4 tehokasta PWM-vahvistinpiiriä selitetty

Äänivahvistimet, jotka on suunniteltu vahvistamaan analogista audiosignaalia pulssinleveyden moduloinnin tai PWM-prosessoinnin avulla ja säädettävällä toimintajaksolla, tunnetaan monilla nimillä, mukaan lukien digitaalinen vahvistin, D-luokan vahvistin, kytketty vahvistin ja PWM-vahvistin.

Koska se voi toimia suurilla hyötysuhteilla, a D-luokan vahvistin Siitä on tullut suosikki käsite matkapuhelin- ja yleisösovelluksissa, joissa vääristymät ovat vähäisiä.

Miksi PWM-vahvistimet ovat niin tehokkaita

Se johtuu siitä, että ne muuttavat analogisen audiosignaalin vastaavaksi PWM-moduloiduksi sisällöksi. Lähtölaitteet, kuten MOSFETit tai BJT, vahvistavat tämän moduloidun PWM-äänisignaalin tehokkaasti ja muuntavat sitten takaisin suuritehoiseksi analogiseksi versioksi käyttämällä erityisiä induktoreita yhdistettyjen kaiuttimien yli.

Tiedämme sen puolijohde laitteet, kuten MOSFETit ja BJT: t 'pidä' toimimasta tulosignaalin määrittelemättömillä alueilla ja yleensä kuumenevat. Esimerkiksi a MOSFET ei käynnisty kunnolla, kun porttisignaalit ovat alle 8 V, ja BJT: t eivät reagoi oikein alle 0,5 V: n perusasemalla, mikä johtaa suureen määrään lämmöntuottoa rungon jäähdytyselementin läpi.

Analogiset signaalit, jotka ovat luonteeltaan eksponentiaalisia, pakottavat yllä mainitut laitteet toimimaan epämiellyttävillä ja epäedullisilla hitaalla nousulla ja hitaalla putoamispotentiaalilla aiheuttaen suuren lämmöntuotannon ja suuremman tehottomuuden.

PWM vahvistuskonseptin sitä vastoin, anna näiden laitteiden toimia joko kytkemällä ne kokonaan päälle tai pois päältä kokonaan ilman välimääriä, joita ei ole määritelty. Tämän vuoksi laitteet eivät säteile lämpöä ja äänenvahvistus suoritetaan suurella hyötysuhteella ja minimaalisilla häviöillä.

Digitaalisen vahvistimen edut verrattuna lineaariseen vahvistimeen

• Digitaaliset tai PWM-vahvistimet käyttävät PWM-prosessointia ja siksi lähtölaitteet vahvistavat signaaleja pienimmällä lämmöntuotto. Lineaarivahvistimet käyttävät lähettimen seuraajarakennetta ja kuluttavat suuren määrän lämpöä äänenvahvistuksen aikana.
• Digitaalivahvistimet voivat toimia pienemmällä määrällä lähtöteholaitteita kuin lineaariset vahvistimet.
• Pienimmän lämmöntuoton vuoksi jäähdytyselementtiä tai pienempiä jäähdytyselementtejä ei tarvita verrattuna lineaarisiin ampeereihin, jotka riippuvat suurista jäähdytyselementeistä.
• Digitaaliset PWM-vahvistimet ovat halvempia, kevyempiä ja erittäin tehokkaita verrattuna lineaarisiin vahvistimiin.
• Digitaalivahvistimet voivat toimia pienemmillä virtalähdetuloilla kuin lineaariset vahvistimet.

Tässä viestissä ensimmäistä alla olevaa PWM-tehovahvistinta käytetään 6 V: n paristolla ja se tuottaa jopa 5 W: n lähtötehoa. PWM-vahvistimen räikeän ulostulokapasiteetin vuoksi sitä löytyy usein megafoneista.

Mobiilien AF-vahvistimien yleinen ongelma on, että matalan hyötysuhteen vuoksi on vaikea tuottaa suurta tehoa matalasta syöttöjännitteestä.

Keskustelumme PWM-vahvistimella on kuitenkin melkein 100% hyötysuhde vääristymällä, joka on hyväksyttävä megafonien ja niihin liittyvien P.A. laitteet. Muutamia tekijöitä, jotka vaikuttavat suunnitteluun, selitetään alla:

Pulssinleveysmodulaatio

Pulssileveyden modulaation (PWM) periaate on esitetty alla olevassa kuvassa 1.

Käsite on yksinkertainen: korkeamman taajuuden suorakulmaisen signaalin toimintajaksoa ohjataan tulosignaalilla. Pulssin kytkentäaika on suhteessa tulosignaalin hetkelliseen amplitudiin.

Käynnistysajan ja sammutuksen aika taajuuden lisäksi on vakio. Siksi, kun tulosignaali puuttuu, syntyy symmetrinen neliöaaltosignaali.

Suhteellisen hyvän äänenlaadun saavuttamiseksi suorakulmaisen signaalin taajuuden on oltava kaksinkertainen tulosignaalin korkeimpaan taajuuteen nähden.

Tuloksena olevaa signaalia voidaan käyttää kaiuttimen virransyöttöön. Kuvio 4 esittää selkeän muunnoksen oskilloskooppijäljessä.

Yläkaavio näyttää lähtösignaalin suodatuksen jälkeisen ja mitatun kaiuttimen yli. Jäljellä olevan amplitudi PWM-signaali että siniaalto on päällekkäinen, on pieni.

Elektroniset kytkimet vahvistimina

Kuvassa 2 kuvataan PWM-vahvistimen vakiotoiminto lohkokaavion avulla.

Oletetaan, että kun tulo on oikosulussa, kytkin S_ettävirtaa kondensaattori C₇virralla I_kaksi. Tämä tapahtuu, kunnes saavutetaan sopiva yläraja-kytkentäjännite.

Sitten se yhdistää R: n₇laittaa kotiarestiin. Sen jälkeen C₇purkautuu S: n alarajakytkentäjännitteelle_että. Tämän seurauksena C₇ja R₇tuottaa neliöaallon, jonka taajuus on 50 kHz.

Kun AF-signaali lähetetään vahvistimen tuloon, lisävirta I₁lyhentää tai lisää latausaikaa suhteellisesti tai lisää tai lyhentää purkausaikaa.

Joten tulosignaali muuttaa neliöaaltosignaalin käyttökerrointa, joka näkyy kaiuttimen ulostulossa.

PWM-vahvistimen perustoiminnalle on kaksi lakia.

1. Ensimmäinen on kytkin S_bkontrolloidaan antifaasissa S: n kanssa_ettäsamalla kun pidetään toista kaiutinliitintä vaihtoehtona PWM-signaalin jännitteelle.

Tämä asetus tuottaa tuloksen kytkentäsillan tyyppisestä lähtötehosta. Sen jälkeen jokaisessa napaisuudessa kaiutin pakotetaan täydellä syöttöjännitteellä siten, että saavutetaan suurin virrankulutus.

2. Toiseksi tutkimme induktoreita L₁ja minä_kaksi. Induktoreiden tarkoituksena on integroida suorakulmainen signaali ja muuntaa ne sinimuotoisiksi, kuten aiemmin on esitetty laajuusjäljessä. Lisäksi ne toimivat myös 50 kHz: n suorakulmaisen signaalin harmonisten vaimentimien kanssa.

Korkea äänentoisto vaatimattomasta suunnittelusta

Yllä olevan kuvan kaaviosta voit helposti tunnistaa lohkokaaviossa käytetyt elektroniset komponentit.

Kourallinen osia, kuten vastus R1, kytkentäkondensaattorit C₁ja C₄, äänenvoimakkuuden säätö P₁ja opampin A ympärille perustuva vahvistin₁tekee esijännitystyön kondensaattorimikrofonille (tai sähköstaattiselle).

Tämä koko toiminto luo PWM-vahvistimen tulosegmentin. Kuten aiemmin keskusteltiin, kytkimet S_ettäja S_brakennetaan elektronisilla kytkimillä ES₁ES: lle₄ja transistoriparit T₁-T₃ja T_kaksi-T₄.

PWM-generaattorin rakentavien elektronisten komponenttien osamerkinnät liittyvät lohkokaaviossa kuvattuihin.

Todennäköisesti PWM-vahvistin on epätavallisen tehokas, koska lähtötransistoreita ei lämmitetä edes pakotettuna all-drive-tilassa. Lyhyesti sanottuna teholähtövaiheessa on käytännössä nolla hajoamista.

Tärkein tekijä, joka sinun on otettava huomioon ennen induktoreiden L valitsemista₁ja minä_kaksion, että heidän on kyettävä kanavoimaan 3 A tulematta kylläiseksi.

Varsinainen induktanssiarvio on vasta toinen. Esimerkiksi tässä projektissa käytetyt induktorit saatiin valon himmentimestä.

Diodien tarkoitus D₃D: lle₆on sisällettävä induktorien tuottama taka-EMF kohtuullisen turvalliseen arvoon.

Lisäksi opampin A ei-invertoiva tulo₁muodostaa D₁, C₃, D_kaksija R₃. Tämä tehokkaasti suodatettu tulojännite on yhtä suuri kuin puolet syöttöjännitteestä.

Perinteistä opamp-vahvistinta käytettäessä jännitteen vahvistus määritetään negatiivisella takaisinkytkentäsilmukalla. R₄ja R₅asettaa vahvistukseksi 83 varmistaakseen riittävän mikrofonin herkkyyden.

Jos käytät korkean impedanssin signaalilähteitä, R₄voidaan vahvistaa tarpeen mukaan.

L₁ja minä_kaksiaiheuttaa vaihesiirron ja siksi takaisinkytkentä on mahdollista neliöaaltosignaalin avulla T-kollektorissa₁verrattuna sinimuotoiseen kaiuttimen signaaliin.

Yhdistettynä C: hen₅Opamp tarjoaa PWM-palautesignaalin merkittävän integraation.

Palautejärjestelmä vähentää vahvistimen vääristymiä, mutta ei niin laajasti, että saatat käyttää sitä muuhun sovellukseen julkisen osoitteen lisäksi.

Normaalisti vaaditaan huomattavasti suurempi syöttöjännite ja monimutkainen piirisuunnittelu D-luokan vahvistimelle, jolla on pieni vääristymä.

Tämän asennuksen toteuttaminen heikentäisi piirin kokonaistehokkuutta. Kiinnitä huomiota, kun valitset vahvistimen elektroniset kytkimet, koska HCMOS-tyypit ovat sopivia.

Tyypillinen CMOS Type 4066 on erittäin hidas ja sopimaton laukaisemaan “oikosulun” T: n yli₁-T₃ja T_kaksi-T₄. Paitsi että, on myös lisääntynyt riski ylikuormittaa tai jopa vahingoittaa vahvistinta pysyvästi.

PWM-vahvistin megafonisovellukselle

Elektroniset harrastajat haluavat mieluummin käyttää D-luokan vahvistinta torvityyppisen kaiuttimen virranlähteeksi, koska se voi tuottaa kovimman äänen valitulle tehotasolle.

Vahvistinmalli rakennettiin helposti käyttämällä 6 V: n akkua ja painekammion kaiutinta.

Nykyinen 4 W: n lähtöteho oli mitattavissa megafonissa, jolla oli kunnollinen äänialue.

Neljä 1,5 V: n kuivaparistoa tai alkali-monosolua kytkettiin sarjaan megafonin syöttöjännitteeksi. Jos haluat käyttää tätä asetusta usein, valitse ladattava NiCd- tai geelityyppinen (Dryfit) akku.

Koska megafonin suurin virrankulutus on 0,7 A, tavallinen alkali sopii tukemaan toimintaa 24 tunnin ajan täydellä lähtöteholla.

Jos aiot käyttää ei-jatkuvaa käyttöä, kuivan kennosarjan valitseminen on enemmän kuin tarpeeksi.

Muista, että mitä virtalähdettä tahansa käytät, se ei saa koskaan ylittää yli 7 V.

Syynä on HCMOS-kytkimet IC: ssä₁eivät toimisi kunnolla tällä jännitetasolla tai enemmän.

Onneksi vahvistimen suurin syöttöjännitteen kynnys on yli 11 V.

Edellä selitetyn PWM-luokan D-vahvistimen piirilevysuunnittelu on annettu alla:

Toinen hyvä PWM-vahvistin

Hyvin suunniteltu PWM-vahvistin käsittää symmetrisen suorakulmaisen aaltogeneraattorin.

Tämän suorakulmaisen aallon toimintajakso moduloidaan audiosignaalilla.

Lineaarisen toiminnan sijaan lähtötransistorit toimivat kytkiminä, joten ne ovat joko kokonaan päällä tai pois päältä. Lepotilassa aaltomuodon toimintajakso on 50%.

Tämä tarkoittaa, että jokainen lähtötransistori on täysin kyllästetty tai tunnetaan myös johtavana, saman keston ajan. Tämän seurauksena keskimääräinen lähtöjännite on nolla.

Tämä tarkoittaa, että jos yksi kytkimistä pysyy suljettuna hieman kauemmin kuin toinen, keskimääräinen lähtöjännite on joko negatiivinen tai positiivinen tulosignaalin napaisuudesta riippuen.

Siksi voimme havaita, että keskimääräinen lähtöjännite on suhteellinen tulosignaaliin. Tämä johtuu siitä, että lähtötransistorit toimivat kokonaan kytkiminä, joten lähtövaiheessa on valtavan pieni tehohäviö.

Muotoilu

Kuvio 1 kuvaa D-luokan PWM-vahvistimen koko kaavakuvan. Voimme nähdä, että PWM-vahvistimen ei tarvitse olla liian monimutkainen.

Tulosignaali syötetään op-amp IC1: lle, joka toimii vertailijana. Tämä asennus johtaa muutaman Schmitt-liipaisimen, jotka on kytketty rinnakkain piirin kanssa.

He ovat siellä kahdesta syystä. Ensinnäkin on oltava neliön muotoinen aaltomuoto ja toiseksi lähtötasolle vaaditaan riittävä perusajovirta. Tässä vaiheessa on asennettuna kaksi yksinkertaista mutta nopeaa transistoria (BD137 / 138).

Koko vahvistin värähtelee ja muodostaa neliöaallon. Syynä on, että yksi vertailijan tulo (IC1) liitetään lähtöön RC-verkon kautta.

Lisäksi IC1: n molemmat tulot on esijännitetty syöttöjännitteen ensimmäiselle puoliskolle käyttämällä jännitteenjakajaa R3 / R4.

Joka kerta, kun IC1: n lähtö on matala ja T1 / T2: n emitterit ovat korkeat, kondensaattorin C3 lataus tapahtuu vastuksen R7 kautta. Samanaikaisesti jännite nousee ei-invertoivassa tulossa.

Kun tämä kiihtyvä jännite ylittää invertoivan putken tason, IC1: n ulospäin vaihdetaan matalasta korkeaan.

Tuloksena T1 / T2: n lähettäjät muuttuvat korkealta matalalle. Tämä ehto sallii C3: n purkautumisen R7: n kautta ja plusjännitteen jännite putoaa alle tulon jännitteen.

IC1: n lähtö palautuu myös matalaan tilaan. Lopulta neliöaaltolähtö tuotetaan taajuudella, jonka R7 ja C3 päättävät. Annetut arvot tuottavat värähtelyn taajuudella 700 kHz.

Käyttämällä oskillaattori , voimme moduloida taajuutta. Käänteisen sisääntulon IC1-taso, jota yleensä käytetään viitteenä, ei pysy vakiona, vaan sen päättää audiosignaali.

Lisäksi amplitudi määrittää tarkan pisteen, jossa vertailijan lähtö alkaa muuttua. Näin ollen neliöaaltojen 'paksuutta' moduloi säännöllisesti audiosignaali.

Varmistaaksesi, että vahvistin ei toimi 700 kHz: n lähettimenä, on suodatettava sen lähdössä. LC / RC-verkko, joka käsittää L1 / C6 ja C7 / R6, tekee hyvää työtä a suodattaa .

Tekniset tiedot

• Varustettu 8 ohmin kuormalla ja 12 V: n syöttöjännitteellä, vahvistin tuotti 1,6 W.
• Kun käytetään 4 ohmia, teho nousi 3 W: iin. Tällaista pientä hajautettua lämpöä varten lähtötransistorien jäähdyttämistä ei tarvita.
• On osoitettu, että harmoninen vääristymä on epätavallisen pieni tällaiselle yksinkertaiselle piirille.
• Harmonisen kokonaissärön taso oli alle 0,32% mitatulta alueelta 20 Hz - 20000 Hz.

Alla olevassa kuvassa näkyy piirilevy ja vahvistimen osien asettelu. Tämän piirin rakentamisen aika ja kustannukset ovat hyvin pienet, joten se tarjoaa erinomaiset mahdollisuudet kaikille, jotka haluavat ymmärtää paremmin PWM: n.

Osaluettelo

Vastukset:
R1 - 22k
R2, R7 - 1 M
R3, R4 - 2,2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohmia
P1 = 100k logaritminen potentiometri
Kondensaattori;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Puolijohteet:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Muut:
L1 = 39μH induktori

Yksinkertainen 3-transistorinen D-luokan vahvistinpiiri

PWM-vahvistimen erinomainen hyötysuhde on sellainen, että 3 W: n teho voidaan tuottaa BC107: llä, jota käytetään lähtötransistorina. Vielä parempi, se ei vaadi jäähdytyselementtiä.

Vahvistin käsittää jänniteohjatun pulssinleveysoskillaattorin, joka toimii noin 6 kHz: n taajuudella ja toteuttaa D-luokan lähtöastetta.

On vain kaksi skenaariota - täysi päälle tai pois päältä. Tästä johtuen hajaantuminen on uskomattoman pieni ja johtaa siten korkeaan hyötysuhteeseen. Lähdön aaltomuoto ei näytä tulolta.

Lähtö- ja tuloaaltomuotojen integraali ovat kuitenkin verrannollisia toisiinsa nähden ajan suhteen.

Esitetty komponenttiarvotaulukko osoittaa, että mikä tahansa vahvistin, jonka lähdöt ovat välillä 3 W - 100 W, voidaan valmistaa. Ottaen huomioon, että voidaan saavuttaa vahvempia tehoja 1 kW asti.

Haittana on, että se aiheuttaa noin 30% vääristymiä. Tämän seurauksena vahvistinta voidaan käyttää vain äänen vahvistamiseen. Se sopii kuulutusjärjestelmiin, koska puhe on uskomattoman ymmärrettävää.

Digitaalinen op-vahvistin

Seuraava konsepti osoittaa, kuinka käytetään perusasetuksen palautuskiikettä IC 4013, jota voidaan käyttää analogisen audiosignaalin muuntamiseen vastaavaksi PWM-signaaliksi, joka voidaan edelleen syöttää MOSFET-vaiheelle haluttua PWM-vahvistusta varten.

Voit käyttää puolta 4013-paketista vahvistimena, jos digitaalilähtö on toimintajaksolla, joka on verrannollinen haluttuun lähtöjännitteeseen. Aina kun tarvitset analogista lähtöä, yksinkertainen suodatin tekisi työn.

Sinun on noudatettava kellopulsseja määritetyllä tavalla, ja niiden on oltava taajuudeltaan huomattavasti suurempia kuin haluttu kaistanleveys. Vahvistus on R1 / R2, kun taas ajan R1R2C / (R1 + R2) on oltava pidempi kuin kellopulssien jakso.

Sovellukset

Piiriä voidaan käyttää monella tapaa. Jotkut ovat:

1. Hanki pulsseja verkon nollapisteestä ja pakota triac lähtöön. Tämän seurauksena sinulla on nyt relaatiotehon hallinta ilman RFI: tä.
2. Kytke kuljettajan transistorit lähdöllä nopean kellon avulla. Tuloksena on erittäin tehokas PWM-äänivahvistin.

30 watin PWM-vahvistin

30 W Class-D -vahvistimen kytkentäkaavio näkyy seuraavassa pdf-tiedostossa.

Operatiivinen vahvistin IC1 vahvistaa sisääntulevan audiosignaalin vaihtelevalla äänenvoimakkuudella ohjatulla potentiometrillä VR1. PWM-signaali (pulssinleveyden modulaatio) generoidaan vertaamalla audiosignaalia 100 kHz: n kolmion asteikolla. Tämä saavutetaan vertailijan 1C6 kautta. Vastusta RI3 käytetään antamaan positiivista palautetta, ja C6 otetaan tosiasiallisesti käyttöön vertailijan toiminta-ajan parantamiseksi.

Vertailulähtö vaihtaa ± 7,5 V: n jännitteen ääripäiden välillä. Vetovastus R12 tarjoaa + 7,5 V, kun taas -7,5 V syöttää op-vahvistimen IC6: n sisäinen avoin emitteritransistori nastassa 1. Aikana, jolloin tämä signaali siirtyy positiiviselle tasolle, transistori TR1 toimii kuin nykyinen upotusliitin. Tämä nykyinen nielu aiheuttaa jännitehäviön kasvun vastuksen R16 yli, josta tulee juuri tarpeeksi MOSFET TR3: n kytkemiseksi päälle.

Kun signaali vaihtuu negatiiviseen ääripäähän. TR2 muuttuu virtalähteeksi, joka johtaa jännitteen pudotukseen R17: n poikki. Tästä pudotuksesta tulee vain riittävä TR4: n kytkemiseksi päälle. Pohjimmiltaan MOSFETit TR3 ja TR4 laukaistaan ​​vuorotellen, jolloin syntyy PWM-signaali, joka vaihtaa välillä +/- 15 V.

Tässä vaiheessa on välttämätöntä tuoda tämä muunnettu PWM-signaali takaisin tai muuntaa se hyväksi äänentoistoksi, joka voi olla vahvistettu vastine tulosignaalille.

Tämä saavutetaan luomalla keskimääräinen PWM-työjakso kolmannen kertaluvun Butterworhin alipäästösuodattimen läpi, jonka rajataajuus (25 kHz) on huomattavasti alle kolmion perustaajuuden.

Tämä toiminta johtaa valtavaan vaimennukseen 100 kHz: n taajuudella. Saatu lopullinen ulostulo tanspiroidaan audiolähdöksi, joka on vahvistettu tulosignaalin replikointi.

Kolmion aaltogeneraattori piirikokoonpanojen 1C2 ja 1C5 kautta, missä IC2 toimii kuin neliöaaltogeneraattori, jonka positiivinen palaute syötetään R7: n ja R11: n kautta. Diodit DI - D5 toimivat kuin kaksisuuntainen puristin. Tämä kiinnittää jännitteen noin +/- 6 V: iin.

Valmiiksi määritetyn VR2: n, kondensaattorin C5 ja IC5 avulla luodaan täydellinen integraattori, joka muuntaa neliöaallon kolmioaalloksi. Esiasetettu VR2 tarjoaa taajuuskorjauksen ominaisuuden.

1C5-lähtö (nasta 6) antaa palautetta 1C2: lle, ja vastus R14 ja esiasetettu VR3 toimivat joustavana vaimennimena, joka sallii kolmion aallon tason säätämisen tarpeen mukaan.

Täyden piirin suorittamisen jälkeen VR2 ja VR3 on hienosäädettävä korkealaatuisen äänilähdön mahdollistamiseksi. Sarjaa tavallisia 741 op ampeeria 1C4: lle ja IC3: lle voidaan käyttää yhtenäisyyden vahvistuspuskureina syöttämään +/- 7,5 V tehoa.

Kondensaattoreita C3, C4, C11 ja C12 käytetään suodatukseen, kun taas loput kondensaattorit käytetään virran irrottamiseen.

Piiri voi toimia kahdella +/- 15 V DC -virtalähteellä, joka pystyy ajamaan 30 W: n 8 ohmin kaiuttimen LC-vaiheen läpi kondensaattorilla C13 ja induktorilla L2. Huomaa, että vaatimattomat jäähdytyselementit saattavat olla tarpeen MOSFET TR3- ja TR4-malleille.