350 vatu paš svārstīgs D klases pastiprinātājs: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:55

Ievads un kāpēc es to padarīju pamācāmu:

Internetā ir daudz pamācību, kas parāda cilvēkiem, kā izveidot savus D klases pastiprinātājus. Tie ir efektīvi, vienkārši saprotami, un visi izmanto vienu un to pašu vispārīgo topoloģiju. Viena ķēdes daļa ģenerē augstfrekvences trīsstūra vilni, un to salīdzina ar audio signālu, lai modulētu izejas slēdžus (gandrīz vienmēr MOSFET) ieslēgtu un izslēgtu. Lielākajai daļai šo “DIY klases D” dizainu nav atgriezeniskās saites, un tiem, kas skaņu izklausās tikai basa reģionā. Tie ražo nedaudz pieņemamus zemfrekvences skaļruņu pastiprinātājus, bet tiem ir ievērojami izkropļojumi augstās frekvences reģionos. Tiem, kuriem nav atgriezeniskās saites, MOSFET pārslēgšanai nepieciešamā miršanas laika dēļ, ir izejas viļņu forma, kas izskatās kā trīsstūra vilnis, nevis sinusoidāls. Ir ievērojamas nevēlamas harmonikas, kā rezultātā ievērojami samazinās skaņas kvalitāte, kas liek mūzikai izklausīties tā, it kā tā izkļūtu no trompetes. Mana iepriekšējā D klases pastiprinātāja nedaudz trāpīgā, ne pārāk asā skaņa ir iemesls, kāpēc es nolēmu izpētīt un izveidot pastiprinātāju, izmantojot šo neskaidro, nepietiekami izmantoto topoloģiju.

Tomēr klasiskais "trīsstūra viļņu salīdzinātājs" nav vienīgais veids, kā izveidot D klases pastiprinātāju. Ir labāks veids. Tā vietā, lai oscilators modulētu signālu, kāpēc nepadarīt visu pastiprinātāju par oscilatoru? Izejas MOSFET tiek virzīti (izmantojot piemērotu piedziņas shēmu), salīdzinot ar izeju ar pozitīvo ieeju, kas saņem ienākošo audio, un negatīvā ieeja saņem pastiprinātāja izejas sprieguma (samazinātu) versiju. Histerēzi salīdzinājumā izmanto, lai regulētu darbības biežumu un novērstu nestabilus, augstas frekvences rezonanses režīmus. Turklāt visā izejā tiek izmantots RC snubber tīkls, lai izslēgtu zvana signālu pie izejas filtra rezonanses frekvences un samazinātu fāzes nobīdi līdz gandrīz 90 grādiem pie pastiprinātāja darbības frekvences aptuveni 100 Khz. Šī vienkāršā, bet kritiskā filtra izlaišana izraisīs pastiprinātāja pašiznīcināšanos, jo var rasties vairāku simtu voltu spriegums, kas nekavējoties iznīcina filtra kondensatorus.

Darbības princips:

Pieņemsim, ka pastiprinātājs vispirms tiek iedarbināts un visi spriegumi ir nulle. Tā histerēzes dēļ salīdzinātājs nolems izvadīt pozitīvu vai negatīvu rezultātu. Šajā piemērā mēs pieņemsim, ka salīdzinātājs izvelk izvadi negatīvi. Dažu desmitu mikrosekundu laikā pastiprinātāja izejas spriegums ir pietiekami samazinājies, lai apgrieztu salīdzinātāju un atkal nosūtītu spriegumu atpakaļ, un šis cikls atkārtojas aptuveni 60 līdz 100 tūkstošus reižu katru sekundi, saglabājot vēlamo spriegumu pie izejas. Sakarā ar filtra induktora lielo pretestību un filtra kondensatora zemo pretestību šajā frekvencē, izejā nav daudz trokšņa, un augstās darbības frekvences dēļ tā ir daudz augstāka par dzirdamo diapazonu. Ja ieejas spriegums palielinās, izejas spriegums palielināsies pietiekami, lai atgriezeniskās saites spriegums sasniegtu izejas spriegumu. Tādā veidā tiek panākta pastiprināšana.

Priekšrocības salīdzinājumā ar standarta D klasi:

1. Ārkārtīgi zema izejas pretestība: Tā kā izejas MOSFET pēc filtra sasniegšanas nepārslēgsies līdz vēlamajam izejas spriegumam, izejas pretestība ir praktiski nulle. Pat ar 0,1 voltu atšķirību starp faktisko un vēlamo izejas spriegumu, ķēde izvadīs pastiprinātājus izejā, līdz spriegums pagriezīs salīdzinātāju atpakaļ (vai kaut kas pūš).

2. Spēja tīri vadīt reaktīvās slodzes: Sakarā ar ārkārtīgi zemo izejas pretestību, paš svārstīga D klase var vadīt daudzvirzienu skaļruņu sistēmas ar lieliem pretestības kritumiem un virsotnēm ar ļoti nelielu harmonisko kropļojumu. Pārnēsātās zemfrekvences skaļruņu sistēmas ar zemu pretestību ostas rezonanses frekvencē ir lielisks skaļruņa piemērs, ka bez atgriezeniskās saites “trīsstūra viļņu salīdzinātāja” pastiprinātājs cīnītos, lai labi darbotos.

3. Plaša frekvences reakcija: palielinoties frekvencei, pastiprinātājs mēģinās to kompensēt, vairāk mainot darba ciklu, lai atgriezeniskās saites spriegums būtu saskaņots ar ieejas spriegumu. Sakarā ar to, ka filtrs vājina augstās frekvences, augstās frekvences sāks griezties zemākā sprieguma līmenī nekā zemākās, bet mūzikas dēļ basā ir ievērojami lielāka elektriskā jauda nekā augstās frekvences (aptuveni 1/f sadalījums, vairāk, ja izmantojiet basu pastiprinājumu), tas nav nekāds jautājums.

4. Stabilitāte: ja tas ir pareizi izstrādāts un ja ir izveidots tīkls, izejas filtra gandrīz 90 ° fāzes robeža darba frekvencē nodrošina, ka pastiprinātājs nekļūs nestabils pat tad, ja smagas kravas tiek pakļautas smagai griešanai. Pirms pastiprinātāja nestabilitātes jūs kaut ko nopūšat, iespējams, skaļruņus vai apakšiekārtas.

5. Efektivitāte un mazs izmērs: Sakarā ar pastiprinātāja pašregulējošo raksturu, MOSFET pārslēgšanas viļņu formām daudz mirušā laika pievienošana neietekmē skaņas kvalitāti. Ar labas kvalitātes induktoru un MOSFET (es savā pastiprinātājā izmantoju IRFB4115) ir iespējama pilna slodzes efektivitāte līdz pat 90%. Rezultātā pietiek ar salīdzinoši mazu FET radiatoru, un ventilators ir nepieciešams tikai tad, ja tas darbojas izolētā korpusā ar lielu jaudu.

1. darbība. Daļas, piederumi un priekšnosacījumi

Priekšnosacījumi:

Lai izveidotu jebkura veida lieljaudas ķēdi, īpaši tādu, kas paredzēta audio tīrai reproducēšanai, ir nepieciešamas zināšanas par elektronikas pamatjēdzieniem. Jums jāzina, kā darbojas kondensatori, induktori, rezistori, MOSFET un op-amp, kā arī pareizi jāprojektē jaudas apstrādes shēmas plate. Jums arī jāzina, kā lodēt caurumus caurumiem un kā izmantot sloksnes (vai izveidot PCB). Šī apmācība ir paredzēta cilvēkiem, kuri iepriekš ir izveidojuši vidēji sarežģītas shēmas. Plašas analogās zināšanas nav vajadzīgas, jo lielākā daļa apakšshēmu jebkurā D klases pastiprinātājā darbojas tikai ar diviem sprieguma līmeņiem - ieslēgtu vai izslēgtu.

Jums arī jāzina, kā izmantot osciloskopu (tikai pamatfunkcijas) un kā atkļūdot ķēdes, kas nedarbojas, kā paredzēts. Ļoti iespējams, ka ar šādu sarežģītības shēmu jūs pirmo reizi izveidosit apakšshēmu, kas nedarbojas. Atrodiet un novērsiet problēmu, pirms pāriet uz nākamo soli, vienas apakšshēmas atkļūdošana ir daudz vienkāršāka nekā mēģinājums atrast kļūdu kaut kur visā panelī. Osciloskopa izmantošana ir nepieciešama, lai atrastu neparedzētas svārstības un pārbaudītu, vai signāli izskatās tā, kā vajadzētu.

Vispārīgi padomi:

Jebkurā D klases pastiprinātājā būs augsts spriegums un strāvas pārslēgšanās augstās frekvencēs, kas var radīt lielu troksni. Jums būs arī mazjaudas audio shēmas, kas ir jutīgas pret troksni un uzņems un pastiprinās to. Ievades stadijai un jaudas pakāpei jābūt plāksnes pretējos galos.

Būtiska ir arī laba zemēšana, jo īpaši jaudas posmā. Pārliecinieties, vai zemējuma vadi no negatīvās spailes ved tieši uz katru vārtu vadītāju un salīdzinātāju. Ir grūti, ja ir pārāk daudz zemējuma vadu. Ja jūs to darāt uz iespiedshēmas plates, zemēšanai izmantojiet iezemēto plakni.

Jums nepieciešamās detaļas:

(Ziņojiet man, ja esmu kādu palaidis garām, esmu diezgan pārliecināts, ka šis ir pilnīgs saraksts)

(Viss, kas apzīmēts ar HV, ir jānovērtē vismaz ar paaugstinātu spriegumu, lai vadītu skaļruni, vēlams vairāk)

(Daudzus no tiem var izglābt no elektronikas un ierīcēm, kas izmestas atkritumu tvertnē, īpaši kondensatoros)

• 24 voltu barošanas avots ar jaudu 375 vati (es izmantoju litija bateriju, ja izmantoju akumulatoru, pārliecinieties, vai jums ir LVC (zemsprieguma pārtraukums))
• Palielināt jaudas pārveidotāju, kas spēj nodrošināt 350 vatus pie 65 voltiem. (Amazonā meklējiet "Yeeco jaudas pārveidotājs 900 vati", un jūs atradīsit to, ko es izmantoju.)
• "Perf dēlis" vai proto-board, lai izveidotu visu. Es iesaku, lai šim projektam būtu vismaz 15 kvadrātcollas, lai strādātu ar šo projektu, 18, ja vēlaties izveidot ievades plāksni uz vienas tāfeles.
• Radiators MOSFET montāžai
• 220uf kondensators
• 2x 470uf kondensators, vienam jābūt novērtētam pēc ieejas sprieguma (nevis HV)
• 2x 470nf kondensators
• 1x 1nf kondensators
• 12x 100nf keramikas kondensators (vai arī varat izmantot poli)
• 2x 100nf poli kondensators [HV]
• 1x 1uf poli kondensators [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolītiskais kondensators [HV]
• 2x 1n4003 diode (jebkura diode, kas var izturēt 2*HV vai vairāk, ir piemērota)
• 1x 10 amp drošinātājs (vai īss 30AWG stieples gabals pāri spaiļu blokam)
• 2x 2,5 mh induktors (vai vējš savs)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Jābūt GENUINE!]
• Dažādi rezistori, jūs varat tos noņemt no eBay vai Amazon par dažiem dolāriem
• 4x 2k trimmeru potenciometri
• 2x KIA4558 Op pastiprinātājs (vai līdzīgs audio pastiprinātājs)
• 3x LM311 salīdzinātāji
• 1x 7808 sprieguma regulators
• 1x "Lm2596" buka pārveidotāja dēlis, tos varat atrast eBay vai Amazon par dažiem dolāriem
• 2x NCP5181 vārtu draivera IC (jūs varat izpūst dažus, iegūt vairāk) [Jābūt GENUINE!]
• 3 kontaktu galvene, lai izveidotu savienojumu ar ievades plati (vai vairāk tapas mehāniskās stingrības nodrošināšanai)
• Vadi vai spaiļu bloki skaļruņiem, barošanai utt
• 18AWG barošanas vads (barošanas posma vadiem)
• 22 AWG savienojuma vads (visu pārējo vadu savienošanai)
• 200 omu mazjaudas audio transformators ievades stadijai
• Neliels 12v/200ma (vai mazāk) datora ventilators pastiprinātāja atdzesēšanai (pēc izvēles)

Instrumenti un piederumi:

• Osciloskops ar vismaz 2us/div izšķirtspēju ar 1x un 10x zondi (varat izmantot 50k un 5k rezistoru, lai izveidotu savu 10x zondi)
• Multimetrs, kas spēj noteikt spriegumu, strāvu un pretestību
• Lodāmurs un lodāmurs (es izmantoju Kester 63/37, LABA KVALITĀTE bez svina darbojas arī, ja jums ir pieredze)
• Lodēšanas zīdējs, dakts utt. Jūs pieļausit kļūdas tik lielā ķēdē, it īpaši, lodējot induktoru, tas ir sāpes.
• Stiepļu griezēji un noņēmēji
• Kaut kas var radīt dažu HZ kvadrātveida vilni, piemēram, maizes dēlis un 555 taimeris

2. darbība. Uzziniet, kā darbojas paššķērsojošā D klase (pēc izvēles, bet ieteicams)

Pirms sākat, ir ieteicams uzzināt, kā ķēde faktiski darbojas. Tas ļoti palīdzēs tikt galā ar jebkādām problēmām, kas jums varētu rasties tālāk, un palīdzēs jums saprast, ko dara katra pilna shēmas daļa.

Pirmais attēls ir LTSpice izveidots grafiks, kas parāda pastiprinātāja reakciju uz momentānām ieejas sprieguma izmaiņām. Kā redzams no grafika, zaļā līnija mēģina sekot zilajai līnijai. Tiklīdz ievade mainās, zaļā līnija iet uz augšu, cik ātri vien iespējams, un nosēžas ar minimālu pārsniegumu. Sarkanā līnija ir izejas posma spriegums pirms filtra. Pēc izmaiņām pastiprinātājs ātri nosēžas un atkal sāk svārstīties ap iestatīto punktu.

Otrais attēls ir pamata shēma. Audio ieeju salīdzina ar atgriezeniskās saites signālu, kas ģenerē signālu, lai virzītu izejas pakāpi, lai tuvinātu izeju ieejai. Histerēze salīdzinājumā liek ķēdei svārstīties ap vēlamo spriegumu ar pārāk augstu frekvenci, lai ausis vai skaļruņi varētu reaģēt.

Ja jums ir LTSpice, varat lejupielādēt un spēlēt ar.asc shematisko failu. Mēģiniet mainīt r2, lai mainītu frekvenci, un vērojiet, kā ķēde kļūst traka, kad noņemat triecienu, kas slāpē pārmērīgas svārstības ap LC filtra rezonanses punktu.

Pat ja jums nav LTSpice, attēlu izpēte sniegs jums labu priekšstatu par to, kā viss darbojas. Tagad ķersimies pie celtniecības.

3. solis: izveidojiet barošanas avotu

Pirms sākat kaut ko lodēt, apskatiet shematisko un piemēru izkārtojumu. Shēma ir SVG (vektorgrafika), tāpēc pēc tās lejupielādes varat tuvināt, cik vēlaties, nezaudējot izšķirtspēju. Izlemiet, kur novietot visu uz tāfeles, un pēc tam izveidojiet barošanas avotu. Pievienojiet akumulatora spriegumu un zemējumu un pārliecinieties, ka nekas nav karsts. Izmantojiet multimetru, lai noregulētu "lm2596" plati līdz 12 voltu izejai un pārbaudiet, vai regulators 7808 izvada 8 voltus.

Tas ir barošanas avotam.

4. solis: izveidojiet izvades stadiju un vārtu draiveri

No visa būvniecības procesa tas ir grūtākais solis. Veidojiet visu shēmā "Vārtu draivera ķēde" un "Barošanas pakāpe", pārliecinoties, ka FET ir piestiprināti pie siltuma izlietnes.

Shēmā jūs redzēsiet vadus, kas, šķiet, nekur neiet un saka "vDrv". Schmatikā tos sauc par etiķetēm, un visas etiķetes ar vienādu tekstu tiek savienotas kopā. Pievienojiet visus "vDrv" marķētos vadus 12 V regulatora plates izejai.

Pabeidzot šo posmu, ieslēdziet šo ķēdi ar strāvas ierobežotu barošanu (varat izmantot rezistoru sērijveidā ar barošanas avotu) un pārliecinieties, ka nekas nesakarst. Mēģiniet savienot katru ievades signālu ar vārtu draiveri līdz 8 V no barošanas avota (pa vienam) un pārbaudiet, vai tiek darbināti pareizi vārti. Kad esat pārliecinājies, ka zināt, ka vārtu piedziņa darbojas.

Sakarā ar vārtu piedziņu, izmantojot sāknēšanas ķēdi, jūs nevarat pārbaudīt izeju tieši, mērot izejas spriegumu. Novietojiet multimetru uz diodes pārbaudi un pārbaudiet starp katru skaļruņu spaili un katru strāvas spaili.

1. Pozitīvs runātājam 1
2. Pozitīvs runātājam 2
3. Negatīvs runātājam 1
4. Negatīvs 2. skaļrunim

Katram vajadzētu parādīt daļēju vadītspēju tikai vienā virzienā, tāpat kā diodei.

Ja viss darbojas, apsveicam, jūs tikko esat pabeidzis visgrūtāko tāfeles sadaļu. Jūs atcerējāties pareizu zemējumu, vai ne?

5. darbība: izveidojiet MOSFET vārtu piedziņas signālu ģeneratoru

Kad esat pabeidzis vārtu draiveri un barošanas posmu, jūs esat gatavs izveidot ķēdes daļu, kas ģenerē signālus, kas norāda vārtu vadītājiem, kādus FET kad ieslēgt.

Veidojiet visu shēmā "MOSFET draivera signāla ģenerators ar mirušo laiku", pārliecinoties, ka neaizmirstat nevienu no mazajiem kondensatoriem. Ja tos izlaidīsit, ķēde joprojām darbosies labi, taču nedarbosies labi, mēģinot vadīt skaļruni, jo salīdzinātāji parazitāri svārstās.

Pēc tam pārbaudiet ķēdi, ievadot dažu hercu kvadrātveida viļņu "MOSFET draivera signāla ģeneratorā ar mirušo laiku" no signāla ģeneratora vai 555 taimera ķēdes. Pievienojiet akumulatora spriegumu "HV in" caur strāvas ierobežošanas rezistoru.

Pievienojiet osciloskopu skaļruņu izejām. Akumulatora sprieguma maiņas polaritātei vajadzētu būt pāris reizes sekundē. Nekam nevajadzētu sasilt, un izejai jābūt jaukam, asam kvadrātveida vilnim. Neliela pārsniegšana ir piemērota, ja vien akumulatora spriegums nepārsniedz 1/3.

Ja izvade rada tīru kvadrātveida vilni, tas nozīmē, ka viss, ko esat izveidojis, darbojas. Līdz pabeigšanai palika tikai viena apakšshēma.

6. solis: salīdzinātājs, diferenciālais pastiprinātājs un patiesības brīdis

Tagad jūs esat gatavs izveidot ķēdes daļu, kas faktiski veic D klases modulāciju.

Veidojiet visu shēmā "Komparators ar histerēzi" un "Diferenciālais pastiprinātājs atgriezeniskajai saitei", kā arī divi 5k rezistori, kas saglabā ķēdi stabilu, kad nekas nav pievienots ieejai.

Pievienojiet strāvai ķēdi (bet vēl ne HV) un pārbaudiet, vai U6 2. un 3. tapai jābūt patiešām tuvu pusei no Vreg (4 volti).

Ja abas šīs vērtības ir pareizas, pievienojiet zemfrekvences skaļruni izvades spailēm. pievienojiet jaudu un HV akumulatora spriegumam caur strāvas ierobežošanas rezistoru (kā rezistoru varat izmantot 4 omu vai lielāku zemfrekvences skaļruni). Jums vajadzētu dzirdēt nelielu atskanējumu, un zemfrekvences skaļrunis nedrīkst kustēties vienā vai otrā virzienā vairāk par milimetru. Pārbaudiet ar osciloskopu, lai pārliecinātos, ka signāli, kas nonāk NCP5181 vārtu draiveros un nāk no tiem, ir tīri un katram ir aptuveni 40% darba cikls. Ja tas tā nav, noregulējiet abus mainīgos rezistorus, līdz tie ir. Vārtu piedziņas viļņu frekvence būs zemāka par vēlamo 70-110 KHZ, jo HV nav pievienots sprieguma pastiprinātājam.

Ja vārtu piedziņas signāli vispār nesvārstās, mēģiniet pārslēgt SPK1 un SPK2 uz diferenciālo pastiprinātāju. Ja tas joprojām nedarbojas, izmantojiet osciloskopu, lai izsekotu kļūmei. Tas gandrīz noteikti ir salīdzinājuma vai diferenciālā pastiprinātāja ķēdē.

Kad ķēde darbojas, atstājiet skaļruni pieslēgtu un pievienojiet sprieguma pastiprinātāja moduli, lai palielinātu spriegumu, kas iet uz HV, līdz aptuveni 65-70 voltiem (atcerieties drošinātāju). Ieslēdziet ķēdi un pārliecinieties, ka sākotnēji nekas nekarst, īpaši MOSFET un induktors. Turpiniet uzraudzīt temperatūru apmēram 5 minūtes. Ir normāli, ja induktors uzsilst, ja vien nav pārāk karsts nepārtraukti pieskarties. MOSFETS jābūt ne vairāk kā nedaudz siltam.

Vēlreiz pārbaudiet vārtu piedziņas viļņu frekvenci un darba ciklu. Pielāgojiet 40% darba ciklam un pārliecinieties, ka frekvence ir no 70 līdz 110 Khz. Ja tā nav, shēmā noregulējiet R10, lai labotu frekvenci. Ja frekvence ir pareiza, jūs esat gatavs sākt atskaņot skaņu ar pastiprinātāju.

7. darbība: audio ieeja un galīgā pārbaude

Tagad, kad pats pastiprinātājs darbojas apmierinoši, ir pienācis laiks izveidot ievades stadiju. Uz citas plates (vai tās pašas, ja jums ir vietas) izveidojiet ķēdi saskaņā ar shēmu, kas pievienota šim solim (tā ir jālejupielādē), pārliecinoties, ka tā ir aizsargāta ar iezemētu metāla gabalu, ja tas ir tuvu trokšņa radīšanai sastāvdaļas. Pievienojiet strāvu un zemi pie pastiprinātāja, bet vēl nepievienojiet audio signālu. Pārbaudiet, vai audio signāls ir aptuveni 4 volti un nedaudz mainās, pagriežot potenciometru "DC nobīdes regulēšana". Pielāgojiet potenciometru 4 voltiem un pielodējiet audio ieejas vadu pārējā ķēdē.

Lai gan shematiski ir parādīts, ka austiņu ligzda tiek izmantota kā ieeja, varat pievienot arī Bluetooth adapteri ar izeju, kas pieslēgta audio ligzdai. Bluetooth adapteri var darbināt ar 7805 regulatoru. (Man bija 7806 un ar diodi nometa vēl 0,7 voltus).

Ieslēdziet pastiprinātāju vēlreiz un pievienojiet kabeli ievades plates AUX ligzdai. Iespējams, būs vāja statika.

Ja statika ir pārāk skaļa, varat izmēģināt dažas lietas:

• Vai jūs labi aizsargājāt ievades stadiju? Arī salīdzinātāji rada troksni.
• Pievienojiet 100nf kondensatoru visā transformatora izejā.
• Pievienojiet 100nf kondensatoru starp audio izeju un zemi un novietojiet 2k rezistoru rindā pirms kondensatora.
• Pārliecinieties, vai papildu vads nav tuvu barošanas avotam vai pastiprinātāja izejas kabeļiem.

Lēnām (vairāku minūšu laikā) palieliniet skaļumu, pārliecinoties, ka nekas nav pārāk karsts vai kropļo. Pielāgojiet pastiprinājumu tā, lai pastiprinātājs nenofiksētos, ja vien skaļums nav maksimālais.

Atkarībā no indukcijas serdeņa kvalitātes un dzesētāja izmēra var būt laba ideja pastiprinātāja atdzesēšanai pievienot nelielu ventilatoru, kas tiek darbināts no 12 V sliedes. Šī ir īpaši laba ideja, ja jūs to ievietojat kastē.