350 wattos öningadozó D osztályú erősítő: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Bevezetés és miért tettem ezt tanulhatóvá:

Az interneten számos oktatóanyag található, amelyek bemutatják az embereknek, hogyan kell saját D osztályú erősítőt építeni. Hatékonyak, könnyen érthetők, és mindegyik ugyanazt az általános topológiát használja. Az áramkör egyik része nagyfrekvenciás háromszöghullámot generál, és összehasonlítja az audiojelekkel a kimeneti kapcsolók (szinte mindig MOSFET-ek) be- és kikapcsolásához. Ezeknek a "DIY Class D" terveknek a többsége nem tartalmaz visszajelzést, és azok, amelyek csak tisztán szólnak a mélyhangokban. Ezek némileg elfogadható mélynyomó erősítőket gyártanak, de jelentős torzításokkal rendelkeznek a magas hangrégiókban. A MOSFET kapcsoláshoz szükséges holtidő miatt a visszacsatolás nélküli kimeneti hullámforma olyan, mint egy háromszög hullám, a szinuszhullámmal szemben. Jelentős nemkívánatos felharmonikusok vannak jelen, ami a hangminőség észrevehető csökkenéséhez vezet, ami miatt a zene olyan, mintha trombitából jönne ki. Az előző D osztályú erősítőm kissé harsány, nem túl ütős hangja miatt döntöttem úgy, hogy ezt a homályos, kihasználatlan topológiát használva kutatok és erősítőt építek.

A klasszikus "háromszöghullám -összehasonlító" azonban nem az egyetlen módja a D osztályú erősítő létrehozásának. Van egy jobb módszer. Ahelyett, hogy oszcillátor modulálná a jelet, miért nem teszi az egész erősítőt oszcillátorrá? A kimeneti MOSFET-eket egy kompatibilátor kimenete hajtja (megfelelő meghajtó áramkörön keresztül), ahol a pozitív bemenet fogadja a bejövő hangot, a negatív bemenet pedig az erősítő kimeneti feszültségének (kicsinyített) változatát. A hiszterézist az összehasonlítóban a működési frekvencia szabályozására és az instabil, nagyfrekvenciás rezonancia módok megelőzésére használják. Továbbá egy RC snubber hálózatot használnak a kimeneten, hogy elnyomják a csengetést a kimeneti szűrő rezonanciafrekvenciáján, és csökkentsék a fáziseltolódást 90 fok közelébe az erősítő 100 kHz -es működési frekvenciáján. Ennek az egyszerű, de kritikus szűrőnek a kihagyása az erősítő önpusztítását okozza, mivel több száz voltos feszültség keletkezhet, és a szűrőkondenzátorok azonnal tönkremennek.

Működés elve:

Tegyük fel, hogy az erősítőt először elindítjuk, és minden feszültség nulla. A hiszterézis miatt az összehasonlító úgy dönt, hogy pozitív vagy negatív kimenetet húz. Ebben a példában feltételezzük, hogy az összehasonlító negatív kimenetet húz. Néhány tíz mikroszekundumon belül az erősítő kimeneti feszültsége eléggé csökkent ahhoz, hogy megfordítsa az összehasonlítót, és ismét visszatérjen a feszültség, és ez a ciklus másodpercenként körülbelül 60-100 ezer alkalommal megismétlődik, a kívánt feszültséget a kimeneten tartva. A szűrőinduktor nagy impedanciája és a szűrő kondenzátor alacsony impedanciája miatt ezen a frekvencián nincs sok zaj a kimeneten, és a magas működési frekvencia miatt messze a hallható tartomány felett van. Ha a bemeneti feszültség növekszik, akkor a kimeneti feszültség annyira megnő, hogy a visszacsatoló feszültség eléri a kimeneti feszültséget. Ily módon erősítés érhető el.

Előnyök a standard D osztályhoz képest:

1. Rendkívül alacsony kimeneti impedancia: Mivel a kimeneti MOSFET -ek a szűrő elérése után nem kapcsolnak vissza a kívánt kimeneti feszültségig, a kimenet impedanciája gyakorlatilag nulla. Még akkor is, ha 0,1 volt különbség van a tényleges és a kívánt kimeneti feszültség között, az áramkör erősítőt dob a kimenetre, amíg a feszültség vissza nem fordítja az összehasonlítót (vagy valami fúj).

2. Képesség a reaktív terhelések tiszta meghajtására: A rendkívül alacsony kimeneti impedancia miatt az ön-oszcilláló D osztály képes többirányú hangszórórendszereket meghajtani nagy impedanciájú és csúcsokkal, nagyon kis harmonikus torzítással. A port rezonanciafrekvenciáján alacsony impedanciájú hordozható mélynyomó rendszerek kiváló példái annak a hangszórónak, amelynek visszacsatolás nélküli "háromszöghullám-összehasonlító" erősítője küzdene a jó vezetésért.

3. Széles frekvenciaválasz: A frekvencia növekedésével az erősítő megpróbálja kompenzálni a munkaciklus további változtatásával, hogy a visszacsatolási feszültség illeszkedjen a bemeneti feszültséghez. A szűrő nagyfrekvenciás csillapítása miatt a magas frekvenciák alacsonyabb feszültségszinten kezdenek klipelni, mint az alacsonyabbak, de a zene sokkal nagyobb elektromos teljesítményt biztosít a mélyhangokban, mint a magas (kb. 1/f eloszlás, ha basszuskiemelés használata), ez egyáltalán nem probléma.

4. Stabilitás: Ha megfelelően megtervezett, és a helyén van egy snubber hálózat, a kimeneti szűrő közel 90 ° -os fázisküllyedése az üzemi frekvencián biztosítja, hogy az erősítő ne váljon instabillá, még akkor sem, ha nagy terhelést hajt nagy igénybevétel mellett. Fújni fog valamit, valószínűleg a hangszórókat vagy az alsót, mielőtt az erősítő instabillá válik.

5. Hatékonyság és kis méret: Az erősítő önszabályozó jellege miatt a MOSFET kapcsolási hullámformákhoz sok holtidő hozzáadása nem befolyásolja a hangminőséget. A jó terhelésű, akár 90% -os teljes terhelési hatékonyság jó minőségű induktorral és MOSFET-ekkel lehetséges (az erősítőmben IRFB4115-t használok). Ennek eredményeképpen elegendő egy viszonylag kicsi hűtőborda a FET -eken, és ventilátorra csak akkor van szükség, ha nagy teljesítményű, szigetelt házon belül működik.

1. lépés: Alkatrészek, kellékek és előfeltételek

Feltételek:

Bármilyen nagy teljesítményű áramkör kiépítése, különösen az audio tisztán reprodukálására szolgáló áramkör, az alapvető elektronikai fogalmak ismeretét igényli. Tudnia kell, hogyan működnek a kondenzátorok, az induktivitások, az ellenállások, a MOSFET-ek és az erősítők, valamint hogyan kell megfelelően megtervezni egy áramkezelő áramkört. Azt is tudnia kell, hogyan kell forrasztani az átmenő lyukú alkatrészeket, és hogyan kell használni a szalaglapot (vagy PCB-t építeni). Ez az oktatóanyag azoknak szól, akik korábban közepesen bonyolult áramköröket építettek. Nincs szükség kiterjedt analóg ismeretekre, mivel a D osztályú erősítők legtöbb áramköre mindössze két feszültségszinttel foglalkozik - be vagy ki.

Azt is tudnia kell, hogyan kell használni az oszcilloszkópot (csak az alapvető funkciókat), és hogyan kell hibakeresni azokat az áramköröket, amelyek nem megfelelően működnek. Nagyon valószínű, hogy egy ilyen bonyolult áramkörnél olyan aláramkör lesz, amely nem működik az első felépítéskor. Keresse meg és javítsa ki a problémát, mielőtt továbblépne a következő lépésre. Az egyik aláramkör hibakeresése sokkal könnyebb, mint valahol az egész táblában hibát keresni. Az oszcilloszkóp használata szükséges a nem kívánt oszcilláció megtalálásához és annak ellenőrzéséhez, hogy a jelek úgy néznek -e ki, ahogy kellene.

Általános tippek:

Bármely D osztályú erősítőn nagy feszültségek és áramok váltakoznak magas frekvenciákon, ami nagy mennyiségű zajt generálhat. Emellett alacsony fogyasztású audio áramkörei is lesznek, amelyek érzékenyek a zajra, és felveszik és felerősítik azt. A bemeneti és a teljesítményfokozatnak a tábla ellentétes végein kell lennie.

A jó földelés, különösen az áramellátásban, szintén elengedhetetlen. Győződjön meg arról, hogy a földelő vezetékek közvetlenül a negatív terminálról vezetnek minden kapu meghajtóhoz és összehasonlítóhoz. Nehéz túl sok földelő vezeték. Ha ezt nyomtatott áramkörön teszi, földeléshez használjon földelési síkot.

Alkatrészek, amelyekre szüksége lesz:

(Írj üzenetet, ha lemaradtam valamiről, biztos vagyok benne, hogy ez a teljes lista)

(A HV címkével ellátott elemeket legalább a megnövelt feszültségre kell méretezni a hangszóró meghajtásához, lehetőleg többre)

(Ezek közül sokat meg lehet menteni az elektronikából és a kukába dobott készülékekből, különösen a kondenzátorokból)

• 24 voltos tápegység 375 wattra képes (lítium akkumulátort használtam, ha elemet használok, győződjön meg róla, hogy van LVC (kisfeszültségű lekapcsolás))
• Erősítő átalakító, amely képes 350 wattot leadni 65 volton. (Keresse meg a "Yeeco power converter 900 watt" lehetőséget az Amazon -on, és megtalálja az általam használtat.)
• "Perf board" vagy proto-board, amire mindent fel lehet építeni. Azt javaslom, hogy legalább 15 négyzetcentiméterrel dolgozzon ebben a projektben, 18, ha ugyanazon a táblán szeretné felépíteni a bemeneti táblát.
• Hűtőborda a MOSFET -ek rögzítéséhez
• 220uf kondenzátor
• 2x 470uf kondenzátor, az egyiket bemeneti feszültségre kell méretezni (nem HV)
• 2x 470nf kondenzátor
• 1x 1nf kondenzátor
• 12x 100nf kerámia kondenzátor (vagy használhat poli)
• 2x 100nf poli kondenzátor [HV]
• 1x 1uf poli kondenzátor [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolit kondenzátor [HV]
• 2x 1n4003 dióda (minden olyan dióda, amely 2*HV vagy annál nagyobb ellenáll) megfelelő
• 1x 10 amperes biztosíték (vagy rövid darab 30AWG vezeték a sorkapcson keresztül)
• 2x 2,5 mh induktor (vagy tekercselje a sajátját)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Eredeti kell!]
• Vegyes ellenállások, néhány dollárért leszerelheti őket az eBay -ről vagy az Amazon -ról
• 4x 2k trimmer potenciométer
• 2x KIA4558 Op erősítő (vagy hasonló audio erősítő)
• 3x LM311 összehasonlító
• 1x 7808 feszültségszabályozó
• 1x "Lm2596" bak konverter tábla, néhány dollárért megtalálhatja őket az eBay -en vagy az Amazon -on
• 2x NCP5181 kapuillesztő IC (lehet, hogy fúj, többet kap) [Eredeti kell!]
• 3 tűs fejléc a bemeneti kártyához való csatlakoztatáshoz (vagy több csap a mechanikai merevség érdekében)
• Vezetékek vagy sorkapcsok hangszórókhoz, áramellátáshoz stb
• 18AWG tápkábel (a tápfeszültség bekötéséhez)
• 22 AWG csatlakozó vezeték (minden más bekötéséhez)
• 200 ohmos kis teljesítményű audio transzformátor bemeneti fokozathoz
• Kis 12 V/200 mA (vagy kevesebb) számítógépventilátor az erősítő hűtésére (opcionális)

Eszközök és kellékek:

• Legalább 2us/div felbontású oszcilloszkóp 1x és 10x szondával (50k és 5k ellenállást használhat saját 10x szonda készítéséhez)
• Multiméter, amely képes feszültséget, áramot és ellenállást mérni
• Forrasztó és forrasztópáka (a Kester 63/37 -et használom, a jó minőségű ólommentes is működik, ha tapasztalt)
• Forrasztó balek, kanóc stb. Hibákat követ el egy ilyen nagy áramkörön, különösen az induktor forrasztásakor, ez fájdalmas.
• Drótvágók és levágók
• Valami, ami néhány HZ -es négyzethullámot generálhat, például egy kenyérlap és egy 555 -ös időzítő

2. lépés: Ismerje meg, hogyan működik a D oszcilláló oszlop (opcionális, de ajánlott)

Mielőtt elkezdené, érdemes megismerni az áramkör tényleges működését. Ez nagyban segít minden lehetséges problémában, és segít megérteni, hogy a teljes vázlat egyes részei mit tesznek.

Az első kép az LTSpice által készített grafikon, amely bemutatja az erősítő válaszát a pillanatnyi bemeneti feszültségváltozásra. Amint a grafikonon látható, a zöld vonal megpróbálja követni a kék vonalat. Amint a bemenet megváltozik, a zöld vonal a lehető leggyorsabban felfelé megy, és minimális túllépéssel rendeződik. A piros vonal a szűrő előtti kimeneti fokozat feszültsége. A változtatás után az erősítő gyorsan leülepedik, és ismét rezegni kezd a beállított pont körül.

A második kép az alapvető kapcsolási rajz. Az audiobemenetet összehasonlítják a visszacsatolójelekkel, amelyek jelet generálnak a kimeneti fokozat meghajtására, hogy a kimenet közelebb kerüljön a bemenethez. Az összehasonlítóban a hiszterézis hatására az áramkör a kívánt feszültség körül ingadozik, túl magas frekvencián ahhoz, hogy a fülek vagy a hangszórók reagáljanak.

Ha rendelkezik LTSpice szoftverrel, letöltheti és játszhat az.asc sematikus fájllal. Próbálja meg megváltoztatni az r2 -t, hogy megváltoztassa a frekvenciát, és nézze meg, ahogy az áramkör megőrül, miközben eltávolítja a túlzott lengést csillapító szaggatót az LC -szűrő rezonanciapontja körül.

Még ha nincs is LTSpice, a képek tanulmányozása jó képet ad arról, hogyan működik minden. Most térjünk rá az építkezésre.

3. lépés: A tápegység építése

Mielőtt elkezdené forrasztani bármit, nézze meg a sematikus és példa elrendezést. A vázlat egy SVG (vektorgrafikus), így miután letöltötte, tetszés szerint nagyíthatja a felbontás elvesztése nélkül. Döntse el, hogy hol helyez el mindent a táblán, majd építse fel a tápegységet. Csatlakoztassa az akkumulátor feszültségét és a testet, és győződjön meg arról, hogy semmi nem forró. Multiméterrel állítsa be az "lm2596" kártyát 12 voltos kimenetre, és ellenőrizze, hogy a 7808 szabályozó 8 voltos kimenetet ad ki.

Ennyi az áramellátáshoz.

4. lépés: Készítse el a kimeneti színpadot és a kapuillesztőt

A teljes építési folyamat közül ez a legnehezebb lépés. Építsen mindent a "Kapu meghajtó áramkör" és a "Tápfeszültség fokozat" szakaszokba, és győződjön meg arról, hogy a FET -ek rögzítve vannak a hűtőbordához.

A vázlatban olyan vezetékeket fog látni, amelyek úgy tűnik, hogy sehova nem mennek, és azt mondják: "vDrv". Ezeket a skmatikában címkéknek nevezik, és minden azonos szövegű címke összekapcsolódik. Csatlakoztassa az összes "vDrv" jelzésű vezetéket a 12 V -os szabályozó kártya kimenetéhez.

Miután befejezte ezt a lépést, kapcsolja be ezt az áramkört áramkorlátozott tápegységgel (a tápegységgel soros ellenállást is használhat), és győződjön meg arról, hogy semmi nem melegszik fel. Csatlakoztassa az egyes bemeneti jeleket a kapu meghajtójához a tápegységről (egyenként) 8V -ra, és ellenőrizze, hogy a megfelelő kapuk vannak -e meghajtva. Miután ellenőrizte, hogy tudja -e, hogy a kapuhajtás működik.

Mivel a kapuhajtás bootstrap áramkört használ, nem lehet közvetlenül tesztelni a kimenetet a kimeneti feszültség mérésével. Helyezze a multimétert a dióda ellenőrzésére, és ellenőrizze az egyes hangszóróterminálok és az egyes tápcsatlakozók között.

1. Pozitív az 1. hangszóróra
2. Pozitív a 2. hangszóróra
3. Negatív az 1. hangszóróra
4. Negatív a 2. hangszóróra

Mindegyiknek csak egy irányban kell mutatnia a részleges vezetőképességet, akárcsak egy dióda.

Ha minden működik, gratulálok, most fejezte be a tábla legnehezebb szakaszát. Emlékszel a megfelelő földelésre, ugye?

5. lépés: Készítse el a MOSFET Gate Drive Signal Generator -t

Miután befejezte a kapu meghajtót és az áramellátást, készen áll az áramkör azon részének felépítésére, amely azokat a jeleket generálja, amelyek megmondják a kapu meghajtóinak, hogy milyen FET -eket kell bekapcsolniuk.

Építsen mindent a sematikus "MOSFET illesztőprogram -jelgenerátor holtidővel" programba, ügyelve arra, hogy ne felejtsen el egyetlen apró kondenzátort sem. Ha kihagyja őket, az áramkör továbbra is jól fog tesztelni, de nem fog jól működni, amikor hangszórót próbál vezetni az összehasonlító készülékek parazita rezgése miatt.

Ezután tesztelje az áramkört úgy, hogy néhány hertzes négyzethullámot táplál a jelgenerátorból vagy az 555 -ös időzítő áramkörből a "MOSFET meghajtójel -generátor holtidővel" -be. Csatlakoztassa az akkumulátor feszültségét a "HV in" -hez egy áramkorlátozó ellenálláson keresztül.

Csatlakoztasson egy oszcilloszkópot a hangszóró kimenetekhez. Másodpercenként meg kell fordítania az akkumulátor feszültségét. Semmi sem melegedhet fel, és a kimenetnek szép, éles négyzethullámnak kell lennie. Egy kis túllépés rendben van, ha az akkumulátor feszültsége nem haladja meg az 1/3 -ot.

Ha a kimenet tiszta négyzethullámot produkál, ez azt jelenti, hogy minden, amit eddig felépített, működik. Már csak egy alkör maradt a befejezésig.

6. lépés: Összehasonlító, differenciál -erősítő és az igazság pillanata

Most már készen áll az áramkör azon részének felépítésére, amely ténylegesen elvégzi a D osztályú modulációt.

Építsen mindent a sematikus "Kompatibilátor hiszterézissel" és "Differenciális erősítő a visszacsatoláshoz", valamint a két 5k ellenállással, amelyek stabilan tartják az áramkört, ha semmi nincs csatlakoztatva a bemenethez.

Csatlakoztassa az áramkört az áramkörhöz (de még ne a HV -t), és ellenőrizze, hogy az U6 2. és 3. érintkezőjének valóban közel kell -e lennie a Vreg feléhez (4 volt).

Ha mindkét érték helyes, csatlakoztasson egy mélynyomót a kimeneti csatlakozókhoz. csatlakoztassa az áramot és a HV -t az akkumulátor feszültségéhez egy áramkorlátozó ellenálláson keresztül (ellenállásként használhat 4 ohmos vagy annál nagyobb mélysugárzót). Egy halk pukkanást kell hallania, és a mélysugárzó nem mozdulhat egyik vagy másik milliméternél jobban. Oszcilloszkóppal ellenőrizze, hogy az NCP5181 kapuillesztőkbe érkező és onnan érkező jelek tiszták és egyenként körülbelül 40% -os élettartammal rendelkeznek. Ha nem ez a helyzet, állítsa be a két változó ellenállást, amíg azok nem lesznek. A kapuhajtási hullámok frekvenciája alacsonyabb lesz, mint a kívánt 70-110 KHZ, mivel a HV nincs csatlakoztatva a feszültségfokozóhoz.

Ha a kapuhajtás jelei egyáltalán nem oszcillálnak, próbálja meg az SPK1 -et és az SPK2 -t a differenciális erősítőre váltani. Ha még mindig nem működik, akkor oszcilloszkóp segítségével keresse meg a hibát. Szinte biztosan benne van az összehasonlító vagy differenciális erősítő áramkörben.

Ha az áramkör működik, hagyja a hangszórót csatlakoztatva, és adja hozzá a feszültségnövelő modult, hogy a HV-be érkező feszültséget 65-70 volt körüli értékre emelje (emlékezzen a biztosítékra). Kapcsolja be az áramkört, és győződjön meg arról, hogy kezdetben semmi nem forró, különösen a MOSFET -ek és az induktor. Folytassa a hőmérséklet figyelését körülbelül 5 percig. Normális, hogy az induktor felmelegszik, ha nem túl forró ahhoz, hogy folyamatosan érintkezzen. A MOSFETS nem lehet enyhén meleg.

Ismét ellenőrizze a kapuhajtó hullámok frekvenciáját és működési ciklusát. Állítsa be a 40% -os terhelési ciklust, és győződjön meg arról, hogy a frekvencia 70 és 110 Khz között van. Ha nem, állítsa be az R10 -et a vázlatban, hogy korrigálja a frekvenciát. Ha a frekvencia megfelelő, akkor készen áll a hang lejátszására az erősítővel.

7. lépés: Hangbemenet és végső tesztelés

Most, hogy maga az erősítő kielégítően működik, ideje felépíteni a bemeneti fokozatot. Egy másik táblán (vagy ugyanazon, ha van hely) építse fel az áramkört az ehhez a lépéshez mellékelt vázlat szerint (le kell töltenie), és győződjön meg róla, hogy földelt fémdarabbal van árnyékolva, ha közel van zajhoz. alkatrészek. Csatlakoztassa a tápellátást és a földelést az áramkörhöz az erősítőből, de még ne csatlakoztassa az audio jelet. Ellenőrizze, hogy az audiojel körülbelül 4 voltos feszültségű, és kissé változik, amikor elforgatja a "DC offset Adjust" potenciométert. Állítsa be a potenciométert 4 voltra, és forrasztja az audio bemeneti vezetéket az áramkör többi részéhez.

Bár a vázlat azt mutatja, hogy fejhallgató -csatlakozót használnak bemenetként, hozzáadhat egy bluetooth -adaptert is, amelynek kimenete a helyére van kötve, ahol az audiocsatlakozó található. A bluetooth adaptert 7805 -ös szabályozó táplálja. (Nekem 7806 -osom volt, és dióda segítségével leejtettem még 0,7 voltot).

Kapcsolja be újra az erősítőt, és csatlakoztassa a kábelt a bemeneti kártya AUX aljzatához. Valószínűleg halvány statika lesz.

Ha a statika túl hangos, akkor néhány dolgot kipróbálhat:

• Jól árnyékolta a bemeneti szakaszt? Az összehasonlítók zajt is keltenek.
• Adjon hozzá 100nf kondenzátort a transzformátor kimenetéhez.
• Adjon hozzá 100nf kondenzátort az audio kimenet és a föld közé, és helyezzen egy 2k ellenállást a kondenzátor elé.
• Győződjön meg arról, hogy az aux kábel nincs a tápegység vagy az erősítő kimeneti kábelei közelében.

Lassan (több perc alatt) növelje a hangerőt, ügyelve arra, hogy semmi ne melegedjen fel és ne torzuljon el. Állítsa be az erősítést, hogy az erősítő ne csipkedjen, hacsak nem a maximális hangerő.

Az induktivitási mag minőségétől és a hűtőborda méretétől függően érdemes lehet egy 12 V -os sínről táplált kis ventilátort hozzáadni az erősítő hűtéséhez. Ez különösen jó ötlet, ha dobozba fogja tenni.