350 watin itse värähtelevä D -luokan vahvistin: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Johdanto ja miksi tein tästä opettavaisen:

Internetissä on lukuisia opetusohjelmia, jotka osoittavat ihmisille, kuinka rakentaa omat D -luokan vahvistimet. Ne ovat tehokkaita, yksinkertaisia ymmärtää ja käyttävät samaa yleistä topologiaa. Piirin yksi osa tuottaa korkeataajuisen kolmion aallon, ja sitä verrataan audiosignaaliin lähtökytkimien (lähes aina MOSFET-laitteiden) kytkemiseksi päälle ja pois. Suurimmalla osalla näistä "DIY -luokan D" malleista ei ole palautetta, ja ne, jotka kuulostavat puhtaalta bassoalueelta. Ne tuottavat jonkin verran hyväksyttäviä subwoofer -vahvistimia, mutta niillä on huomattavia vääristymiä diskanttialueilla. Niillä, joilla ei ole palautetta, MOSFET-kytkentään tarvittavan kuolleen ajan vuoksi, on lähtöaaltomuoto, joka näyttää eräänlaiselta kolmioaallolta, toisin kuin siniaalto. Merkittäviä ei -toivottuja yliaaltoja on läsnä, mikä johtaa huomattavaan äänenlaadun heikkenemiseen, mikä saa musiikin kuulostamaan siltä kuin se tulisi trumpetista. Edellisen D-luokan vahvistimeni hieman trumpettinen, ei kovin iskevä ääni, miksi päätin tutkia ja rakentaa vahvistimen käyttämällä tätä hämärää, alikäytettyä topologiaa.

Klassinen "kolmioaaltovertailija" ei kuitenkaan ole ainoa tapa rakentaa D -luokan vahvistin. On parempi tapa. Sen sijaan, että oskillaattori moduloisi signaalia, miksi et tekisi koko vahvistimesta oskillaattoria? Lähtö MOSFET: itä ohjaa (sopivan käyttöpiirin kautta) vertailijan lähtö, jonka positiivinen tulo vastaanottaa tulevan äänen ja negatiivinen tulo vastaanottaa (pienennetty) version vahvistimen lähtöjännitteestä. Vertailijassa käytetään hystereesiä toimintataajuuden säätämiseksi ja epävakaiden, suurtaajuisten resonanssitilojen estämiseksi. Lisäksi ulostulossa käytetään RC -snubber -verkkoa, joka estää soiton lähtösuodattimen resonanssitaajuudella ja vähentää vaihesiirtoa lähes 90 asteeseen vahvistimen toimintataajuudella noin 100 Khz. Tämän yksinkertaisen mutta kriittisen suodattimen laiminlyönti aiheuttaa vahvistimen tuhoutumisen itsestään, koska voi syntyä useita satoja voltteja jännitteitä ja tuhota suodatinkondensaattorit välittömästi.

Toimintaperiaate:

Oletetaan, että vahvistin käynnistetään ensin ja kaikki jännitteet ovat nollassa. Hystereesin vuoksi vertailija päättää vetää tuotoksen joko positiiviseksi tai negatiiviseksi. Tässä esimerkissä oletamme, että vertailija vetää tuotoksen negatiiviseksi. Muutaman kymmenen mikrosekunnin sisällä vahvistimen lähtöjännite on pienentynyt tarpeeksi kääntämään vertailulaitteen ja lähettämään jännitteen nousevan takaisin, ja tämä sykli toistuu noin 60-100 tuhatta kertaa sekunnissa pitäen halutun jännitteen ulostulossa. Suodattimen induktorin suuren impedanssin ja suodattimen kondensaattorin pienen impedanssin vuoksi tällä taajuudella lähdössä ei ole paljon kohinaa, ja korkean toimintataajuuden vuoksi se on kaukana kuuluvasta alueesta. Jos tulojännite kasvaa, lähtöjännite kasvaa niin paljon, että takaisinkytkentäjännite saavuttaa lähtöjännitteen. Tällä tavalla saavutetaan vahvistus.

Edut standardiluokkaan D verrattuna:

1. Erittäin pieni lähtöimpedanssi: Koska lähtö -MOSFETit eivät kytkeydy takaisin ennen kuin haluttu lähtöjännite suodattimen saavuttamisen jälkeen, lähdön impedanssi on käytännössä nolla. Vaikka todellisen ja halutun lähtöjännitteen välillä olisi 0,1 voltin ero, piiri tyhjentää vahvistimet ulostuloon, kunnes jännite kääntää vertailijan takaisin (tai jotain puhaltaa).

2. Kyky ohjata reaktiivisia kuormia puhtaasti: Äärimmäisen pienen lähtöimpedanssin ansiosta itsestään värähtelevä luokka D voi ajaa monisuuntaisia kaiutinjärjestelmiä, joissa on suuret impedanssipudotukset ja piikit, joilla on hyvin vähän harmonisia vääristymiä. Siirretyt subwoofer-järjestelmät, joilla on alhainen impedanssi portin resonanssitaajuudella, ovat loistava esimerkki kaiuttimesta, jonka takaisinkytkennätön "kolmioaaltojen vertailuvahvistin" vaikeuttaisi ajaa hyvin.

3. Laaja taajuusvaste: Kun taajuus kasvaa, vahvistin yrittää kompensoida vaihtamalla käyttöjaksoa enemmän pitääkseen takaisinkytkentäjännitteen sovitettuna tulojännitteeseen. Suodattimen korkeiden taajuuksien vaimennuksen vuoksi korkeat taajuudet alkavat leikata alemmalla jännitetasolla kuin alemmat, mutta koska musiikilla on huomattavasti enemmän sähköä bassoa kuin diskanttia (noin 1/f -jakauma, enemmän, jos Käytä basson korostusta), tämä ei ole ongelma.

4. Vakaus: Jos oikein suunniteltu ja tukiverkko on paikallaan, lähtösuodattimen lähes 90 ° vaihemarginaali käyttötaajuudella varmistaa, että vahvistin ei muutu epävakaaksi, vaikka ajaisi raskaita kuormia raskaan leikkauksen aikana. Puhallet jotain, todennäköisesti kaiuttimet tai sub -laitteet, ennen kuin vahvistin menee epävakaaksi.

5. Tehokkuus ja pieni koko: Vahvistimen itsesäätyvästä luonteesta johtuen MOSFET-kytkentäaaltomuotojen lisääminen kuolleeseen aikaan ei vaikuta äänenlaatuun. Laadukkaalla induktorilla ja MOSFET-laitteilla on mahdollista saavuttaa jopa 90%: n täyden kuormituksen tehokkuus (käytän vahvistimessani IRFB4115: tä). Tämän seurauksena suhteellisen pieni jäähdytyselementti FET -laitteissa on riittävä ja tuuletinta tarvitaan vain, jos se toimii eristetyn kotelon sisällä suurella teholla.

Vaihe 1: Osat, tarvikkeet ja edellytykset

Edellytykset:

Minkä tahansa suuritehoisen piirin rakentaminen, erityisesti sellaisen, joka on suunniteltu toistamaan ääntä puhtaasti, vaatii elektroniikan peruskonseptien tuntemusta. Sinun on tiedettävä, miten kondensaattorit, induktorit, vastukset, MOSFETit ja op-vahvistimet toimivat, sekä kuinka suunnitella tehonkäsittelypiirilevy oikein. Sinun on myös tiedettävä, kuinka juottaa reikäkomponentit ja kuinka käyttää stripboardia (tai rakentaa piirilevyä). Tämä opetusohjelma on suunnattu ihmisille, jotka ovat rakentaneet kohtalaisen monimutkaisia piirejä aiemmin. Laaja analogista tietämystä ei tarvita, koska suurin osa minkä tahansa luokan D vahvistimen alipiireistä käsittelee vain kahta jännitetasoa - päällä tai pois päältä.

Sinun on myös tiedettävä, kuinka käyttää oskilloskooppia (vain perustoiminnot) ja kuinka korjata piirejä, jotka eivät toimi tarkoitetulla tavalla. On hyvin todennäköistä, että näin monimutkaisella piirillä sinulla on alipiiri, joka ei toimi ensimmäisellä kerralla, kun rakennat sen. Etsi ja korjaa ongelma ennen kuin siirryt seuraavaan vaiheeseen, yhden alipiirin virheenkorjaus on paljon helpompaa kuin yrittää löytää vika jostain koko kortista. Oskilloskoopin käyttö on tarpeen tahattoman värähtelyn löytämiseksi ja sen varmistamiseksi, että signaalit näyttävät siltä, miltä niiden pitäisi näyttää.

Yleisiä vinkkejä:

Kaikissa D -luokan vahvistimissa on korkeat jännitteet ja virrat, jotka kytkeytyvät korkeille taajuuksille, mikä voi tuottaa paljon melua. Sinulla on myös pienitehoisia äänipiirejä, jotka ovat herkkiä melulle ja poimivat ja vahvistavat sitä. Tulovaiheen ja tehovaiheen tulee olla levyn vastakkaisissa päissä.

Hyvä maadoitus, etenkin tehovaiheessa, on myös välttämätön. Varmista, että maadoitusjohdot kulkevat suoraan negatiivisesta liittimestä jokaiseen portin ohjaimeen ja vertailijaan. On vaikea saada liikaa maajohtoja. Jos teet tämän piirilevyllä, käytä maadoitusta.

Tarvittavat osat:

(Lähetä minulle viesti, jos olen missannut jotain, olen varma, että tämä on täydellinen luettelo)

(Kaikki merkitty HV on mitoitettava vähintään korotetulle jännitteelle kaiuttimen käyttämiseksi, mieluiten enemmän)

(Monet näistä voidaan pelastaa elektroniikasta ja roskakoriin heitetyistä laitteista, erityisesti kondensaattoreista)

• 24 voltin virtalähde, joka pystyy tuottamaan 375 wattia (käytin litiumakkua, jos käytin paristoa, varmista, että sinulla on LVC (matalajännitteen katkaisu))
• Tehovahvistin, joka pystyy tuottamaan 350 wattia 65 voltin jännitteellä. (Hae "Yeeco -tehomuunnin 900 wattia" Amazonista ja löydät käyttämäni.)
• "Perf board" tai proto-board rakentaa kaiken. Suosittelen, että sinulla on vähintään 15 neliötuumaa tämän projektin kanssa, 18, jos haluat rakentaa syöttökortin samaan levyyn.
• Jäähdytyselementti MOSFET -laitteiden kiinnittämiseen
• 220uf kondensaattori
• 2x 470uf kondensaattori, yksi on mitoitettava tulojännitteelle (ei HV)
• 2x 470nf kondensaattori
• 1x 1nf kondensaattori
• 12x 100nf keraaminen kondensaattori (tai voit käyttää poly)
• 2x 100nf polykondensaattori [HV]
• 1x 1uf poly kondensaattori [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolyyttikondensaattori [HV]
• 2x 1n4003 -diodi (mikä tahansa diodi, joka kestää 2*HV tai enemmän, on hyvä)
• 1x 10 ampeerin sulake (tai lyhyt pala 30AWG -johdinta riviliittimen poikki)
• 2x 2,5 mh induktori (tai kelaa oma)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Täytyy olla AITO!]
• Erilaisia vastuksia, saat ne pois eBaysta tai Amazonista muutamalla dollarilla
• 4x 2k trimmeripotentiometriä
• 2x KIA4558 Op -vahvistin (tai vastaava audio -vahvistin)
• 3x LM311 vertailua
• 1x 7808 jännitesäädin
• 1x "Lm2596" buck -muunninkortti, löydät ne eBayssa tai Amazonissa muutaman taalaa
• 2x NCP5181 -portin ohjaimen IC (saatat räjäyttää jotkut, saada enemmän) [Täytyy olla AITO!]
• 3-nastainen liitin tulokorttiin liittämistä varten (tai enemmän nastoja mekaanisen jäykkyyden takaamiseksi)
• Johdot tai riviliittimet kaiuttimille, teholle jne
• 18AWG virtajohto (tehovaiheen johdotukseen)
• 22 AWG-liitäntäjohto (kaiken muun johdotukseen)
• 200 ohmin pienitehoinen äänimuuntaja tulovaiheelle
• Pieni 12 V/200 mA (tai vähemmän) tietokoneen tuuletin vahvistimen jäähdyttämiseksi (valinnainen)

Työkalut ja tarvikkeet:

• Oskilloskooppi, jonka resoluutio on vähintään 2US/div 1x ja 10x anturilla (voit käyttää 50k ja 5k vastusta oman 10x anturin tekemiseen)
• Yleismittari, joka voi tehdä jännitteen, virran ja vastuksen
• Juotos- ja juotosraudat (käytän Kester 63/37, HYVÄ LAATU lyijytön toimii myös, jos sinulla on kokemusta)
• Juotos imuri, sydän jne. TEET virheitä näin suuressa piirissä, varsinkin juotettaessa induktoria, se on kipua.
• Langanleikkurit ja -kuorijat
• Jotain, joka voi tuottaa muutaman HZ: n neliöaallon, kuten leipälauta ja 555 -ajastin

Vaihe 2: Opi itse värähtelevän D-luokan toimintaa (valinnainen mutta suositeltava)

Ennen kuin aloitat, on hyvä tietää, miten piiri todella toimii. Se auttaa suuresti kaikissa mahdollisissa ongelmissa ja auttaa sinua ymmärtämään, mitä koko kaavion osa tekee.

Ensimmäinen kuva on LTSpicen tuottama kaavio, joka näyttää vahvistimen reaktion hetkelliseen tulojännitteen muutokseen. Kuten kaaviosta näet, vihreä viiva yrittää seurata sinistä viivaa. Heti kun tulo muuttuu, vihreä viiva nousee niin nopeasti kuin mahdollista ja asettuu minimaaliseen ylitykseen. Punainen viiva on suodatinta edeltävän lähtöportaan jännite. Muutoksen jälkeen vahvistin asettuu nopeasti ja alkaa värähtää jälleen asetusarvon ympäri.

Toinen kuva on peruspiirikaavio. Äänituloa verrataan takaisinkytkentäsignaaliin, joka tuottaa signaalin lähtöportaan ohjaamiseksi tuomaan lähdön lähemmäksi tuloa. Vertailijan hystereesi saa piirin värähtelemään halutun jännitteen ympärillä taajuudella, joka on liian korkea korville tai kaiuttimille.

Jos sinulla on LTSpice, voit ladata ja pelata.asc -kaaviotiedoston kanssa. Kokeile vaihtaa r2 muuttaaksesi taajuutta ja katsoaksesi piirin hulluksi, kun poistat liiallisen värähtelyn vaimentavan snubberin LC -suodattimen resonanssipisteen ympäriltä.

Vaikka sinulla ei olisi LTSpiceä, kuvien tutkiminen antaa sinulle hyvän käsityksen siitä, miten kaikki toimii. Mennään nyt rakentamiseen.

Vaihe 3: Rakenna virtalähde

Ennen kuin aloitat juottamisen, tutustu kaavioon ja esimerkkiasetteluun. Kaavio on SVG (vektorigrafiikka), joten kun olet ladannut sen, voit zoomata niin paljon kuin haluat menettämättä tarkkuutta. Päätä, minne aiot sijoittaa kaiken taululle, ja rakenna sitten virtalähde. Kytke akun jännite ja maadoitus ja varmista, ettei mikään kuumene. Säädä "lm2596" -kortti 12 voltin ulostulolle yleismittarilla ja tarkista, että 7808 -säädin antaa 8 volttia.

Siinä se virtalähteelle.

Vaihe 4: Luo lähtövaihe ja portin ohjain

Koko rakennusprosessista tämä on kaikista vaikein vaihe. Rakenna kaikki "Gate driver circuit" ja "Power stage" kaavioon, varmista, että FET: t on kiinnitetty jäähdytyselementtiin.

Kaaviossa näet johdot, jotka eivät näytä menevän mihinkään ja sanovat "vDrv". Näitä kutsutaan skemaattisessa tarrassa ja kaikki tarrat, joissa on sama teksti, yhdistetään toisiinsa. Liitä kaikki "vDrv" -merkityt johdot 12 voltin säätökortin ulostuloon.

Kun olet suorittanut tämän vaiheen, kytke virtapiiri virranrajoituksella (voit käyttää vastusta sarjaan virtalähteen kanssa) ja varmista, ettei mikään kuumene. Kokeile kytkeä jokainen tulosignaali portin ohjaimeen 8 volttiin virtalähteestä (yksi kerrallaan) ja tarkista, että oikeita portteja käytetään. Kun olet varmistanut, että tiedät, että porttikäyttö toimii.

Koska hilakäyttö käyttää käynnistyshihnapiiriä, et voi testata lähtöä suoraan mittaamalla lähtöjännitettä. Aseta yleismittari dioditarkistukseen ja tarkista jokaisen kaiutinliittimen ja jokaisen virtaliittimen välillä.

1. Positiivinen kaiuttimelle 1
2. Positiivinen kaiuttimelle 2
3. Negatiivinen kaiuttimelle 1
4. Negatiivinen kaiuttimelle 2

Kunkin tulisi näyttää osittainen johtavuus vain yhdellä tavalla, aivan kuten diodi.

Jos kaikki toimii, onnittelut, olet juuri suorittanut hallituksen vaikeimman osan. Muistatko oikean maadoituksen?

Vaihe 5: Rakenna MOSFET Gate Drive -signaaligeneraattori

Kun olet lopettanut portin ohjaimen ja tehovaiheen, olet valmis rakentamaan piirin osan, joka tuottaa signaaleja, jotka kertovat portin ohjaimille, mitkä FET -laitteet on kytkettävä päälle milloin tahansa.

Rakenna kaikki kaavion "MOSFET -ohjaimen signaaligeneraattori, jossa on kuollut aika", varmista, että et unohda pieniä kondensaattoreita. Jos jätät ne pois, piiri testaa edelleen hyvin, mutta ei toimi hyvin, kun yrität ajaa kaiutinta, koska vertailijat loistavasti värähtelevät.

Testaa sitten piiri syöttämällä muutaman hertsin neliöaalto signaaligeneraattorisi tai 555 -ajastinpiirin "MOSFET -ohjaimen signaaligeneraattoriin, jossa on kuollut aika". Kytke akun jännite "HV -sisään" virranrajoitusvastuksen kautta.

Liitä oskilloskooppi kaiuttimien lähtöihin. Sinun pitäisi saada akun jännitteen vaihtamisnapaisuus muutaman kerran sekunnissa. Mikään ei saa lämmetä ja ulostulon tulee olla mukava, terävä neliöaalto. Pieni ylitys on hyvä, kunhan se on enintään 1/3 akun jännitteestä.

Jos lähtö tuottaa puhtaan neliöaallon, se tarkoittaa, että kaikki tähän mennessä rakentamasi toimii. Vain yksi alipiiri jäljellä valmistumiseen.

Vaihe 6: Vertailija, differentiaalivahvistin ja totuuden hetki

Olet nyt valmis rakentamaan sen piirin osan, joka todella tekee luokan D modulaation.

Rakenna kaikki kaavion "Comparator with hysteresis" ja "Differentiaalivahvistin palautetta varten" sekä kaksi 5k vastusta, jotka pitävät piirin vakaana, kun tuloon ei ole kytketty mitään.

Kytke virta virtapiiriin (mutta ei vielä HV -tuloon) ja tarkista, että U6: n nastat 2 ja 3 ovat todella lähellä puolta Vregistä (4 volttia).

Jos molemmat arvot ovat oikein, liitä subwoofer lähtöliitäntöihin. kytke virta ja HV akun jännitteeseen virranrajoitusvastuksen kautta (voit käyttää vastuksena 4 ohmin tai suurempaa subwooferia). Kuulet pienen popin, eikä subwoofer saa liikkua suuntaan tai toiseen enempää kuin millimetrin. Tarkista oskilloskoopilla, että NCP5181 -porttiohjaimiin tulevat ja sieltä tulevat signaalit ovat puhtaita ja kullakin noin 40%: n käyttöjakso. Jos näin ei ole, säädä kaksi muuttuvaa vastusta, kunnes ne ovat. Portin käyttöaaltojen taajuus on alhaisempi kuin haluttu 70-110 KHZ, koska HV ei ole kytketty jännitteenvahvistimeen.

Jos porttikäytön signaalit eivät värise lainkaan, kokeile vaihtaa SPK1 ja SPK2 differentiaalivahvistimeen. Jos se ei edelleenkään toimi, käytä oskilloskooppia vian jäljittämiseen. Se on melkein varmasti vertailu- tai differentiaalivahvistinpiirissä.

Kun piiri toimii, jätä kaiutin kytketyksi ja lisää jännitteenlisäysmoduuli lisätäksesi HV: n jännitettä noin 65-70 volttiin (muista sulake). Käynnistä piiri ja varmista, että mikään ei kuumene aluksi, erityisesti MOSFETit ja induktori. Jatka lämpötilojen seurantaa noin 5 minuutin ajan. On normaalia, että induktori lämpenee, kunhan se ei ole liian kuuma koskettamaan jatkuvasti. MOSFETS -laitteiden tulisi olla vain hieman lämpimiä.

Tarkista portin käyttöaaltojen taajuus ja toimintajakso uudelleen. Säädä 40%: n käyttöjakso ja varmista, että taajuus on 70-110 Khz. Jos näin ei ole, säädä kaaviota R10 taajuuden korjaamiseksi. Jos taajuus on oikea, olet valmis aloittamaan äänen toistamisen vahvistimella.

Vaihe 7: Äänitulo ja lopullinen testaus

Nyt kun vahvistin itsessään toimii tyydyttävästi, on aika rakentaa tulovaihe. Rakenna piiri toiselle piirilevylle (tai samaan, jos sinulla on tilaa) tämän vaiheen kaavion mukaisesti (sinun on ladattava se) ja varmista, että se on suojattu maadoitetulla metallikappaleella, jos se on lähellä melua osat. Liitä virta ja maadoitus virtapiiriin vahvistimesta, mutta älä kytke äänisignaalia vielä. Tarkista, että äänisignaali on noin 4 volttia ja muuttuu hieman, kun käännät potentiometriä "DC -offsetin säätö". Säädä potentiometri 4 voltille ja juota äänitulojohto muuhun piiriin.

Vaikka kaaviossa näkyy kuulokeliitännän käyttäminen tulona, voit myös lisätä Bluetooth -sovittimen, jonka lähtö on kytketty ääniliittimen sijaintiin. Bluetooth -sovitin saa virtansa 7805 -säätimestä. (Minulla oli 7806 ja pudotin diodilla vielä 0,7 volttia).

Käynnistä vahvistin uudelleen ja kytke kaapeli tulokortin AUX -liittimeen. Siellä on todennäköisesti heikkoa staattisuutta.

Jos staattinen ääni on liian kova, voit kokeilla seuraavia asioita:

• Suojaatko tulovaiheen hyvin? Vertailijat tuottavat myös melua.
• Lisää 100nf kondensaattori muuntajan lähdön poikki.
• Lisää 100nf: n kondensaattori äänilähdön ja maan väliin ja aseta 2k: n vastus riviin ennen kondensaattoria.
• Varmista, ettei lisäjohto ole lähellä virtalähdettä tai vahvistimen lähtökaapeleita.

Lisää hitaasti (usean minuutin aikana) äänenvoimakkuutta varmistaen, ettei mikään kuumene tai vääristy. Säädä vahvistusta niin, että vahvistin ei leikkaa, ellei äänenvoimakkuus ole maksimissaan.

Induktorisydämen laadusta ja jäähdytyselementin koosta riippuen voi olla hyvä idea lisätä pieni tuuletin, joka saa virtansa 12 voltin kiskosta, vahvistimen jäähdyttämiseksi. Tämä on erityisen hyvä idea, jos aiot laittaa sen laatikkoon.