4 Objaśnienie wydajnych obwodów wzmacniacza PWM

Wzmacniacze audio, które są przeznaczone do wzmacniania analogowego sygnału audio poprzez modulację szerokości impulsu lub przetwarzanie PWM i z regulowanym cyklem pracy, są znane pod wieloma nazwami, w tym wzmacniacz cyfrowy, wzmacniacz klasy D, wzmacniacz przełączany i wzmacniacz PWM.

Ponieważ może działać z dużą wydajnością, a Wzmacniacz klasy D. stał się ulubionym pomysłem dla aplikacji mobilnych i nagłośnieniowych, gdzie zniekształcenia są znikome.

Dlaczego wzmacniacze PWM są tak wydajne

Dzieje się tak, ponieważ konwertują analogowy sygnał audio na równoważną zawartość modulowaną PWM. Ten modulowany sygnał audio PWM jest skutecznie wzmacniany przez urządzenia wyjściowe, takie jak tranzystory MOSFET lub BJT, a następnie przekształcany z powrotem w wersję analogową o dużej mocy za pomocą specjalnych cewek indukcyjnych w podłączonych głośnikach.

Wiemy to półprzewodnik urządzenia takie jak Tranzystory MOSFET i BJT „nie lubię” obsługiwać w nieokreślonych obszarach sygnału wejściowego i mają tendencję do nagrzewania się. Na przykład a MOSFET nie włączy się prawidłowo, gdy sygnały bramki spadną poniżej 8 V, a BJT nie będą reagować poprawnie przy napędzie podstawowym poniżej 0,5 V, co spowoduje rozpraszanie dużej ilości ciepła przez radiator korpusu.

Sygnały analogowe z natury wykładnicze zmuszają powyższe urządzenia do pracy z niewygodnymi i niekorzystnymi potencjałami powolnego wzrostu i powolnego opadania, powodując duże rozpraszanie ciepła i większą nieefektywność.

PWM w przeciwieństwie do koncepcji wzmocnienia, pozwalają tym urządzeniom pracować albo całkowicie je włączając, albo całkowicie wyłączając, bez pośrednich niezdefiniowanych potencjałów. Dzięki temu urządzenia nie emitują ciepła, a wzmocnienie dźwięku jest renderowane z dużą wydajnością i minimalnymi stratami.

Zalety wzmacniacza cyfrowego w porównaniu do wzmacniacza liniowego

• Wzmacniacze cyfrowe lub PWM wykorzystują przetwarzanie PWM, dlatego urządzenia wyjściowe wzmacniają sygnały przy minimalnym rozpraszaniu ciepła. Wzmacniacze liniowe wykorzystują konstrukcję popychacza emitera i rozpraszają dużą ilość ciepła podczas wzmacniania dźwięku.
• Wzmacniacze cyfrowe mogą pracować z mniejszą liczbą urządzeń mocy wyjściowej w porównaniu ze wzmacniaczami liniowymi.
• Ze względu na minimalne rozpraszanie ciepła nie są wymagane żadne radiatory ani mniejsze radiatory w porównaniu do wzmacniaczy liniowych, które są zależne od dużych radiatorów.
• Cyfrowe wzmacniacze PWM są tańsze, lżejsze i wysoce wydajne w porównaniu do wzmacniaczy liniowych.
• Wzmacniacze cyfrowe mogą pracować z mniejszymi wejściami zasilania niż wzmacniacze liniowe.

W tym poście pierwszy wzmacniacz mocy PWM poniżej jest zasilany baterią 6 V i generuje do 5 W. Biorąc pod uwagę jego rażącą pojemność wyjściową, wzmacniacz PWM często znajduje się w megafonach.

Częstym problemem związanym z mobilnymi wzmacniaczami AF jest to, że ze względu na ich niską wydajność trudno jest wyprodukować dużą moc z niskiego napięcia zasilania.

Jednak wzmacniacz PWM w naszej dyskusji ma prawie 100% wydajność przy poziomie zniekształceń, który jest akceptowalny w przypadku megafonów i powiązanych z nimi P.A. urządzenia. Poniżej wyjaśniono kilka czynników wpływających na projekt:

Modulacja szerokości impulsów

Zasada modulacji szerokości impulsu (PWM) jest przedstawiona na poniższym rysunku 1.

Koncepcja jest prosta: cykl roboczy sygnału prostokątnego o wyższej częstotliwości jest sterowany sygnałem wejściowym. Czas załączenia impulsu zależy od chwilowej amplitudy sygnału wejściowego.

Ilość czasu włączenia i czasu wyłączenia oprócz częstotliwości jest stała. Dlatego w przypadku braku sygnału wejściowego generowany jest symetryczny sygnał prostokątny.

Aby uzyskać stosunkowo dobrą jakość dźwięku, częstotliwość sygnału prostokątnego musi być dwukrotnie większa niż najwyższa częstotliwość sygnału wejściowego.

Uzyskany sygnał może być użyty do zasilania głośnika. Rysunek 4 pokazuje wyraźną konwersję w śladzie oscyloskopu.

Górny wykres przedstawia końcowe filtrowanie sygnału wyjściowego i zmierzony w głośniku. Amplituda pozostałych Sygnał PWM czyli nakładanie się sinusoidy jest małe.

Przełączniki elektroniczne jako wzmacniacze

Rysunek 2 przedstawia standardową pracę wzmacniacza PWM za pomocą schematu blokowego.

Załóżmy, że gdy wejście jest zwarte, przełącznik S_dozasila kondensator C₇z prądem I_dwa. Dzieje się tak do momentu osiągnięcia odpowiedniego górnego granicznego napięcia przełączania.

Następnie łączy R.₇do ziemi. Potem C₇jest rozładowywany do dolnej granicy napięcia przełączania S._do. W rezultacie C.₇i R.₇wytwarza falę prostokątną o częstotliwości 50 kHz.

Gdy na wejście wzmacniacza podawany jest sygnał AF, prąd dodatkowy I₁względnie skraca lub wydłuża czas ładowania lub zwiększa i skraca czas rozładowania.

Tak więc sygnał wejściowy modyfikuje współczynnik wypełnienia sygnału prostokątnego, który jest widoczny na wyjściu głośnika.

Istnieją dwa prawa, które są istotne dla podstawowej obsługi wzmacniacza PWM.

1. Pierwszy to przełącznik S_bjest kontrolowany w przeciwfazie przez S._dotrzymając drugi zacisk głośnika jako napięcie alternatywne do napięcia sygnału PWM.

Ta konfiguracja daje wynik stopnia mocy wyjściowej typu mostka przełączającego. Następnie, przy każdej polaryzacji, głośnik jest wymuszany pełnym napięciem zasilania, tak aby uzyskać maksymalny pobór prądu.

2. Po drugie, przyjrzymy się cewkom indukcyjnym L₁i ja_dwa. Zadaniem cewek jest zintegrowanie sygnału prostokątnego i przekształcenie go w sinusoidalny, jak pokazano na wcześniejszym wykresie oscyloskopu. Ponadto pełnią również funkcję i tłumią harmoniczne sygnału prostokątnego 50 kHz.

Wysoki poziom dźwięku dzięki skromnej konstrukcji

Ze schematu na powyższym rysunku można łatwo zidentyfikować komponenty elektroniczne zastosowane w schemacie blokowym.

Garść części, takich jak rezystor R1, kondensatory sprzęgające C.₁i C₄, regulacja głośności str₁i wzmacniacz oparty na wzmacniaczu operacyjnym A.₁wykonuje polaryzację mikrofonu kondensatorowego (lub elektrostatycznego).

Cała ta operacja tworzy segment wejściowy wzmacniacza PWM. Jak omówiono wcześniej, przełączniki S_doi S._bsą zbudowane za pomocą przełączników elektronicznych ES₁palce u stóp₄i pary tranzystorów T₁-T₃oraz T_dwa-T₄.

Wskazania części dla komponentów elektronicznych, które tworzą generator PWM, odnoszą się do tych opisanych na schemacie blokowym.

Prawdopodobnie wzmacniacz PWM jest niezwykle wydajny, ponieważ tranzystory wyjściowe nie są podgrzewane, nawet w przypadku wymuszenia stanu pełnego napędu. Krótko mówiąc, w stopniu wyjściowym mocy praktycznie nie występuje rozpraszanie.

Najważniejszy czynnik, który należy wziąć pod uwagę przed wyborem cewek indukcyjnych L.₁i ja_dwapolega na tym, że muszą być w stanie przesyłać kanał 3 A bez nasycenia.

Faktyczne rozważanie na temat indukcyjności zajmuje dopiero drugie miejsce. Na przykład induktory użyte w tym projekcie zostały pozyskane ze ściemniacza światła.

Przeznaczenie diod D.₃do D.₆ma na celu ograniczenie wstecznego pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez cewki indukcyjne do rozsądnie bezpiecznej wartości.

Ponadto nieodwracające wejście opamp A₁jest utworzony przez D.₁, C₃, D_dwai R.₃. To napięcie wejściowe, skutecznie filtrowane, jest równe połowie napięcia zasilania.

Podczas korzystania z tradycyjnego wzmacniacza operacyjnego wzmocnienie napięcia jest przypisywane przez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. R₄i R.₅ustawi wzmocnienie na 83, aby zapewnić wystarczającą czułość mikrofonu.

Jeśli używasz źródeł sygnału o wysokiej impedancji, R₄można wzmocnić w razie potrzeby.

L₁i ja_dwapowodują przesunięcie fazowe, dzięki czemu możliwe jest sprzężenie zwrotne za pomocą sygnału fali prostokątnej na kolektorze T.₁w porównaniu do sinusoidalnego sygnału głośnikowego.

W połączeniu z C₅wzmacniacz operacyjny zapewnia znaczną integrację sygnału zwrotnego PWM.

System sprzężenia zwrotnego zmniejsza zniekształcenia wzmacniacza, ale nie na tyle intensywnie, aby można go było używać do innych zastosowań niż nagłośnienie.

Zwykle w przypadku wzmacniacza klasy D o niskich zniekształceniach wymagany byłby znacznie zwiększony poziom napięcia zasilania i skomplikowana konstrukcja obwodu.

Wdrożenie tej konfiguracji zmniejszyłoby ogólną wydajność obwodu. Zwróć uwagę przy wyborze przełączników elektronicznych we wzmacniaczu, ponieważ typy HCMOS są odpowiednie.

Typowy CMOS typu 4066 jest wyjątkowo powolny i nieodpowiedni do wyzwalania „zwarcia” w poprzek T₁-T₃oraz T_dwa-T₄. Mało tego, istnieje również zwiększone ryzyko przepracowania lub nawet trwałego uszkodzenia wzmacniacza.

Wzmacniacz PWM do zastosowań megafonowych

Entuzjaści elektroniki wolą stosować wzmacniacz klasy D do zasilania głośnika tubowego, ponieważ może on generować najgłośniejszy dźwięk przy wybranym poziomie mocy.

Używając zestawu akumulatorów 6 V i głośnika z komorą ciśnieniową, model wzmacniacza był łatwy do zbudowania.

Istniejące 4 W mocy wyjściowej można było zmierzyć w megafonie o przyzwoitym zakresie audio.

Cztery suche baterie 1,5 V lub monokomórki alkaliczne zostały połączone szeregowo, aby zapewnić napięcie dla megafonu. Jeśli chcesz często korzystać z tej konfiguracji, wybierz akumulator NiCd lub żelowy (Dryfit).

Ponieważ maksymalny pobór prądu przez megafon wynosi 0,7 A, standardowa bateria alkaliczna jest odpowiednia do podtrzymania działania przez 24 godziny przy pełnej mocy wyjściowej.

Jeśli planujesz nieciągłe użytkowanie, wybór zestawu suchych ogniw będzie więcej niż wystarczający.

Pamiętaj, że niezależnie od używanego źródła zasilania, nigdy nie może przekroczyć więcej niż 7 V.

Powodem są przełączniki HCMOS w układzie scalonym₁nie działałby prawidłowo przy tym lub wyższym poziomie napięcia.

Na szczęście dla wzmacniacza maksymalny próg napięcia zasilania jest większy niż 11 V.

Projekt PCB dla opisanego powyżej wzmacniacza PWM klasy D jest podany poniżej:

Kolejny dobry wzmacniacz PWM

Dobrze zaprojektowany wzmacniacz PWM będzie zawierał symetryczny generator fal prostokątnych.

Cykl pracy tej prostokątnej fali jest modulowany przez sygnał audio.

Zamiast działać liniowo, tranzystory wyjściowe działają jako przełączniki, więc są albo całkowicie włączone, albo wyłączone. W stanie uśpienia cykl pracy przebiegu wynosi 50%.

Oznacza to, że każdy tranzystor wyjściowy jest w pełni nasycony lub nazywany również przewodzeniem przez ten sam czas. W rezultacie średnie napięcie wyjściowe wynosi zero.

Oznacza to, że jeśli jeden z przełączników pozostanie zamknięty nieco dłużej niż drugi, średnie napięcie wyjściowe będzie ujemne lub dodatnie w zależności od polaryzacji sygnału wejściowego.

Dlatego możemy zaobserwować, że średnie napięcie wyjściowe jest zależne od sygnału wejściowego. Dzieje się tak, ponieważ tranzystory wyjściowe działają całkowicie jako przełączniki, stąd straty mocy na stopniu wyjściowym są niezwykle niskie.

Projektowanie

Rysunek 1 przedstawia cały schemat wzmacniacza PWM klasy D. Widzimy, że wzmacniacz PWM nie musi być zbyt skomplikowany.

Sygnał wejściowy audio jest podawany do wzmacniacza operacyjnego IC1, który działa jako komparator. Ta konfiguracja prowadzi do kilku wyzwalaczy Schmitta, które są połączone równolegle z obwodem.

Są tam z dwóch powodów. Po pierwsze musi występować „prostokątny” przebieg, a po drugie stopień wyjściowy musi mieć odpowiedni podstawowy prąd sterujący. Na tym etapie są zainstalowane dwa proste, ale szybkie tranzystory (BD137 / 138).

Cały wzmacniacz oscyluje i generuje falę prostokątną. Powodem jest to, że jedno wejście z komparatora (IC1) jest podłączone do wyjścia przez sieć RC.

Ponadto oba wejścia IC1 są spolaryzowane do pierwszej połowy napięcia zasilania poprzez zastosowanie dzielnika napięcia R3 / R4.

Za każdym razem, gdy wyjście IC1 jest niskie, a emiter T1 / T2 jest wysoki, ładowanie kondensatora C3 następuje przez rezystor R7. W tym samym czasie nastąpi wzrost napięcia na wejściu nieodwracającym.

Gdy to rosnące napięcie przekroczy poziom odwracającego wejścia, wyjście IC1 zmienia się z niskiego na wysoki.

W rezultacie emitery T1 / T2 zmieniają się z wysokiego na niski. Ten stan pozwala C3 na rozładowanie przez R7 i napięcie na wejściu dodatnim spada poniżej napięcia na wejściu ujemnym.

Wyjście IC1 również powraca do stanu niskiego. W końcu wyjście fali prostokątnej jest wytwarzane z częstotliwością określoną przez R7 i C3. Podane wartości generują oscylacje przy 700 kHz.

Korzystanie z oscylator , możemy modulować częstotliwość. Poziom IC1 na wejściu odwracającym, który zwykle jest używany jako odniesienie, nie pozostaje stały, ale jest określany przez sygnał audio.

Ponadto amplituda określa dokładny punkt, w którym sygnał wyjściowy komparatora zaczyna się zmieniać. W konsekwencji „grubość” fal prostokątnych jest regularnie modulowana przez sygnał audio.

Aby zapewnić, że wzmacniacz nie będzie działał jako nadajnik 700 kHz, na jego wyjściu należy zastosować filtrację. Sieć LC / RC zawierająca L1 / C6 i C7 / R6 wykonuje dobrą robotę jako filtr .

Specyfikacja techniczna

• Wyposażony w obciążenie 8 omów i napięcie zasilania 12 V wzmacniacz generował 1,6 W.
• Przy 4 omach moc wzrosła do 3 W. Przy tak niewielkim wydzielaniu ciepła chłodzenie tranzystorów wyjściowych nie jest wymagane.
• Udowodniono, że zniekształcenia harmoniczne są niezwykle niskie jak na taki prosty obwód.
• Całkowity poziom zniekształceń harmonicznych był niższy niż 0,32% z mierzonego zakresu od 20 Hz do 20000 Hz.

Na poniższym rysunku widać płytkę drukowaną i układ części wzmacniacza. Czas i koszt budowy tego obwodu są bardzo niskie, więc stanowi doskonałą szansę dla każdego, kto chce lepiej zrozumieć PWM.

Lista części

Rezystory:
R1 - 22 tys
R2, R7 - 1 M.
R3, R4 - 2,2 tys
R6 - 420 k
R6 - 8,2 oma
P1 = 100k Potencjometr logarytmiczny
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100 μF / 16 V.
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000 p / 10 V.
C9 - 2n2
Półprzewodniki:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Różne:
L1 = 39μH cewka indukcyjna

Prosty obwód wzmacniacza 3 tranzystorowego klasy D.

Wyjątkowa wydajność wzmacniacza PWM jest taka, że ​​moc wyjściową 3 W można uzyskać przy użyciu BC107 jako tranzystora wyjściowego. Co więcej, nie wymaga radiatora.

Wzmacniacz zawiera sterowany napięciem oscylator szerokości impulsu działający z częstotliwością około 6 kHz i wymuszający stopień wyjściowy klasy D.

Są tylko dwa scenariusze - całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony. Dzięki temu rozpraszanie jest niewiarygodnie małe, a tym samym zapewnia wysoką wydajność. Przebieg wyjściowy nie wygląda jak sygnał wejściowy.

Jednak całka przebiegów wyjściowych i wejściowych jest do siebie proporcjonalna względem czasu.

Z przedstawionej tabeli wartości składowych wynika, że ​​można wyprodukować dowolny wzmacniacz o mocy od 3 W do 100 W. Biorąc to pod uwagę, można uzyskać silniejsze moce do 1 kW.

Wadą jest to, że powoduje około 30% zniekształceń. W rezultacie wzmacniacz może służyć tylko do wzmacniania dźwięku. Nadaje się do systemów nagłośnieniowych, ponieważ mowa jest niezwykle zrozumiała.

Cyfrowy wzmacniacz operacyjny

Następująca koncepcja pokazuje, jak używać podstawowego zestawu przerzutnika resetującego IC 4013, który może być zastosowany do konwersji analogowego sygnału audio na odpowiadający sygnał PWM, który może być dalej podawany do stopnia MOSFET w celu uzyskania pożądanego wzmocnienia PWM.

Połowę zestawu 4013 można wykorzystać jako wzmacniacz wyposażony w wyjście cyfrowe o cyklu pracy proporcjonalnym do żądanego napięcia wyjściowego. Zawsze, gdy potrzebujesz wyjścia analogowego, wystarczy prosty filtr.

Musisz postępować zgodnie z impulsami zegara zgodnie ze specyfikacją, a częstotliwość musi być znacznie wyższa niż żądana szerokość pasma. Wzmocnienie wynosi R1 / R2, podczas gdy czas R1R2C / (R1 + R2) musi być dłuższy niż okres impulsów zegara.

Aplikacje

Istnieje wiele sposobów wykorzystania obwodu. Niektóre są:

1. Pozyskuje impulsy z punktu przejścia przez zero sieci i wymusza triak na wyjściu. W rezultacie masz teraz relacyjną kontrolę mocy bez RFI.
2. Za pomocą szybkiego zegara przełącz tranzystory sterownika na wyjście. Rezultatem jest bardzo wydajny wzmacniacz audio PWM.

30-watowy wzmacniacz PWM

Schemat obwodu dla wzmacniacza audio klasy D o mocy 30 W można zobaczyć w następującym pliku pdf.

Wzmacniacz operacyjny IC1 wzmacnia wejściowy sygnał audio poprzez potencjometr VR1 o zmiennej głośności. Sygnał PWM (modulacja szerokości impulsu) jest generowany przez porównanie sygnału audio z trójkątem 100 kHz. Dokonuje się tego za pomocą komparatora 1C6. Rezystor RI3 służy do dostarczania dodatniego sprzężenia zwrotnego, a C6 jest faktycznie wprowadzany w celu zwiększenia czasu pracy komparatora.

Wyjście komparatora przełącza się między skrajnymi napięciami ± 7,5V. Rezystor podciągający R12 zapewnia +7,5 V, podczas gdy -7,5 V jest dostarczane przez wewnętrzny tranzystor z otwartym emiterem wzmacniacza operacyjnego IC6 na pinie 1. W czasie, gdy ten sygnał przechodzi do poziomu dodatniego, tranzystor TR1 działa jak zacisk prądowy. Ten spadek prądu powoduje wzrost spadku napięcia na rezystorze R16, który staje się wystarczający do włączenia MOSFET TR3.

Kiedy sygnał zmienia się na ujemne ekstremum. TR2 zamienia się w źródło prądu, co prowadzi do spadku napięcia na R17. Ten spadek wystarczy, aby włączyć TR4. Zasadniczo tranzystory MOSFET TR3 i TR4 są wyzwalane naprzemiennie, generując sygnał PWM, który przełącza się między +/- 15 V.

W tym momencie niezbędne staje się przywrócenie lub konwersja tego wzmocnionego sygnału PWM do dobrej reprodukcji dźwięku, która może być wzmocnionym odpowiednikiem wejściowego sygnału audio.

Osiąga się to poprzez utworzenie średniej wartości cyklu pracy PWM przez dolnoprzepustowy filtr Butterworha trzeciego rzędu o częstotliwości odcięcia (25 kHz) znacznie poniżej częstotliwości bazowej trójkąta.

To działanie prowadzi do ogromnego tłumienia przy 100 kHz. Uzyskane wyjście końcowe przechodzi do wyjścia audio, które jest wzmocnioną replikacją wejściowego sygnału audio.

Generator fal trójkątnych poprzez konfigurację obwodu 1C2 i 1C5, gdzie IC2 działa jak generator fali prostokątnej z dodatnim sprzężeniem zwrotnym dostarczanym przez R7 i R11. Diody od DI do D5 działają jak dwukierunkowy zacisk. To ustala napięcie na około +/- 6V.

Idealny integrator jest tworzony przez wstępnie ustawione VR2, kondensator C5 i IC5, który przekształca falę prostokątną w falę trójkątną. Preset VR2 zapewnia funkcję regulacji częstotliwości.

Wyjście 1C5 na (pin 6) dostarcza sprzężenie zwrotne do 1C2, a rezystor R14 i wstępnie ustawiony VR3 działają jako elastyczny tłumik, umożliwiając dostrojenie poziomu fali trójkątnej zgodnie z wymaganiami.

Po wykonaniu pełnego obwodu VR2 i VR3 muszą zostać dostrojone, aby zapewnić najwyższą jakość dźwięku. Zestaw zwykłych wzmacniaczy operacyjnych 741 dla 1C4 i IC3 można zastosować jako bufory wzmocnienia jedności, aby zapewnić moc +/- 7,5 V.

Kondensatory C3, C4, C11 i C12 służą do filtracji, podczas gdy reszta kondensatorów służy do odsprzęgania zasilania.

Obwód może być zasilany podwójnym zasilaczem +/- 15 V DC, który będzie w stanie wysterować głośnik o mocy 30 W 8 omów przez stopień LC za pomocą kondensatora C13 i cewki indukcyjnej L2. Zauważ, że skromne radiatory mogą być prawdopodobnie konieczne dla MOSFET TR3 i TR4.