Samooscilirajuće pojačalo klase D od 350 W: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Uvod i zašto sam ovo učinio poučnim:

Na internetu postoji mnoštvo vodiča koji ljudima pokazuju kako izgraditi vlastita pojačala klase D. Učinkoviti su, jednostavni za razumijevanje i svi koriste istu opću topologiju. Jedan dio kruga generira val trokuta visoke frekvencije, 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 basu. 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 vala. Prisutni su značajni neželjeni harmonici, što dovodi do zamjetnog smanjenja kvalitete zvuka zbog čega glazba zvuči kao da izlazi iz trube. Pomalo trubački, ne baš snažan zvuk moga prethodnog pojačala klase D razlog je zašto sam odlučio istražiti i izgraditi pojačalo koristeći ovu opskurnu, nedovoljno iskorištenu topologiju.

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

Princip rada:

Pretpostavimo da je pojačalo prvo pokrenuto i da su svi naponi na nuli. Zbog histereze, usporednik će odlučiti povući izlaz bilo pozitivan ili negativan. Za ovaj primjer, pretpostavit ćemo da usporednik povlači izlaz negativno. U roku od nekoliko desetaka mikrosekundi, izlazni napon pojačala se dovoljno smanjio da okrene komparator i pošalje napon koji se ponovno vraća, a ovaj se ciklus ponavlja oko 60 do 100 tisuća puta svake sekunde, zadržavajući željeni napon na izlazu. Zbog velike impedanse induktora filtra i niske impedancije kondenzatora filtera na ovoj frekvenciji, nema mnogo buke na izlazu, a zbog visoke radne frekvencije, daleko je iznad čujnog 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 ne postigne željeni izlazni napon nakon postizanja filtra, impedancija izlaza je praktički nula. Čak i s 0,1 voltnom razlikom 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 iznimno niske izlazne impedancije, samooscilirajuća klasa D može pokretati višesmjerne sustave zvučnika s velikim padovima impedancije i vrhovima s vrlo malim harmonijskim izobličenjem. Prijenosni subwoofer sustavi s niskom impedancijom na rezonantnoj frekvenciji porta odličan su primjer zvučnika za koje bi pojačalo "usporednik trokutastih valova" bez povratnih informacija imalo problema s dobrom vožnjom.

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 će se frekvencije početi isjecati na nižoj razini napona od nižih, ali zbog glazbe 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 projektiran i s ugrađenom mrežom za odmrzavanje, fazna margina od gotovo 90 ° izlaznog filtra na radnoj frekvenciji osigurava da pojačalo neće postati nestabilno, čak i ako vozite velika opterećenja pod velikim obrezivanjem. Raznijet ćete nešto, vjerojatno svoje zvučnike ili podmornice, prije nego što pojačalo nestabi.

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

Korak 1: Dijelovi, potrošni materijal i preduvjeti

Preduvjeti:

Izgradnja bilo koje vrste kruga velike snage, osobito one koja je dizajnirana 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. Također morate znati 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 podkrugova u bilo kojem pojačalu klase D radi sa samo dvije razine napona - uključeno ili isključeno.

Također ćete morati znati koristiti osciloskop (samo osnovne funkcije) i kako otkloniti pogreške u krugovima koji ne rade kako je predviđeno. Vrlo je vjerojatno da ćete s krugom ove složenosti imati podkruženje koje ne radi pri prvoj izgradnji. Pronađite i riješite problem prije nego prijeđete na sljedeći korak, otklanjanje pogrešaka u jednom podkrugu puno je lakše nego pokušaj pronalaska greške negdje na cijeloj ploči. Korištenje osciloskopa potrebno je kako bi se pronašle nenamjerne oscilacije i provjerilo 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 generirati veliku količinu šuma. Također ćete imati audio krugove male snage koji su osjetljivi na šum te će ih pokupiti i pojačati. Ulazni stupanj i stupanj napajanja trebaju biti na suprotnim krajevima ploče.

Dobro uzemljenje, osobito u fazi napajanja, također je bitno. Pazite da žice za uzemljenje prolaze izravno od negativnog terminala do svakog pogona vrata i usporednika. Teško je imati previše žica za uzemljenje. Ako to radite na tiskanoj ploči, upotrijebite ravninu uzemljenja za uzemljenje.

Dijelovi koji će vam trebati:

(Pošaljite mi poruku ako sam nešto propustio, prilično sam siguran da je ovo potpuni popis)

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

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

• Napon napajanja od 24 V koji ima snagu 375 vata (koristio sam litijevu 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 četvornih centimetara 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 poli kondenzator [HV]
• 1x 1uf poli 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 IZVRŠNO!]
• Različiti otpornici, možete ih nabaviti s eBaya ili Amazona za nekoliko dolara
• 4x 2k trimer potenciometri
• 2x opcionalno pojačalo KIA4558 (ili slična audio pojačala)
• 3x LM311 usporedbe
• 1x regulator napona 7808
• 1x pretvarač u dolarima "Lm2596", možete ih pronaći na eBayu ili Amazonu za nekoliko dolara
• 2x IC upravljački program vrata NCP5181 (možda ćete puhati, dobiti više) [Mora biti IZVRSNO!]
• 3-polno 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 stupnja napajanja)
• Priključna žica AWG 22 (za ožičenje svega ostalog)
• Audio transformator male snage 200 ohma za ulaznu fazu
• Mali ventilator za računalo od 12v/200ma (ili manje) za hlađenje pojačala (opcionalno)

Alati i pribor:

• Osciloskop najmanje 2us/div rezolucije s 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, DOBRA KVALITETA i bez olova radi i ako ste iskusni)
• Lemljenje, fitilj itd. Pogriješit ćete na ovako velikom krugu, osobito pri lemljenju induktora, to je bol.
• Rezači i skidači žice
• Nešto što može generirati kvadratni val od nekoliko HZ -a, poput matične ploče i mjerača vremena od 555

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

Prije nego počnete, dobro je upoznati se kako strujni krug zapravo radi. To će uvelike pomoći pri svim problemima koje biste mogli imati dalje, te će vam pomoći razumjeti što čini svaki dio cjelovite sheme.

Prva slika je graf koji je proizveo LTSpice i prikazuje reakciju pojačala na trenutnu promjenu ulaznog napona. Kao što možete vidjeti iz grafikona, 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 sklopa. Audio ulaz se uspoređuje sa povratnim signalom, koji generira signal za pokretanje izlaznog stupnja kako bi se izlaz približio ulazu. Histereza u usporedbi uzrokuje osciliranje kruga 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 krug ludi dok uklanjate prigušivač koji prigušuje prekomjerne oscilacije oko rezonantne točke LC filtra.

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

Korak 3: Izgradite izvor napajanja

Prije nego započnete bilo što lemljenje, pogledajte shematski i primjerni izgled. Shema je SVG (vektorska grafika) pa nakon što je preuzmete, možete je zumirati koliko želite bez gubitka razlučivosti. Odlučite gdje ćete sve postaviti na ploču, a zatim izgradite izvor napajanja. 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: Izgradite izlaznu scenu i upravljački program vrata

Od cijelog procesa izgradnje, ovo je najteži korak od svih. Izgradite sve u "krugu upravljačkog programa vrata" 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 nikamo i govore "vDrv". Nazivaju se oznakama u shemi i sve se oznake s istim tekstom povezuju. 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 sklop, ne možete izravno testirati izlaz mjerenjem izlaznog napona. Stavite multimetar na diodu i provjerite između svakog priključka zvučnika i svakog priključka za napajanje.

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

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

Ako sve radi, čestitamo, upravo ste završili najteži dio ploče. Sjetili ste se ispravnog uzemljenja, zar ne?

Korak 5: Izgradite generator signala pogona MOSFET Gate

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

Sve sastavite u shemi "Generator signala upravljačkog programa MOSFET -a s mrtvim vremenom", pazeći da ne zaboravite niti jedan od sićušnih kondenzatora. Ako ih izostavite, krug će se i dalje dobro testirati, ali neće raditi dobro kada pokušate upravljati zvučnikom zbog usporednih parazita koji osciliraju.

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

Spojite 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, pod uvjetom da 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: Usporednik, diferencijalno pojačalo i trenutak istine

Sada ste spremni za izradu dijela kruga koji zapravo radi modulaciju klase D.

Izgradite sve u "Usporedniku s histerezom" i "Diferencijalno pojačalo za povratnu informaciju" u shemi, kao i dva 5k otpornika koji održavaju krug stabilnim kada ništa nije spojeno na ulaz.

Priključite napajanje na krug (ali još ne uključeno visokonaponsko 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. spojite 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. Osciloskopom provjerite jesu li signali koji ulaze i izlaze iz upravljačkih programa vrata NCP5181 čisti i imaju svaki radni ciklus od oko 40%. Ako to nije slučaj, namjestite dva promjenjiva otpornika dok ne postanu. Učestalost pogonskih valova vrata 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 usporednika ili diferencijalnog pojačala.

Nakon što krug radi, ostavite zvučnik spojenim i dodajte modul za pojačavanje napona kako biste povećali napon koji ide na HV na oko 65-70 volti (sjetite se osigurača). Uključite krug i pobrinite se da se u početku ništa ne zagrije, osobito 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 vrata. Podesite za radni ciklus od 40% i osigurajte da je frekvencija 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 ulaznog stupnja. 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 bilo kakve buke komponente. Priključite napajanje i masu u krug s pojačala, ali još nemojte spajati audio signal. Provjerite je li audio signal na oko 4 volta i blago se mijenja kada okrenete potenciometar "DC offset setting". Podesite potenciometar na 4 volta i zalemite audio ulaznu žicu na ostatak kruga.

Iako shema prikazuje upotrebu utičnice za slušalice kao ulaza, mogli biste dodati i bluetooth adapter s izlazom ožičenim na mjesto gdje se nalazi audio priključak. Bluetooth adapter može se napajati pomoću regulatora 7805. (Imao sam 7806 i koristio sam diodu za ispuštanje još 0,7 volti).

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

Ako je statika preglasna, možete pokušati nekoliko stvari:

• Jeste li dobro zaštitili ulaznu pozornicu? Komparatori također 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 glasnoću, pazeći da se ništa ne zagrije ili izobliči. Podesite pojačanje tako da se pojačalo ne isječe osim ako je glasnoća na maksimalnoj jačini.

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