Penguat Kelas D Berosilasi Sendiri 350 Watt: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Pengenalan dan mengapa saya membuat arahan ini:

Di internet, terdapat banyak tutorial yang menunjukkan kepada orang bagaimana membina penguat kelas D mereka sendiri. Mereka cekap, mudah difahami, dan semuanya menggunakan topologi umum yang sama. Terdapat gelombang segitiga frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh satu bahagian litar, dan dibandingkan dengan isyarat audio untuk memodulasi suis output (hampir selalu MOSFET) hidup dan mati. Sebilangan besar reka bentuk "DIY Class D" ini tidak mempunyai maklum balas, dan reka bentuk yang hanya terdengar bersih di wilayah bass. Mereka membuat penguat subwoofer yang agak dapat diterima, tetapi mempunyai penyimpangan yang ketara di kawasan treble. Yang tanpa maklum balas, kerana waktu mati yang diperlukan untuk beralih MOSFET, mempunyai bentuk gelombang output yang mirip gelombang segitiga, berbanding gelombang sinus. Terdapat harmoni yang tidak diingini yang ketara, yang membawa kepada penurunan kualiti bunyi yang ketara yang menjadikan muzik terdengar seperti keluar dari sangkakala. Suara penguat kelas D saya yang terdengar agak sopan dan tidak begitu kuat menyebabkan saya memutuskan untuk meneliti dan membina penguat menggunakan topologi yang tidak jelas dan kurang digunakan ini.

Walau bagaimanapun, "pembanding gelombang segitiga" klasik bukan satu-satunya cara untuk membina penguat kelas D. Ada jalan yang lebih baik. Daripada mempunyai pengayun memodulasi isyarat, mengapa tidak menjadikan keseluruhan penguat menjadi pengayun? Output MOSFET didorong (melalui litar pemacu yang sesuai) oleh output pembanding dengan input positif yang menerima audio yang masuk dan input negatif yang menerima versi (diturunkan) voltan keluaran penguat. Histeresis digunakan dalam pembanding untuk mengatur frekuensi operasi dan mencegah mod resonan frekuensi tinggi yang tidak stabil. Selanjutnya, rangkaian snubber RC digunakan di seluruh output untuk menekan dering pada frekuensi resonan penapis output dan menurunkan peralihan fasa hingga hampir 90 darjah pada frekuensi operasi penguat sekitar 100 Khz. Penyingkiran penapis sederhana tetapi kritikal ini akan menyebabkan penguat hancur sendiri, kerana voltan beberapa ratus volt dapat dihasilkan, memusnahkan kapasitor penapis dengan serta-merta.

Prinsip operasi:

Andaikan penguat dimulakan terlebih dahulu dan semua voltan berada pada sifar. Oleh kerana histeresis, pembanding akan memutuskan untuk menarik output sama ada positif atau negatif. Untuk contoh ini, kita akan menganggap bahawa pembanding menarik output negatif. Dalam beberapa puluhan mikrodetik, voltan keluaran penguat telah menurun cukup untuk membalikkan pembanding dan menghantar voltan kembali lagi, dan kitaran ini berulang sekitar 60 hingga 100 ribu kali setiap saat, mengekalkan voltan yang diinginkan pada output. Oleh kerana impedans tinggi induktor penapis dan impedans rendah kapasitor saringan pada frekuensi ini, tidak ada banyak bunyi pada output, dan kerana frekuensi operasi yang tinggi, ia jauh melebihi julat yang dapat didengar. Sekiranya voltan masukan meningkat, voltan keluaran akan cukup meningkat sehingga voltan maklum balas mencapai voltan keluaran. Dengan cara ini penguatan dicapai.

Kelebihan berbanding kelas standard D:

1. Impedansi keluaran yang sangat rendah: Kerana output MOSFET tidak akan beralih kembali sehingga voltan keluaran yang diinginkan setelah penapis tercapai, impedans keluaran hampir sifar. Walaupun dengan perbezaan 0.1 volt antara voltan keluaran yang sebenarnya dan yang diinginkan, litar akan membuang amp ke output sehingga voltan membalikkan pembanding kembali (atau sesuatu yang bertiup).

2. Keupayaan untuk menggerakkan beban reaktif dengan bersih: Oleh kerana impedans keluaran yang sangat rendah, kelas D berayun sendiri dapat menggerakkan sistem pembesar suara pelbagai arah dengan penurunan dan puncak impedans yang besar dengan distorsi harmonik yang sangat sedikit. Sistem subwoofer yang dilabuhkan dengan impedans rendah pada frekuensi resonan pelabuhan adalah contoh utama pembesar suara bahawa penguat "pembanding gelombang segitiga" tanpa maklum balas akan sukar untuk memandu dengan baik.

3. Respons frekuensi lebar: Apabila frekuensi meningkat, penguat akan berusaha mengimbangi dengan mengubah kitaran tugas lebih banyak agar voltan maklum balas tetap sesuai dengan voltan input. Oleh kerana redaman penuras frekuensi tinggi, frekuensi tinggi akan mula terpaku pada tahap voltan yang lebih rendah daripada yang lebih rendah, tetapi kerana muzik mempunyai kuasa elektrik yang jauh lebih banyak daripada bass daripada treble (kira-kira pengedaran 1 / f, lebih banyak jika anda gunakan bass boost), ini bukan masalah sama sekali.

4. Kestabilan: Jika dirancang dengan betul dan dengan jaringan snubber di tempatnya, margin fasa hampir 90 ° penapis output pada frekuensi operasi memastikan bahawa penguat tidak akan menjadi tidak stabil, walaupun menggerakkan beban berat di bawah pemotongan berat. Anda akan meletupkan sesuatu, kemungkinan pembesar suara atau pelanggan anda, sebelum amp tidak stabil.

5. Kecekapan dan ukuran kecil: Oleh kerana sifat penguat yang mengatur diri sendiri, menambahkan banyak masa mati pada bentuk gelombang beralih MOSFET tidak mempengaruhi kualiti suara. Kecekapan beban penuh dari 90% lebih tinggi mungkin dengan induktor dan MOSFET berkualiti (saya menggunakan IRFB4115s dalam penguat saya). Akibatnya, pendingin yang relatif kecil pada FET cukup dan kipas hanya diperlukan jika beroperasi di dalam kandang bertebat dengan kuasa tinggi.

Langkah 1: Bahagian, Bekalan dan Prasyarat

Prasyarat:

Membangun segala jenis litar kuasa tinggi, terutamanya yang dirancang untuk menghasilkan semula audio dengan bersih, memerlukan pengetahuan mengenai konsep elektronik asas. Anda perlu mengetahui bagaimana kapasitor, induktor, perintang, MOSFET, dan op-amp berfungsi serta cara merancang papan litar pengendalian kuasa dengan betul. Anda juga perlu mengetahui cara menyolder komponen lubang dan cara menggunakan papan jalur (atau membina PCB). Tutorial ini ditujukan kepada orang yang telah membina litar yang agak rumit sebelumnya. Pengetahuan analog yang luas tidak diperlukan, kerana kebanyakan subkitar di mana-mana penguat kelas D hanya menangani dua tahap voltan - hidup atau mati.

Anda juga perlu mengetahui cara menggunakan osiloskop (hanya fungsi asas) dan bagaimana men-debug litar yang tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Kemungkinan besar, dengan litar kerumitan ini, anda akan mempunyai sub-litar yang tidak berfungsi pada kali pertama anda membinanya. Cari dan atasi masalah sebelum beralih ke langkah seterusnya, menyahpepijat satu sub-litar jauh lebih mudah daripada cuba mencari kesalahan di suatu tempat di seluruh papan. Penggunaan osiloskop diperlukan untuk mencari ayunan yang tidak disengajakan dan mengesahkan bahawa isyarat kelihatan seperti yang sepatutnya.

Petua Umum:

Pada mana-mana penguat kelas D, anda akan menukar voltan dan arus tinggi pada frekuensi tinggi, yang berpotensi menghasilkan banyak bunyi. Anda juga akan mempunyai litar audio kuasa rendah yang sensitif terhadap bunyi bising dan akan mengambil dan memperkuatnya. Tahap input dan tahap daya harus berada di hujung papan yang bertentangan.

Pembumian yang baik, terutama dalam tahap daya, juga penting. Pastikan wayar ground berjalan terus dari terminal negatif ke setiap pemandu dan pembanding gerbang. Sukar untuk mempunyai wayar tanah yang terlalu banyak. Sekiranya anda melakukan ini pada papan litar bercetak, gunakan bidang tanah untuk pembumian.

Bahagian yang anda perlukan:

(Mesej saya jika saya terlepas, saya pasti ini senarai lengkap)

(Semua yang dilabel HV perlu dinilai sekurang-kurangnya voltan yang ditingkatkan untuk menggerakkan pembesar suara, lebih baik lagi)

(Sebilangan besar ini dapat diselamatkan dari elektronik dan perkakas yang dibuang ke tempat sampah, terutama kapasitor)

• Bekalan kuasa 24 volt mampu 375 watt (saya menggunakan bateri lithium, jika menggunakan bateri pastikan anda mempunyai LVC (pemotongan voltan rendah))
• Menukar power converter yang mampu memberikan 350 watt pada 65 volt. (Cari "Yeeco power converter 900 watt" di Amazon dan anda akan dapati yang saya gunakan.)
• "Perf board" atau papan proto untuk membina semuanya. Saya cadangkan mempunyai sekurang-kurangnya 15 inci persegi untuk digunakan untuk projek ini, 18 jika anda ingin membina papan input pada papan yang sama.
• Heatsink untuk memasang MOSFET ke
• Kapasitor 220uf
• Kapasitor 2x 470uf, satu mesti dinilai untuk voltan masukan (bukan HV)
• Kapasitor 2x 470nf
• Kapasitor 1x 1nf
• Kapasitor Seramik 12x 100nf (atau anda boleh menggunakan poli)
• Kapasitor Poli 2x 100nf [HV]
• Kapasitor Poli 1x 1uf [HV]
• Kapasitor elektrolitik ESR RENDAH 1x 470uf [HV]
• 2x 1n4003 diod (mana-mana diod yang tahan 2 * HV atau lebih baik)
• Sekering 1x 10 amp (atau sekeping pendek wayar 30AWG melintasi blok terminal)
• 2x 2.5mh induktor (atau angin sendiri)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Mesti GENUINE!]
• Pelbagai perintang, anda boleh mengeluarkannya dari eBay atau Amazon dengan harga beberapa dolar
• Potensiometer pemangkas 4x 2k
• 2x KIA4558 Op amp (atau audio op amp yang serupa)
• Pembanding 3x LM311
• Pengatur voltan 1x 7808
• Papan penukar 1x "Lm2596", anda boleh mendapatkannya di eBay atau Amazon dengan harga beberapa dolar
• IC pemacu gerbang 2x NCP5181 (anda mungkin meniup beberapa, dapatkan lebih banyak lagi) [Mesti GENUINE!]
• Header 3-pin untuk disambungkan ke papan input (atau lebih banyak pin untuk ketegaran mekanikal)
• Kawat atau blok terminal untuk pembesar suara, kuasa, dll
• Wayar kuasa 18AWG (untuk kabel tahap kuasa)
• 22 wayar penyambung AWG (untuk pendawaian semua yang lain)
• Transformer audio berkuasa rendah 200 ohm untuk peringkat input
• Kipas komputer kecil 12v / 200ma (atau kurang) untuk menyejukkan penguat (pilihan)

Alat dan bekalan:

• Osiloskop sekurang-kurangnya resolusi 2us / div dengan probe 1x dan 10x (anda boleh menggunakan perintang 50k dan 5k untuk membuat probe 10x anda sendiri)
• Multimeter yang boleh melakukan voltan, arus dan rintangan
• Pateri dan besi pematerian (saya menggunakan Kester 63/37, berkualiti bebas plumbum juga berfungsi jika anda berpengalaman)
• Penyedut solder, sumbu, dan lain-lain. Anda AKAN melakukan kesalahan pada litar yang besar ini, terutamanya semasa menyolder induktor, itu menyakitkan.
• Pemotong wayar dan pelucut
• Sesuatu yang dapat menghasilkan gelombang persegi beberapa HZ, seperti papan roti dan pemasa 555

Langkah 2: Ketahui Bagaimana Kelas D Berayun Sendiri Berfungsi (pilihan Tetapi Disyorkan)

Sebelum anda memulakan, adalah idea yang baik untuk mengetahui bagaimana rangkaian sebenarnya berfungsi. Ini akan membantu dengan lebih banyak masalah yang mungkin anda hadapi, dan akan membantu anda memahami apa yang dilakukan oleh setiap bahagian skema penuh.

Gambar pertama adalah grafik yang dihasilkan oleh LTSpice yang menunjukkan tindak balas penguat terhadap perubahan voltan input seketika. Seperti yang anda lihat dari grafik, garis hijau cuba mengikuti garis biru. Sebaik sahaja input berubah, garis hijau naik secepat yang mungkin dan berhenti dengan overhoot minimum. Garis merah adalah voltan tahap output sebelum penapis. Selepas perubahan, penguat dengan cepat mengendap dan mula berayun di sekitar titik set sekali lagi.

Gambar kedua adalah gambarajah litar asas. Input audio dibandingkan dengan isyarat maklum balas, yang menghasilkan isyarat untuk mendorong tahap output untuk mendekatkan output ke input. Histeresis dalam pembanding menyebabkan litar berayun di sekitar voltan yang dikehendaki pada frekuensi yang terlalu tinggi untuk telinga atau pembesar suara bertindak balas.

Sekiranya anda mempunyai LTSpice, anda boleh memuat turun dan bermain-main dengan fail skematik.asc. Cuba ubah r2 untuk mengubah frekuensi dan perhatikan litar menjadi gila semasa anda mengeluarkan penyedut yang meredam ayunan berlebihan di sekitar titik resonans penapis LC.

Walaupun anda tidak mempunyai LTSpice, mempelajari gambar akan memberi anda idea yang baik tentang bagaimana semuanya berfungsi. Sekarang mari kita ke bangunan.

Langkah 3: Bina Bekalan Kuasa

Sebelum anda memulakan pematerian apa-apa, perhatikan skema dan susun atur contoh. Skematiknya adalah SVG (grafik vektor) jadi setelah anda memuat turunnya, anda boleh mengezum seberapa banyak yang anda mahukan tanpa kehilangan resolusi. Tentukan di mana anda akan meletakkan segala-galanya di papan, dan kemudian membina bekalan kuasa. Sambungkan voltan dan tanah bateri dan pastikan tidak ada yang panas. Gunakan multimeter untuk menyesuaikan papan "lm2596" ke output 12 volt dan periksa bahawa pengatur 7808 mengeluarkan 8 volt.

Itu sahaja untuk bekalan elektrik.

Langkah 4: Bina Tahap Keluaran dan Pemacu Gerbang

Dari keseluruhan proses pembinaan, ini adalah langkah paling sukar dari semuanya. Bina semua yang ada di "Litar pemacu gerbang" dan "Tahap kuasa" dalam skema, pastikan bahawa FET dipasang pada pendingin.

Dalam skema, anda akan melihat wayar yang kelihatan tidak ke mana-mana dan mengatakan "vDrv". Ini disebut label dalam skematik dan semua label dengan teks yang sama disatukan. Sambungkan semua wayar berlabel "vDrv" ke output papan pengatur 12v.

Setelah menyelesaikan tahap ini, aktifkan litar ini dengan bekalan arus terhad (anda boleh menggunakan perintang secara bersiri dengan bekalan kuasa) dan pastikan tidak ada yang panas. Cuba sambungkan setiap isyarat input ke pemacu gerbang ke 8v dari bekalan kuasa (satu demi satu) dan periksa bahawa pintu yang betul sedang digerakkan. Setelah anda mengesahkan bahawa anda tahu pemacu pintu berfungsi.

Oleh kerana pemacu gerbang menggunakan litar bootstrap, anda tidak dapat menguji output secara langsung dengan mengukur voltan keluaran. Pasang multimeter pada pemeriksaan dioda dan periksa antara setiap terminal pembesar suara dan setiap terminal kuasa.

1. Positif kepada Penceramah 1
2. Positif kepada Penceramah 2
3. Negatif kepada Penceramah 1
4. Negatif kepada Penceramah 2

Masing-masing harus menunjukkan kekonduksian separa hanya dengan satu cara, sama seperti diod.

Sekiranya semuanya berjaya, tahniah, anda baru sahaja menyelesaikan bahagian paling sukar di papan. Anda ingat pembumian yang betul, bukan?

Langkah 5: Bina Generator Isyarat Pemacu Gerbang MOSFET

Sebaik sahaja anda menyelesaikan tahap pemandu dan kuasa gerbang, anda sudah bersedia untuk membina bahagian litar yang menghasilkan isyarat yang memberitahu pemandu gerbang apa FET yang harus dihidupkan pada waktu apa.

Bina semua dalam "penjana isyarat pemacu MOSFET dengan masa mati" dalam skema, pastikan bahawa anda tidak melupakan kapasitor kecil. Sekiranya anda menghilangkannya, litar masih akan diuji dengan baik, tetapi tidak akan berfungsi dengan baik semasa anda cuba menggerakkan pembesar suara kerana pembanding berayun.

Seterusnya, uji litar dengan memasukkan gelombang persegi beberapa hertz ke dalam "penjana isyarat pemacu MOSFET dengan masa mati" dari penjana isyarat anda atau litar pemasa 555. Sambungkan voltan bateri ke "HV in" melalui perintang had semasa.

Sambungkan osiloskop ke output pembesar suara. Anda harus mendapat polaritas membalikkan voltan bateri beberapa kali sesaat. Tidak ada yang boleh menjadi panas dan outputnya mestilah gelombang persegi yang bagus dan tajam. Overhoot sedikit baik, selagi tidak melebihi 1/3 voltan bateri.

Sekiranya output menghasilkan gelombang persegi yang bersih, ini bermakna semua yang anda buat setakat ini berfungsi. Hanya tinggal satu sub-litar sehingga selesai.

Langkah 6: Pembanding, Penguat Pembezaan, dan Momen Kebenaran

Anda kini bersedia untuk membina bahagian litar yang sebenarnya melakukan modulasi kelas D.

Bina semua dalam "Perbandingan dengan histeresis" dan "Penguat pembezaan untuk maklum balas" dalam skema, serta dua perintang 5k yang memastikan litar tetap stabil apabila tidak ada yang disambungkan ke input.

Sambungkan kuasa ke litar (tetapi belum masuk HV) dan periksa bahawa pin 2 dan 3 dari U6 keduanya betul-betul hampir dengan separuh Vreg (4 volt).

Sekiranya kedua-dua nilai tersebut betul, pasang subwoofer di terminal output. sambungkan kuasa dan HV ke voltan bateri melalui perintang penghad semasa (anda boleh menggunakan subwoofer 4 ohm atau lebih besar sebagai perintang). Anda mesti mendengar bunyi kecil dan subwoofer tidak boleh bergerak satu arah atau yang lain lebih dari satu milimeter atau lebih. Periksa dengan osiloskop untuk memastikan bahawa isyarat yang masuk dan keluar dari pemacu gerbang NCP5181 bersih dan masing-masing mempunyai sekitar 40% kitaran tugas. Sekiranya ini tidak berlaku, sesuaikan dua perintang berubah sehingga ia berada. Kekerapan gelombang pemacu gerbang akan lebih rendah daripada 70-110 KHZ yang dikehendaki kerana HV tidak disambungkan ke penggalak voltan.

Sekiranya isyarat pemacu gerbang tidak berayun sama sekali, cubalah beralih SPK1 dan SPK2 ke penguat pembezaan. Sekiranya masih tidak berfungsi, gunakan osiloskop untuk mengesan kesalahan. Ini hampir pasti dalam rangkaian pembanding atau penguat pembezaan.

Setelah litar berfungsi, biarkan pembesar suara disambungkan dan tambahkan modul penggalak voltan untuk meningkatkan voltan ke HV hingga sekitar 65-70 volt (ingat fius). Hidupkan litar, dan pastikan tidak ada yang mula-mula panas, terutamanya MOSFET dan induktor. Teruskan memantau suhu selama kira-kira 5 minit. Adalah normal bagi induktor untuk menjadi panas, selagi tidak terlalu panas untuk disentuh secara berterusan. MOSFET tidak boleh lebih panas sedikit.

Periksa frekuensi dan kitaran tugas gelombang pemacu gerbang sekali lagi. Sesuaikan untuk kitaran tugas 40% dan pastikan frekuensi antara 70 dan 110 Khz. Sekiranya tidak, sesuaikan R10 dalam skema untuk membetulkan frekuensi. Sekiranya frekuensi betul, anda sudah bersedia untuk mula memainkan suara dengan penguat.

Langkah 7: Input Audio dan Ujian Akhir

Sekarang bahawa penguat itu sendiri berfungsi dengan memuaskan, sudah tiba masanya untuk membina tahap input. Pada papan lain (atau yang sama jika anda mempunyai ruang), bina litar mengikut skema yang disediakan dengan langkah ini (anda harus memuat turunnya), pastikan ia dilindungi dengan sekeping logam yang dibumikan jika dekat dengan sebarang kebisingan komponen. Pasang daya dan arde ke litar dari penguat, tetapi jangan sambungkan isyarat audio. Periksa bahawa isyarat audio berada pada sekitar 4 volt dan berubah sedikit ketika anda menghidupkan potensiometer "DC offset menyesuaikan". Laraskan potensiometer untuk 4 volt dan pateri wayar input audio ke litar lain.

Walaupun skema menunjukkan menggunakan bicu fon kepala sebagai input, anda juga dapat menambahkan penyesuai bluetooth dengan outputnya disambungkan ke tempat bicu audio berada. Penyesuai bluetooth boleh dikuasakan oleh pengatur 7805. (Saya mempunyai 7806 dan menggunakan diod untuk menjatuhkan 0.7 volt lagi).

Hidupkan semula penguat, dan pasangkan kabel ke soket AUX pada papan input. Mungkin akan ada beberapa statik samar.

Sekiranya statik terlalu kuat terdapat beberapa perkara yang boleh anda cuba:

• Adakah anda melindungi tahap input dengan baik? Pembanding juga menghasilkan bunyi bising.
• Tambahkan kapasitor 100nf di seluruh output pengubah.
• Tambahkan kapasitor 100nf antara audio keluar dan tanah dan letakkan perintang 2k sejajar sebelum kapasitor.
• Pastikan kabel aux tidak dekat dengan kabel output atau kabel output penguat.

Perlahan-lahan (beberapa minit) naikkan kelantangan, memastikan tidak ada yang terlalu panas atau memusingkan. Laraskan gandaan supaya penguat tidak terpaut kecuali kelantangannya maksimum.

Bergantung pada kualiti teras induktor dan ukuran pendingin, mungkin ada baiknya menambah kipas kecil, yang digerakkan dari rel 12v, untuk menyejukkan penguat. Ini adalah idea yang sangat baik jika anda memasukkannya ke dalam kotak.