Paaiškintos 4 efektyvios PWM stiprintuvo grandinės

Garso stiprintuvai, suprojektuoti sustiprinti analoginį garso signalą per impulsų pločio moduliaciją ar PWM apdorojimą ir su reguliuojamu darbo ciklu, yra žinomi daugeliu pavadinimų, įskaitant skaitmeninį stiprintuvą, D klasės stiprintuvą, perjungiamą stiprintuvą ir PWM stiprintuvą.

Kadangi jis gali veikti labai efektyviai, a D klasės stiprintuvas tapo mėgstamiausia mobiliųjų ir viešųjų adresų programų koncepcija, kai iškraipymai yra nereikšmingi.

Kodėl PWM stiprintuvai yra tokie efektyvūs?

Taip yra todėl, kad jie konvertuoja analoginį garso signalą į lygiavertį PWM moduliuojamą turinį. Šį moduliuojamą PWM garso signalą efektyviai sustiprina išvesties įrenginiai, pvz., MOSFET ar BJT, ir tada konvertuoja atgal į didelės galios analoginę versiją, naudodamas specialius induktorius per prijungtus garsiakalbius.

Mes tai žinome puslaidininkis prietaisai, tokie kaip MOSFET ir BJT „nepatinka“, kai jis veikia neapibrėžtuose įvesties signalo regionuose ir yra linkęs įkaisti. Pavyzdžiui, a MOSFET tinkamai neįsijungs, kai vartų signalai yra žemiau 8 V, o BJT tinkamai neatsakys, kai pagrindinė pavara yra žemesnė nei 0,5 V, todėl jų kūno radiatorius išsklaidys daug šilumos.

Iš prigimties eksponentiški analoginiai signalai verčia minėtus prietaisus dirbti su nepatogiais ir nepalankiais lėtos ir lėtos kritimo potencialais, dėl ko didelis šilumos išsiskyrimas ir didesnis neefektyvumas.

PWM stiprinimo koncepcija, priešingai, leiskite šiems prietaisams veikti visiškai juos įjungiant arba visiškai išjungiant, be tarpinių neapibrėžtų potencialų. Dėl to prietaisai neskleidžia jokios šilumos, o garso stiprinimas atliekamas labai efektyviai ir minimaliai.

Skaitmeninio stiprintuvo pranašumai, palyginti su tiesiniu stiprintuvu

• Skaitmeniniai arba PWM stiprintuvai naudoja PWM apdorojimą, todėl išvesties įrenginiai sustiprina signalus kuo mažiau išsklaidydami šilumą. Linijiniuose stiprintuvuose naudojama spinduolio pasekėjų konstrukcija ir garso stiprinimo metu išsklaidomas didelis šilumos kiekis.
• Skaitmeniniai stiprintuvai gali dirbti su mažesniu išėjimo galios įrenginių skaičiumi, palyginti su linijiniais stiprintuvais.
• Dėl minimalaus šilumos išsiskyrimo nereikia aušintuvo ar mažesnių radiatorių, palyginti su tiesiniais amperais, kurie priklauso nuo didelių radiatorių.
• Skaitmeniniai PWM stiprintuvai yra pigesni, lengvesni ir labai efektyvūs, palyginti su linijiniais stiprintuvais.
• Skaitmeniniai stiprintuvai gali veikti su mažesniais maitinimo šaltiniais nei linijiniai stiprintuvai.

Šiame įraše pirmasis žemiau esantis PWM galios stiprintuvas valdomas 6 V baterija ir sukuria iki 5 W išėjimo galią. Atsižvelgiant į akivaizdų išėjimo pajėgumą, PWM stiprintuvas dažnai būna megafonuose.

Dažna mobiliųjų AF stiprintuvų problema yra ta, kad dėl mažo efektyvumo savybių sunku gaminti didelę galią iš žemos maitinimo įtampos.

Tačiau mūsų diskusijos metu PWM stiprintuvas turi beveik 100% efektyvumą iškraipymų lygyje, kuris yra priimtinas megafonams ir susijusiems P.A. prietaisų. Keletas veiksnių, kurie prisideda prie dizaino, paaiškinti toliau:

Impulso pločio moduliacija

Pulso pločio moduliacijos (PWM) principas pateiktas žemiau 1 paveiksle.

Koncepcija paprasta: aukštesnio dažnio stačiakampio signalo veikimo ciklą valdo įvesties signalas. Impulso įjungimo laikas yra santykinis su momentine įėjimo signalo amplitude.

Įjungimo ir išjungimo laikas, be dažnio, yra pastovus. Todėl, kai trūksta įvesties signalo, gaunamas simetriškas kvadratinės bangos signalas.

Norint pasiekti palyginti gerą garso kokybę, stačiakampio signalo dažnis turi būti dvigubas, nei didžiausias įvesties signalo dažnis.

Gautą signalą galima naudoti garsiakalbiui maitinti. 4 paveiksle parodyta aiški osciloskopo pėdsako konversija.

Viršutinis pėdsakas rodo išvesties signalą po filtravimo ir išmatuotą per garsiakalbį. Likusių amplitudė PWM signalas kad sutampa sinusinė banga yra maža.

Elektroniniai jungikliai kaip stiprintuvai

2 paveiksle aprašytas standartinis PWM stiprintuvo veikimas naudojant blokinę schemą.

Tarkime, kai įvestis yra trumpai sujungta, perjunkite S_įmaitina kondensatorių C₇su srove I_du. Tai vyksta tol, kol pasiekiama tinkama viršutinės ribos perjungimo įtampa.

Tada jis sujungia R₇į žemę. Po to C₇yra išleidžiamas iki apatinės ribinės perjungimo įtampos S_į. Dėl to C₇ir R₇sukuria kvadratinę bangą, kurios dažnis yra 50 kHz.

Kai į stiprintuvo įvestį nukreipiamas AF signalas, papildoma srovė I₁santykinai sutrumpina arba padidina įkrovimo laiką arba padidina ir sutrumpina iškrovimo laiką.

Taigi, įvesties signalas modifikuoja kvadratinės bangos signalo, kuris matomas garsiakalbio išvestyje, veikimo koeficientą.

Yra du įstatymai, kurie yra būtini pagrindiniam PWM stiprintuvo veikimui.

1. Pirmasis yra jungiklis S_bkontroliuojamas antifazėje su S_įlaikydami kitą garsiakalbio gnybtą kaip alternatyvią įtampą PWM signalui.

Ši sąranka duoda komutacinio tilto tipo galios išvesties rezultatą. Vėliau, esant kiekvienam poliškumui, garsiakalbis priverčiamas visa maitinimo įtampa, kad būtų pasiektas maksimalus srovės suvartojimas.

2. Antra, mes žiūrime į induktorius L₁ir L_du. Induktorių paskirtis yra integruoti stačiakampį signalą ir paversti juos sinusiniais, kaip parodyta anksčiau taikymo srities pėdsakuose. Be to, jie taip pat veikia ir harmonikais slopina 50 kHz stačiakampį signalą.

Aukštas garso išvestis iš kuklaus dizaino

Iš pirmiau pateiktame paveikslėlyje pateiktos schemos galite lengvai identifikuoti elektroninius komponentus, naudojamus blokinėje diagramoje.

Nedaug dalių, tokių kaip rezistorius R1, sujungimo kondensatoriai C₁ir C₄, garso reguliavimas P₁ir stiprintuvas aplink opamp A₁atlieka išankstinį kondensatoriaus (arba elektrostatinio) mikrofono darbą.

Visa ši operacija sukuria PWM stiprintuvo įvesties segmentą. Kaip aptarta anksčiau, jungikliai S_įir S_byra pastatyti elektroniniais jungikliais ES₁pirštai₄ir tranzistorių poros T₁-T₃ir t_du-T₄.

Elektroninių komponentų, kurie konstruoja PWM generatorių, dalių nuorodos yra susijusios su aprašytosiomis schemoje.

Tikriausiai PWM stiprintuvas yra neįprastai efektyvus, nes išvesties tranzistoriai nėra įšilę net ir priversti esant visai pavarai. Trumpai tariant, galios išvesties etape praktiškai nėra išsklaidymo.

Svarbiausias veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti prieš renkantis induktorius L₁ir L_duyra tai, kad jie turi sugebėti nukreipti 3 A, netapdami sotūs.

Faktinis induktyvumo svarstymas yra tik antras. Pavyzdžiui, šiame projekte naudojami induktoriai buvo gauti iš šviesos reguliatoriaus.

Diodų paskirtis D₃į D₆induktorių pagamintas galinis EMF turi būti pakankamai saugus.

Be to, ne invertuojantis „Opamp A“ įėjimas₁yra suformuotas D₁, C₃, D_duir R₃. Ši efektyviai filtruojama įėjimo įtampa lygi pusei maitinimo įtampos.

Naudojant tradicinį „Opamp“ stiprintuvą, įtampos padidėjimą priskiria neigiama grįžtamojo ryšio kilpa. R₄ir R₅nustatys stiprinimą 83, kad būtų užtikrintas pakankamas mikrofono jautrumas.

Jei naudojate didelės varžos signalo šaltinius, R₄galima sustiprinti pagal poreikį.

L₁ir L_dusukelti fazės poslinkį ir dėl to grįžtamasis ryšys galimas naudojant kvadratinių bangų signalą T kolektoriuje₁lyginant su sinusiniu garsiakalbio signalu.

Kartu su C₅opamp suteikia reikšmingą PWM grįžtamojo signalo integraciją.

Grįžtamojo ryšio sistema sumažina stiprintuvo iškraipymus, bet ne tiek plačiai, kad galėtumėte jį naudoti kitoms programoms, išskyrus viešąjį adresą.

Paprastai D klasės stiprintuvui su mažu iškraipymu reikėtų žymiai padidėjusio maitinimo įtampos kiekio ir sudėtingos grandinės konstrukcijos.

Šios sąrankos įgyvendinimas sumažintų bendrą grandinės efektyvumą. Atkreipkite dėmesį, kai pasirenkate stiprintuvo elektroninius jungiklius, nes HCMOS tipai yra tinkami.

Tipiškas CMOS tipas 4066 yra labai vangus ir netinkamas sukelti „trumpąjį jungimą“ visame T₁-T₃ir t_du-T₄. Negana to, yra ir padidėjusio pavojaus perdirbti ar net visam laikui sugadinti stiprintuvą.

PWM stiprintuvas „Megaphone“ programai

Elektronikos entuziastai, norėdami įjungti garsinį garsiakalbį, nori naudoti D klasės stiprintuvą, nes jis gali sukelti garsiausią garsą pasirinktam galios lygiui.

Naudojant 6 V baterijų paketą ir slėgio kameros garsiakalbį, stiprintuvo modelis buvo lengvai sukonstruotas.

Esama 4 W išėjimo galia buvo išmatuojama megafone su tinkamu garso diapazonu.

Keturios 1,5 V sausos baterijos arba šarminės monoląstelės buvo nuosekliai sujungtos tiekiant įtampą megafonui. Jei norite dažnai naudoti šią sąranką, rinkitės įkraunamą NiCd arba gelio tipo („Dryfit“) bateriją.

Kadangi didžiausias megafono srovės suvartojimas yra 0,7 A, standartinis šarmas yra tinkamas palaikyti veikimą 24 valandas esant pilnai išėjimo galiai.

Jei planuojate nenutrūkstamai naudoti, daugiau nei pakaks pasirinkti sausų elementų rinkinį.

Turėkite omenyje, kad nesvarbu, kokį energijos šaltinį naudojate, jis niekada neturi kirsti daugiau kaip 7 V.

Priežastis yra HCMOS jungikliai IC₁neveiktų tinkamai esant tokiam ar didesniam įtampos lygiui.

Laimei, stiprintuvui maksimali maitinimo įtampos riba yra didesnė nei 11 V.

Aukščiau paaiškinto PWM D klasės stiprintuvo PCB dizainas pateiktas žemiau:

Dar vienas geras PWM stiprintuvas

Gerai suprojektuotą PWM stiprintuvą sudarys simetriškas stačiakampis bangų generatorius.

Šios stačiakampės bangos veikimo ciklą moduliuoja garso signalas.

Išvesties tranzistoriai veikia ne tiesiškai, o kaip jungikliai, todėl jie yra arba visiškai įjungti, arba išjungti. Ramybės būsenoje bangos formos ciklas yra 50%.

Tai reiškia, kad kiekvienas išėjimo tranzistorius yra tos pačios trukmės visiškai prisotintas arba dar vadinamas laidžiu. Dėl to vidutinė išėjimo įtampa lygi nuliui.

Tai reiškia, kad jei vienas iš jungiklių lieka uždarytas šiek tiek ilgiau nei kitas, vidutinė išėjimo įtampa bus neigiama arba teigiama, priklausomai nuo įėjimo signalo poliškumo.

Todėl galime pastebėti, kad vidutinė išėjimo įtampa yra santykinė su įėjimo signalu. Taip yra todėl, kad išvesties tranzistoriai veikia visiškai kaip jungikliai, todėl išėjimo etape yra nepaprastai maži energijos nuostoliai.

Dizainas

1 paveiksle pavaizduota visa D klasės PWM stiprintuvo schema. Matome, kad PWM stiprintuvas neturi būti pernelyg sudėtingas.

Įvesties garso signalas perduodamas op-amp IC1, kuris veikia kaip lygintuvas. Ši sąranka sukelia keletą Schmitt trigerių, kurie yra prijungti lygiagrečiai grandinei.

Jie yra dėl dviejų priežasčių. Pirma, turi būti „kvadratinė“ bangos forma, antra, išėjimo stadijai reikalinga pakankama pagrindinės pavaros srovė. Šiame etape yra sumontuoti du paprasti, tačiau greiti tranzistoriai (BD137 / 138).

Visas stiprintuvas svyruoja ir sukuria kvadratinę bangą. Priežastis yra tai, kad vienas iš komparatoriaus įvesties (IC1) yra prijungtas prie išėjimo per RC tinklą.

Be to, abu IC1 įėjimai yra nukreipiami į pirmąją maitinimo įtampos pusę, naudojant įtampos daliklį R3 / R4.

Kiekvieną kartą, kai IC1 išėjimas yra mažas, o T1 / T2 spinduoliai yra dideli, kondensatorius C3 įkraunamas per rezistorių R7. Tuo pačiu metu padidės įtampa neinvertuojančiame įėjime.

Kai ši didėjanti įtampa peržengia invertuojamosios pakopos lygį, IC1 riba keičiasi iš žemos į aukštą.

Rezultate T1 / T2 spinduoliai pasisuka iš aukšto į žemą. Ši sąlyga leidžia C3 iškrauti per R7, o įtampa pliusiniame įėjime krinta žemiau įtampos minusiniame įėjime.

IC1 išvestis taip pat grįžta į žemą būseną. Galų gale kvadratinės bangos išvestis gaunama R7 ir C3 nustatytu dažniu. Pateiktos vertės sukuria virpesius esant 700 kHz.

Naudojant osciliatorius , mes galime moduluoti dažnį. Keičiančiojo įvesties IC1 lygis, kuris paprastai naudojamas kaip atskaitos taškas, nelieka pastovus, bet jį nusprendžia garso signalas.

Be to, amplitudė nustato tikslų tašką, kuriame pradeda keistis lyginamojo įrenginio išvestis. Taigi kvadratinių bangų „storį“ reguliariai moduliuoja garso signalas.

Norint užtikrinti, kad stiprintuvas neveiktų kaip 700 kHz siųstuvas, reikia filtruoti jo išėjime. LC / RC tinklas, susidedantis iš L1 / C6 ir C7 / R6, gerai atlieka savo darbą filtras .

Techninės specifikacijos

• Įrengtas 8 omų apkrova ir 12 V maitinimo įtampa, stiprintuvas generavo 1,6 W.
• Naudojant 4 omus, galia padidėjo iki 3 W. Tokiai mažai išsklaidytai šilumai išvesties tranzistorių aušinti nereikia.
• Įrodyta, kad tokios paprastos grandinės atveju harmoninis iškraipymas yra neįprastai mažas.
• Bendras harmoninių iškraipymų lygis buvo mažesnis nei 0,32%, matuojant nuo 20 Hz iki 20 000 Hz diapazoną.

Žemiau esančiame paveikslėlyje galite pamatyti PCB ir stiprintuvo dalių išdėstymą. Šios grandinės sukūrimo laikas ir sąnaudos yra labai mažos, todėl tai yra puiki galimybė visiems, norintiems geriau suprasti PWM.

Dalių sąrašas

Rezistoriai:
R1 - 22 tūkst
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2 tūkst
R6 - 420 k
R6 - 8,2 omai
P1 = 100k logaritminis potenciometras
„Conacitor“;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Puslaidininkiai:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Įvairūs:
L1 = 39μH induktorius

Paprasta 3 tranzistorių D klasės stiprintuvo grandinė

Nepaprastas PWM stiprintuvo efektyvumas yra toks, kad 3 W išvestis gali būti sukurta naudojant BC107, kuris naudojamas kaip išėjimo tranzistorius. Dar geriau, tam nereikia radiatoriaus.

Stiprintuvą sudaro įtampos valdomas impulso pločio osciliatorius, veikiantis maždaug 6 kHz dažniu ir užtikrinantis D klasės išvesties pakopą.

Yra tik du scenarijai - visi įjungti arba visiškai išjungti. Dėl to išsisklaidymas yra neįtikėtinai mažas, todėl gaunamas didelis efektyvumas. Išėjimo bangos forma nėra panaši į įvestį.

Tačiau išvesties ir įvesties bangos formų integralas yra proporcingi vienas kitam laiko atžvilgiu.

Pateikta komponentų verčių lentelė rodo, kad bet kurį stiprintuvą, kurio išėjimai yra nuo 3 W iki 100 W, galima pagaminti. Atsižvelgiant į tai, galima pasiekti didesnę galią iki 1 kW.

Trūkumas yra tas, kad jis sukuria apie 30% iškraipymų. Dėl to stiprintuvas gali būti naudojamas tik garso stiprinimui. Jis yra pritaikytas viešųjų ryšių sistemoms, nes kalba yra nepaprastai suprantama.

Skaitmeninis stiprintuvas

Šioje koncepcijoje parodyta, kaip naudoti pagrindinį nustatytą atstatymo flip flop IC 4013, kuris gali būti pritaikytas konvertuojant analoginį garso signalą į koreguojantį PWM signalą, kuris gali būti toliau tiekiamas į MOSFET pakopą norimam PWM stiprinimui.

Pusę 4013 paketo galite naudoti kaip stiprintuvą su skaitmeniniu išėjimu, kurio darbo ciklas yra proporcingas norimai išėjimo įtampai. Kai jums reikia analoginės išvesties, darbą atliks paprastas filtras.

Turite sekti laikrodžio impulsus, kaip nurodyta, ir jie turi būti žymiai didesnio dažnio nei norimas pralaidumas. Pelnas yra R1 / R2, o laikas R1R2C / (R1 + R2) turi būti ilgesnis nei laikrodžio impulsų periodas.

Programos

Grandinę galima naudoti daugeliu būdų. Kai kurie yra:

1. Gaukite impulsus iš tinklo nulio kirtimo taško ir vykdykite triacą su išėjimu. Todėl dabar jūs turite santykinį galios valdymą be RFI.
2. Naudodami greitą laikrodį, įjunkite vairuotojo tranzistorius su išėjimu. Rezultatas yra labai efektyvus PWM garso stiprintuvas.

30 vatų PWM stiprintuvas

30W klasės-D garso stiprintuvo grandinės schemą galima pamatyti šiame pdf faile.

Operacinis stiprintuvas IC1 sustiprina įvestį garso signalą per kintamu garsumu valdomą potenciometrą VR1. PWM (impulso pločio moduliacija) signalas generuojamas lyginant garso signalą su 100 kHz trikampio bangomis. Tai pasiekiama per palyginamąjį 1C6. Rezistorius RI3 naudojamas teigiamam grįžtamajam ryšiui tiekti, o C6 iš tikrųjų įvedamas siekiant pagerinti palyginamojo veikimo laiką.

Palyginamoji išvestis persijungia tarp ± 7,5 V kraštutinės įtampos. Ištraukimo rezistorius R12 siūlo + 7,5 V, o -7,5 V maitina op amp IC6 vidinis atviras emiterio tranzistorius 1 kaištelyje. Tuo metu, kai šis signalas juda į teigiamą lygį, tranzistorius TR1 veikia kaip srovės kriauklės gnybtas. Dėl šios srovės kriauklės padidėja rezistoriaus R16 įtampos kritimas, kurio pakanka, kad įjungtumėte MOSFET TR3.

Kai signalas persijungia į neigiamą kraštutinumą. TR2 virsta srovės šaltiniu, lemiančiu įtampos kritimą per R17. Šio lašo pakanka, kad įjungtumėte TR4. Iš esmės MOSFET TR3 ir TR4 suveikia pakaitomis generuodami PWM signalą, kuris persijungia tarp +/- 15 V.

Šiuo metu labai svarbu sugrąžinti arba konvertuoti šį sustiprintą PWM signalą į gerą garso atkūrimą, kuris gali būti sustiprintas įvesties garso signalo atitikmuo.

Tai pasiekiama sukuriant PWM darbo ciklo vidurkį per 3-iojo laipsnio „Butterworh“ žemo dažnio filtrą, kurio ribinis dažnis (25 kHz) yra žymiai mažesnis už trikampio pagrindinį dažnį.

Šis veiksmas sukelia didžiulį slopinimą 100 kHz dažniu. Gauta galutinė išvestis persikelia į garso išvestį, kuri yra sustiprinta įvesties garso signalo replikacija.

Trikampio bangos generatorius per grandinės konfigūraciją 1C2 ir 1C5, kur IC2 veikia kaip kvadratinių bangų generatorius, turintis teigiamą grįžtamąjį ryšį, tiekiamą per R7 ir R11. Diodai nuo DI iki D5 veikia kaip dvikryptis spaustukas. Tai nustato įtampą maždaug iki +/- 6 V.

Puikus integratorius sukurtas per iš anksto nustatytą VR2, kondensatorių C5 ir IC5, kuris kvadratinę bangą paverčia trikampio banga. Iš anksto nustatytas VR2 suteikia „freqeuncy“ papildymo funkciją.

1C5 išėjimas (6 kaištyje) teikia grįžtamąjį ryšį 1C2, o rezistorius R14 ir iš anksto nustatytas VR3 veikia kaip lankstus slopintuvas, leidžiantis trikampio bangos lygį pakoreguoti kaip reikiant.

Atlikę visą grandinę, VR2 ir VR3 turi būti tiksliai sureguliuoti, kad būtų užtikrinta aukščiausios kokybės garso išvestis. Įprastų 741 op amperų rinkinys 1C4 ir IC3 gali būti naudojamas kaip vienybės padidėjimo buferiai tiekiant +/- 7,5 V galią.

Kondensatoriai C3, C4, C11 ir C12 naudojami filtravimui, o likę kondensatoriai naudojami maitinimo atjungimui.

Kontūras gali būti maitinamas dvigubu +/- 15 V nuolatinės srovės maitinimo šaltiniu, kuris per kondensatorių C13 ir induktorių L2 galės vairuoti 30 W 8 omų garsiakalbį per LC pakopą. Atminkite, kad kuklūs radiatoriai tikriausiai gali būti reikalingi MOSFET TR3 ir TR4.