikom vrat povedo, katere FET -e naj vklopijo ob katerem času.

Vse sestavite v "generatorju signalov gonilnika MOSFET z mrtvim časom" v shemi, pri tem pazite, da ne pozabite na enega od drobnih kondenzatorjev. Če jih izpustite, se bo vezje še vedno dobro preizkusilo, vendar ne bo delovalo dobro, ko boste poskušali poganjati zvočnik zaradi parazitsko nihanja primerjalnikov.

Nato preskusite vezje tako, da vnesete kvadratni val nekaj hercev v "generator signala gonilnika MOSFET z mrtvim časom" iz vašega generatorja signala ali časovnega tokokroga 555. Napetost akumulatorja priključite na "HV in" skozi upor za omejevanje toka.

Priključite osciloskop na izhode zvočnikov. Nekajkrat na sekundo bi morali spremeniti polariteto napetosti baterije. Nič se ne sme segreti in izhod mora biti lep, oster kvadratni val. Malo prekoračitev je v redu, če ne presega 1/3 napetosti baterije.

Če izhod proizvaja čisti kvadratni val, to pomeni, da vse, kar ste do sedaj zgradili, deluje. Do zaključka je ostalo le še eno vezje.

6. korak: Primerjalnik, diferencialni ojačevalnik in trenutek resnice

Zdaj ste pripravljeni sestaviti del vezja, ki dejansko izvaja modulacijo razreda D.

V shemo sestavite vse v "Primerjalniku s histerezo" in "Diferencialni ojačevalnik za povratno informacijo", pa tudi dva 5k upora, ki ohranjata stabilnost vezja, ko na vhod ni nič povezanega.

Priključite napajanje na vezje (vendar še ne HV) in preverite, ali morata biti nožici 2 in 3 U6 res blizu polovice Vreg (4 volti).

Če sta obe vrednosti pravilni, na izhodne sponke priključite nizkotonec. priključite napajanje in visokonapetostno napetost na napetost akumulatorja skozi upor za omejevanje toka (kot upor lahko uporabite nizkotonec 4 ohma ali več). Slišati bi morali majhen zvok in nizkotonec se ne bi smel premikati tako ali drugače za več kot milimeter. Preverite z osciloskopom, da se prepričate, da so signali, ki vstopajo in izhajajo iz gonilnikov vrat NCP5181, čisti in imajo vsak okoli 40% delovni cikel. Če temu ni tako, nastavite oba spremenljiva upora, dokler nista. Frekvenca pogonskih valov vrat bo nižja od želenih 70-110 KHZ, ker HV ni priključen na ojačevalnik napetosti.

Če signali pogonov vrat ne nihajo, poskusite preklopiti SPK1 in SPK2 na diferencialni ojačevalnik. Če še vedno ne deluje, z osciloskopom poiščite napako. Skoraj zagotovo je v vezju primerjalnika ali diferencialnega ojačevalnika.

Ko vezje deluje, pustite zvočnik priključen in dodajte modul za povečanje napetosti, da povečate napetost v HV na približno 65-70 voltov (ne pozabite na varovalko). Vklopite vezje in se prepričajte, da se na začetku nič ne segreje, zlasti MOSFET -i in induktor. Nadaljujte s spremljanjem temperature približno 5 minut. Normalno je, da se induktor segreje, če ni vroče, da bi se ga neprestano dotikali. MOSFETI ne smejo biti rahlo topli.

Ponovno preverite frekvenco in obratovalni cikel pogonskih valov vrat. Prilagodite za 40% obratovalni cikel in zagotovite, da je frekvenca med 70 in 110 Khz. Če ni, prilagodite R10 v shemi, da popravite frekvenco. Če je frekvenca pravilna, ste pripravljeni na predvajanje zvoka z ojačevalnikom.

7. korak: avdio vhod in končno testiranje

Zdaj, ko sam ojačevalnik deluje zadovoljivo, je čas za izgradnjo vhodne stopnje. Na drugi plošči (ali isti, če imate prostor), zgradite vezje v skladu s shemo, ki je priložena temu koraku (morate ga prenesti), pri tem pa se prepričajte, da je zaščiteno z ozemljenim kosom kovine, če je blizu kakršnega koli hrupa komponente. Ojačevalnik priključite na ozemljitev in ozemljitev, vendar zvočnega signala še ne priključite. Preverite, ali je zvočni signal na približno 4 voltih in se rahlo spremeni, ko zavrtite potenciometer "DC offset setting". Potenciometer nastavite na 4 volte in spajkajte avdio vhodno žico na preostalo vezje.

Čeprav shema prikazuje uporabo vhoda za slušalke kot vhoda, lahko dodate tudi vmesnik Bluetooth z izhodom, priključenim na mesto, kjer je avdio priključek. Bluetooth adapter lahko napaja regulator 7805. (Imel sem 7806 in z diodo spustil še 0,7 voltov).

Ponovno vklopite ojačevalnik in priključite kabel v vtičnico AUX na vhodni plošči. Verjetno bo prišlo do rahle statičnosti.

Če je statika preglasna, lahko poskusite nekaj stvari:

• Ste dobro zaščitili vhodno stopnjo? Primerjalniki ustvarjajo tudi hrup.
• Na izhod transformatorja dodajte kondenzator 100 nf.
• Med avdio izhodom in maso dodajte kondenzator 100 nf in postavite 2k upor v vrsto pred kondenzatorjem.
• Prepričajte se, da pomožni kabel ni v bližini napajalnih ali izhodnih kablov ojačevalnika.

Počasi (več minut) povečajte glasnost in tako zagotovite, da se nič ne segreje ali popači. Prilagodite ojačanje tako, da se ojačevalnik ne posname, razen če je glasnost največja.

Odvisno od kakovosti jedra induktorja in velikosti hladilnega telesa je morda dobro dodati majhen ventilator, ki se napaja iz 12 -voltnega vodila, za hlajenje ojačevalnika. To je še posebej dobra ideja, če jo boste dali v škatlo.