Amplificador de classe D auto oscil·lant de 350 watts: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

Introducció i per què he fet això instructiu:

A Internet, hi ha multitud de tutorials que mostren a la gent com construir els seus propis amplificadors de classe D. Són eficients, senzills d’entendre i fan servir la mateixa topologia general. Una part del circuit genera una ona triangular d’alta freqüència i es compara amb el senyal d’àudio per modular els commutadors de sortida (gairebé sempre MOSFET) encès i apagat. La majoria d'aquests dissenys de "DIY Class D" no tenen comentaris i els que només sonen nets a la regió dels baixos. Fabriquen amplificadors de subwoofer una mica acceptables, però presenten una distorsió significativa a les regions agudes. Els que no tenen retroalimentació, a causa del temps mort necessari per a la commutació MOSFET, tenen una forma d'ona de sortida que s'assembla a una ona triangular, a diferència d'una ona sinusoïdal. Hi ha presents harmònics no desitjats significatius, que condueixen a una disminució notable de la qualitat del so que fa que la música soni com si sortís d’una trompeta. El so una mica trumpet i no tan punyent del meu anterior amplificador de classe D és per això que vaig decidir investigar i construir un amplificador amb aquesta topologia obscura i infrautilitzada.

No obstant això, el clàssic "comparador d'ones triangulars" no és l'única manera de construir un amplificador de classe D. Hi ha una manera millor. En lloc de tenir un oscil·lador que moduli el senyal, per què no fer que l’amplificador siga l’oscil·lador? Els MOSFET de sortida són conduïts (mitjançant circuits adequats de la unitat) per la sortida d’un comparador amb l’entrada positiva que rep l’àudio entrant i l’entrada negativa que rep una versió (reduïda) del voltatge de sortida de l’amplificador. La histèresi s’utilitza en el comparador per regular la freqüència d’operació i evitar modes de ressonància inestables i d’alta freqüència. A més, s’utilitza una xarxa de canals RC a tota la sortida per suprimir els timbres a la freqüència de ressonància del filtre de sortida i disminuir el desplaçament de fase a prop de 90 graus a la freqüència de funcionament de l’amplificador d’uns 100 kHz. L'omissió d'aquest senzill però crític filtre farà que l'amplificador s'autodestrueixi, ja que es poden generar tensions de diversos centenars de volts, destruint els condensadors del filtre a l'instant.

Principi de funcionament:

Suposem que l’amplificador s’inicia i que totes les tensions estan a zero. A causa de la seva histèresi, el comparador decidirà obtenir la sortida positiva o negativa. Per a aquest exemple, assumirem que el comparador treu el resultat negatiu. En poques desenes de microsegons, la tensió de sortida de l'amplificador ha disminuït prou com per capgirar el comparador i tornar a tornar a pujar la tensió, i aquest cicle es repeteix al voltant de 60 a 100 mil vegades cada segon, mantenint el voltatge desitjat a la sortida. A causa de l’alta impedància de l’inductor del filtre i de la baixa impedància del condensador del filtre a aquesta freqüència, no hi ha molt soroll a la sortida i, a causa de l’alta freqüència de funcionament, està molt per sobre del rang audible. Si el voltatge d'entrada augmenta, el voltatge de sortida augmentarà prou perquè el voltatge de retroalimentació arribi al voltatge de sortida. D'aquesta manera s'aconsegueix l'amplificació.

Avantatges respecte a la classe D estàndard:

1. Impedància de sortida extremadament baixa: atès que els MOSFET de sortida no canviaran fins que es produeixi la tensió de sortida desitjada després que s'assoleixi el filtre, la impedància de la sortida és pràcticament nul·la. Fins i tot amb una diferència de 0,1 volts entre la tensió de sortida real i la desitjada, el circuit bolcarà els amplificadors a la sortida fins que la tensió faci girar el comparador cap enrere (o alguna cosa salti).

2. Capacitat per conduir netament càrregues reactives: a causa de la impedància de sortida extremadament baixa, la classe D autooscil·lant pot conduir sistemes d’altaveus multidireccionals amb grans picades d’impedància i pics amb molt poca distorsió harmònica. Els sistemes de subwoofer portats amb baixa impedància a la freqüència de ressonància del port són un exemple excel·lent d'un altaveu que un amplificador "comparador d'ones triangulars" sense retroalimentació tindria problemes per conduir bé.

3. Resposta de freqüència àmplia: a mesura que augmenta la freqüència, l'amplificador intentarà compensar variant el cicle de treball per mantenir la tensió de retroalimentació coincident amb la tensió d'entrada. A causa de l’atenuació del filtre per freqüències altes, les freqüències altes començaran a retallar-se a un nivell de voltatge inferior a les baixes, però a causa de la música amb molta més potència elèctrica als baixos que els aguts (aproximadament una distribució 1 / f, més si utilitzeu l’augment de greus), això no és cap problema.

4. Estabilitat: si es dissenya adequadament i amb una xarxa de barres al seu lloc, el marge de fase de gairebé 90 ° del filtre de sortida a la freqüència de funcionament garanteix que l’amplificador no esdevingui inestable, fins i tot si condueix càrregues pesades amb forts retalls. Bufareu alguna cosa, probablement els vostres altaveus o subordinats, abans que l'amplificador es posi inestable.

5. Eficiència i mida reduïda: a causa de la naturalesa autoreguladora de l'amplificador, afegir molt de temps mort a les formes d'ona de commutació MOSFET no afecta la qualitat del so. És possible una eficiència de càrrega completa del 90% amb un inductor i MOSFET de bona qualitat (faig servir IRFB4115 al meu amplificador). Com a resultat, un dissipador de calor relativament petit als FETs és suficient i només es necessita un ventilador si funciona dins d’un recinte aïllat a gran potència.

Pas 1: peces, subministraments i requisits previs

Requisits previs:

Construir qualsevol tipus de circuit d'alta potència, especialment un dissenyat per reproduir àudio de manera neta, requereix un coneixement dels conceptes bàsics d'electrònica. Haureu de saber com funcionen els condensadors, els inductors, les resistències, els MOSFET i els amplificadors operatius, així com la manera de dissenyar adequadament una placa de circuit de gestió de potència. També heu de saber soldar components del forat passant i com utilitzar el tauler de fusta (o construir un PCB). Aquest tutorial està dirigit a persones que abans han creat circuits moderadament complicats. No cal un ampli coneixement analògic, ja que la majoria dels subcircuits de qualsevol amplificador de classe D tenen només dos nivells de tensió: activat o apagat.

També haureu de saber utilitzar un oscil·loscopi (només les funcions bàsiques) i com depurar circuits que no funcionen tal com es pretenia. És molt probable, amb un circuit d’aquesta complexitat, que acabi tenint un subcircuit que no funcioni la primera vegada que el construeixi. Cerqueu i solucioneu el problema abans de passar al següent pas; depurar un subcircuit és molt més fàcil que intentar trobar un error en algun lloc de tota la placa. L’ús de l’oscil·loscopi és necessari per trobar una oscil·lació no desitjada i verificar que els senyals tinguin l’aspecte que haurien de fer.

Consells generals:

En qualsevol amplificador de classe D, tindreu voltatges i corrents elevats que canvien a altes freqüències, cosa que pot generar una gran quantitat de soroll. També tindreu circuits d’àudio de baixa potència que són sensibles al soroll i que el captaran i amplificaran. L'etapa d'entrada i de potència hauria d'estar en extrems oposats de la placa.

Una bona connexió a terra, especialment en la fase de potència, també és essencial. Assegureu-vos que els cables de terra s’executen directament des del terminal negatiu a cada controlador de porta i comparador. És difícil tenir massa cables de terra. Si ho feu en una placa de circuit imprès, utilitzeu un pla de terra per posar a terra.

Parts que necessitareu:

(Envieu-me un missatge si en trobo a faltar, estic segur que es tracta d'una llista completa)

(Cal classificar tot el contingut etiquetat com a mínim per a la tensió augmentada per accionar l’altaveu, preferiblement més)

(Molts d'aquests es poden recuperar de l'electrònica i els electrodomèstics llançats a un contenidor, especialment els condensadors)

• Alimentació de 24 volts capaç de 375 watts (he utilitzat una bateria de liti, si utilitzo una bateria, assegureu-vos que teniu un LVC (tall de baixa tensió))
• Convertidor de potència Boost capaç de proporcionar 350 watts a 65 volts. (Cerqueu "Convertidor de potència Yeeco 900 watts" a Amazon i trobareu el que he utilitzat.)
• "Perf board" o proto-board per construir-ho tot. Us recomano tenir almenys 15 polzades quadrades per treballar en aquest projecte, 18 si voleu construir la placa d’entrada al mateix tauler.
• Dissipador de calor per muntar els MOSFET
• Condensador de 220uf
• 2x 470uf Capacitor, s'ha de classificar per a la tensió d'entrada (no HV)
• Condensador 2x 470nf
• 1x 1nf condensador
• Condensador de ceràmica 12x 100nf (o podeu utilitzar poli)
• 2x condensador poli 100nf [HV]
• 1x 1uf condensador poli [HV]
• 1x 470uf LOW ESR Condensador electrolític [HV]
• 2x 1n4003 díode (qualsevol díode que suporti 2 * HV o més està bé)
• 1x fusible de 10 amperis (o tros curt de fil de 30AWG a través d'un bloc de terminals)
• 2x 2,5 mh inductor (o enrotlleu el vostre propi)
• 4x IRFB4115 MOSFET d'alimentació [HV] [Ha de ser GENUÍ!]
• Diverses resistències, les podeu treure d’eBay o Amazon per uns quants dòlars
• Potenciómetres 4x 2k Trimmer
• 2 amplificadors operatius KIA4558 (o amplificadors operatius d’àudio similars)
• 3x comparadors LM311
• 1x regulador de tensió 7808
• 1 x placa convertidora "Lm2596", podeu trobar-les a eBay o Amazon per uns quants dòlars
• 2x IC de controlador de porta NCP5181 (pot ser que en bufeu alguna cosa, en rebreu més) [Deu ser GENUÍ!]
• Capçalera de 3 pins per connectar-se a la placa d'entrada (o més pins per a la rigidesa mecànica)
• Filferros o blocs de terminals per a altaveus, alimentació, etc.
• Cable d'alimentació de 18AWG (per cablejar l'escenari de potència)
• Cable de connexió de 22 AWG (per cablejar tota la resta)
• Transformador d'àudio de baixa potència de 200 ohm per a la fase d'entrada
• Ventilador petit de 12v / 200ma (o menys) per refredar l'amplificador (opcional)

Eines i subministraments:

• Oscil·loscopi amb una resolució mínima de 2us / div amb sonda 1x i 10x (podeu utilitzar una resistència de 50k i 5k per crear la vostra pròpia sonda 10x)
• Multímetre que pot fer tensió, corrent i resistència
• Soldador i soldador (faig servir Kester 63/37, sense plom de BONA QUALITAT també funciona si teniu experiència)
• Soldador, metxa, etc. Cometreu errors en un circuit tan gran, sobretot en soldar l’inductor, és un dolor.
• Talladors de filferro i peladors
• Alguna cosa que pot generar una ona quadrada d’uns quants HZ, com ara una taula de pa i un temporitzador 555

Pas 2: apreneu com funciona la classe D autooscil·lant (opcional però recomanat)

Abans de començar, és una bona idea conèixer com funciona realment el circuit. Us ajudarà molt amb qualsevol problema que pugueu tenir més endavant i us ajudarà a entendre què fa cada part de l'esquema complet.

La primera imatge és un gràfic produït per LTSpice que mostra la resposta de l'amplificador a un canvi instantani de voltatge d'entrada. Com podeu veure al gràfic, la línia verda intenta seguir la línia blava. Tan bon punt canvia l’entrada, la línia verda puja el més ràpid que pot i es resol amb un mínim de sobrepassament. La línia vermella és el voltatge de l'etapa de sortida abans del filtre. Després del canvi, l'amplificador s'instal·la ràpidament i torna a oscil·lar al voltant del punt de consigna.

La segona imatge és el diagrama bàsic del circuit. L'entrada d'àudio es compara amb el senyal de retroalimentació, que genera un senyal que condueix l'etapa de sortida per apropar la sortida a l'entrada. La histèresi en el comparador fa que el circuit oscil·li al voltant del voltatge desitjat a una freqüència massa alta perquè les orelles o els altaveus puguin respondre.

Si teniu LTSpice, podeu descarregar i jugar amb el fitxer esquemàtic.asc. Proveu de canviar r2 per canviar la freqüència i observeu com el circuit es torna boig mentre elimineu la canalla que humiteja una oscil·lació excessiva al voltant del punt de ressonància del filtre LC.

Fins i tot si no teniu LTSpice, estudiar les imatges us donarà una bona idea de com funciona tot. Ara anem a construir.

Pas 3: creeu la font d'alimentació

Abans de començar a soldar res, mireu l'esquema i l'exemple de disseny. L'esquema és un SVG (gràfic vectorial), de manera que un cop el descarregueu podeu ampliar tot el que vulgueu sense perdre la resolució. Decidiu on voleu col·locar-ho tot al tauler i, a continuació, creeu la font d'alimentació. Connecteu el voltatge i la terra de la bateria i assegureu-vos que res no s’escalfi. Utilitzeu un multímetre per ajustar la placa "lm2596" perquè produeixi 12 volts i comproveu que el regulador 7808 produeix 8 volts.

Això és tot per a la font d'alimentació.

Pas 4: creeu l'etapa de sortida i el controlador de porta

De tot el procés de construcció, aquest és el pas més difícil de tots. Construïu-ho tot al "circuit del controlador de la porta" i la "etapa de potència" a l'esquema, assegurant-vos que els FET estan connectats al dissipador de calor.

A l'esquema, veureu cables que semblen no anar enlloc i dir "vDrv". S’anomenen etiquetes a l’esquema i totes les etiquetes amb el mateix text es connecten. Connecteu tots els cables etiquetats "vDrv" a la sortida de la placa reguladora de 12v.

Després de completar aquesta etapa, enceneu aquest circuit amb una font limitada de corrent (podeu utilitzar una resistència en sèrie amb la font d'alimentació) i assegureu-vos que res no s'escalfi. Proveu de connectar cadascun dels senyals d'entrada al controlador de la porta a 8v des de la font d'alimentació (d'un en un) i comproveu que s'estiguin accionant les portes correctes. Un cop hàgiu comprovat que sabeu que la unitat de porta funciona.

A causa de la unitat de porta que utilitza un circuit d’arrencada, no podeu provar la sortida directament mesurant la tensió de sortida. Col·loqueu el multímetre a comprovació de díodes i comproveu entre cada terminal dels altaveus i cada terminal d'alimentació.

1. Positiu per a l’altaveu 1
2. Positiu per a Speaker 2
3. Negatiu per a l'altaveu 1
4. Negatiu per a Speaker 2

Cadascun ha de mostrar conductivitat parcial només d’una manera, igual que un díode.

Si tot funciona, felicitats, acabes d’acabar la secció més dura del tauler. Recordaves una correcta connexió a terra, oi?

Pas 5: Creeu un generador de senyal de la unitat de porta MOSFET

Un cop hàgiu acabat el controlador de porta i l’etapa d’alimentació, esteu preparats per crear la part del circuit que genera els senyals que indiquen als controladors de porta quins FET s’han d’encendre a quina hora.

Construïu-ho tot al "Generador de senyal del controlador MOSFET amb temps mort" a l'esquema, assegurant-vos que no oblideu cap dels petits condensadors. Si els ometeu, el circuit seguirà provant bé, però no funcionarà bé quan intenteu conduir un altaveu a causa que els comparadors oscil·len paràsitament.

A continuació, proveu el circuit alimentant una ona quadrada d'uns quants Hz al "generador de senyal del controlador MOSFET amb temps mort" del vostre generador de senyal o del circuit de temporitzador 555. Connecteu el voltatge de la bateria a "HV in" mitjançant una resistència de limitació de corrent.

Connecteu un oscil·loscopi a les sortides dels altaveus. Hauríeu d’obtenir la inversió de la tensió de la bateria unes quantes vegades per segon. Res no s’ha d’escalfar i la sortida ha de ser una ona quadrada agradable i nítida. Una mica de superació està bé, sempre que no superi 1/3 de la tensió de la bateria.

Si la sortida produeix una ona quadrada neta, vol dir que tot el que heu construït fins ara funciona. Només queda un subcircuit fins a la finalització.

Pas 6: comparador, amplificador diferencial i moment de la veritat

Ara esteu preparats per construir la part del circuit que realment realitza la modulació de classe D.

Construeix-ho tot al "Comparador amb histèresi" i "Amplificador diferencial per retroalimentació" a l'esquema, així com les dues resistències de 5 k que mantenen el circuit estable quan no hi ha res connectat a l'entrada.

Connecteu l’alimentació al circuit (però encara no hi heu d’alta tensió) i comproveu que els pins 2 i 3 de l’U6 estiguin realment prop de la meitat de Vreg (4 volts).

Si tots dos valors són correctes, connecteu un subwoofer als terminals de sortida. connecteu l’alimentació i l’alta tensió a la tensió de la bateria mitjançant una resistència de limitació de corrent (podeu utilitzar un subwoofer de 4 ohms o més com a resistència). Hauríeu d’escoltar una petita esclafada i el subwoofer no s’hauria de moure d’una manera o de l’altra més d’un mil·límetre aproximadament. Comproveu-ho amb un oscil·loscopi per assegurar-vos que els senyals que entren i surten dels controladors de portes NCP5181 estan nets i tenen un cicle de treball al voltant del 40% cadascun. Si no és així, ajusteu les dues resistències variables fins que estiguin. La freqüència de les ones d'acció de la porta serà inferior a la desitjada de 70-110 KHZ a causa del fet que la tensió alta no es connecta al reforç de tensió.

Si els senyals de les unitats de porta no oscil·len en absolut, proveu de canviar SPK1 i SPK2 cap a l'amplificador diferencial. Si encara no funciona, utilitzeu un oscil·loscopi per localitzar la falla. És gairebé segur que es troba al circuit comparador o amplificador diferencial.

Un cop el circuit funcioni, deixeu l'altaveu connectat i afegiu el mòdul de reforç de tensió per augmentar la tensió que va a HV a uns 65-70 volts (recordeu el fusible). Enceneu el circuit i assegureu-vos que res no s’escalfi inicialment, especialment els MOSFET i l’inductor. Continueu controlant les temperatures durant uns 5 minuts. És normal que l’inductor s’escalfi, sempre que no faci massa calor per tocar-lo contínuament. Els MOSFETS no haurien de ser lleugerament càlids.

Comproveu de nou la freqüència i el cicle de treball de les ones de la porta. Ajusteu-lo per a un cicle de treball del 40% i assegureu-vos que la freqüència estigui entre 70 i 110 kHz. Si no és així, ajusteu R10 a l'esquema per corregir la freqüència. Si la freqüència és correcta, ja podeu començar a reproduir so amb l'amplificador.

Pas 7: entrada d'àudio i proves finals

Ara que el propi amplificador funciona de manera satisfactòria, és hora de construir l’etapa d’entrada. En un altre tauler (o el mateix si teniu espai), construïu el circuit segons l’esquema que es proporciona amb aquest pas (heu de descarregar-lo), assegurant-vos que estigui protegit amb una peça de metall a terra si està a prop de qualsevol generació de soroll components. Connecteu l'alimentació i la terra al circuit des de l'amplificador, però encara no connecteu el senyal d'àudio. Comproveu que el senyal d'àudio estigui a uns 4 volts i que canviï lleugerament quan gireu el potenciòmetre "DC offset adjust". Ajusteu el potenciòmetre a 4 volts i soldeu el cable d’entrada d’àudio a la resta del circuit.

Tot i que l’esquema es mostra utilitzant un connector per a auriculars com a entrada, també podeu afegir un adaptador bluetooth amb la sortida connectada al lloc on es troba el connector d’àudio. L'adaptador Bluetooth es pot alimentar mitjançant un regulador 7805. (Jo tenia un 7806 i utilitzava un díode per deixar caure 0,7 volts més).

Torneu a engegar l'amplificador i connecteu un cable a la presa AUX de la placa d'entrada. Probablement hi haurà una mica d’estàtica.

Si l'estàtica és massa forta, podeu provar un parell de coses:

• Vau blindar bé l’etapa d’entrada? Els comparadors també generen soroll.
• Afegiu un condensador de 100nf a la sortida del transformador.
• Afegiu un condensador de 100nf entre la sortida d’àudio i la terra i col·loqueu una resistència de 2 k en línia abans del condensador.
• Assegureu-vos que el cable auxiliar no és a prop de la font d’alimentació o dels cables de sortida de l’amplificador.

Augmenteu el volum lentament (durant uns quants minuts) i assegureu-vos que res no s’escalfi ni distorsioni. Ajusteu el guany de manera que l’amplificador no es retalli tret que el volum estigui al màxim.

Depenent de la qualitat del nucli de l’inductor i de la mida del dissipador de calor, pot ser una bona idea afegir un ventilador petit, alimentat des del carril de 12 V, per refredar l’amplificador. Aquesta és una idea especialment bona si la col·loqueu en una caixa.