4 Effektive PWM-forsterkerkretser forklart

Lydforsterkere som er designet for å forsterke et analogt lydsignal gjennom pulsbreddemodulering eller PWM-prosessering og med justerbar driftssyklus, er kjent av mange navn, inkludert digital forsterker, Class-D forsterker, svitsjet forsterker og PWM forsterker.

Fordi det kan yte med høy effektivitet, a Klasse-D forsterker har blitt et favorittkonsept for mobil- og adresseapplikasjoner der forvrengning er ubetydelig.

Hvorfor PWM-forsterkere er så effektive

Det er fordi de konverterer det analoge lydsignalet til tilsvarende PWM-modulert innhold. Dette modulerte PWM-lydsignalet forsterkes effektivt av utgangsenhetene som MOSFET eller BJT og konverteres deretter tilbake til høyeffekt analog versjon ved hjelp av spesielle induktorer på tvers av de tilkoblede høyttalerne.

Vi vet det halvleder enheter som f.eks MOSFET og BJT 'liker ikke' å operere i udefinerte områder av et inngangssignal og har en tendens til å bli varm. For eksempel a MOSFET vil ikke slå seg på riktig når gate-signalene er under 8V, og BJT-er vil ikke svare riktig ved under 0,5 V basestasjon, noe som resulterer i høy mengde varmespredning gjennom kroppens kjøleribbe.

Analoge signaler som er eksponensielle av natur, tvinger de ovennevnte enhetene til å arbeide med ubehagelige og ugunstige langsomt stigende og sakte fallpotensialer, forårsaker høy varmespredning og større ineffektivitet.

PWM forsterkningskonsept derimot, la disse enhetene fungere ved å enten slå dem helt på eller slå dem AV helt, uten mellomliggende udefinerte potensialer. På grunn av dette utstråler ikke enhetene varme og lydforsterkningen gjengis med høy effektivitet og minimale tap.

Fordeler med digital forsterker sammenlignet med lineær forsterker

• Digitale eller PWM-forsterkere bruker PWM-prosessering, og derfor forsterker utgangsenhetene signalene med minimal varmespredning. Lineære forsterkere bruker emitterfølgerdesign og sprer høy mengde varme under lydforsterkning.
• Digitale forsterkere kan fungere med mindre antall utgangsenheter sammenlignet med lineære forsterkere.
• På grunn av minimal varmespredning er det ikke behov for varmeavleder eller mindre varmeavleder, sammenlignet med lineære forsterkere som er avhengige av store varmeavleder.
• Digitale PWM-forsterkere er billigere, lettere og svært effektive sammenlignet med lineære forsterkere.
• Digitale forsterkere kan fungere med mindre strømforsyningsinnganger enn lineære forsterkere.

I dette innlegget drives den første PWM-forsterkeren nedenfor av et 6 V batteri og genererer opptil 5W utgangseffekt. Gitt sin åpenbare utgangskapasitet, er PWM-forsterkeren ofte å finne i megafoner.

Et vanlig problem med mobile AF-forsterkere er at det på grunn av deres lave effektivitetsegenskaper er vanskelig å produsere høy effekt fra lav forsyningsspenning.

Imidlertid har PWM-forsterkeren i vår diskusjon nesten 100% effektivitet på et forvrengningsnivå som er akseptabelt med megafoner og tilhørende P.A. enheter. Noen få faktorer som bidrar til designet er forklart nedenfor:

Pulsbreddemodulasjon

Prinsippet for pulsbreddemodulering (PWM) er representert i figur 1 nedenfor.

Konseptet er enkelt: driftssyklusen til et rektangulært signal med høyere frekvens styres av et inngangssignal. Pulsens innkoblingstid er i forhold til den øyeblikkelige amplituden til inngangssignalet.

Mengden tid og tid i tillegg til frekvensen er konstant. Derfor, når et inngangssignal mangler, produseres et symmetrisk firkantbølgesignal.

For å oppnå relativt god lydkvalitet må frekvensen til det rektangulære signalet være dobbelt enn den høyeste frekvensen i inngangssignalet.

Det resulterende signalet kan brukes til å drive en høyttaler. Figur 4 viser en klar konvertering i oscilloskopsporet.

Det øvre sporet viser utgangssignalet etterfiltrering og målt over høyttaleren. Amplituden til de gjenværende PWM-signal som overlapper sinusbølgen er liten.

Elektroniske brytere som forsterkere

Figur 2 beskriver standardoperasjonen til PWM-forsterkeren ved hjelp av blokkdiagrammet.

La oss anta at inngangen er kortsluttet, bytt S_tildriver kondensator C₇med en nåværende jeg_to. Dette skjer inntil en passende øvre grensebryterspenning oppnås.

Deretter kobler den R₇til bakken. Etter det, C₇er utladet til den nedre grensebryterspenningen til S_til. Som et resultat, C₇og R₇produserer en firkantbølge med en frekvens på 50 kHz.

Når et AF-signal blir utført til inngangen til forsterkeren, vil den ekstra strømmen I₁reduserer eller øker ladetiden relativt, eller øker og reduserer utladningstiden.

Så modifiserer inngangssignalet pliktfaktoren til firkantbølgesignalet som sees ved utgangen til høyttaleren.

Det er to lover som er essensielle for den grunnleggende driften av PWM-forsterkeren.

1. Den første er bryter S_bstyres i antifase med S_tilmens du holder den andre høyttalerterminalen som en alternativ spenning til PWM-signalets.

Dette oppsettet produserer et resultat av utgangstrinnet for bryterbro-typen. Etterpå, ved hver polaritet, tvinges høyttaleren med full forsyningsspenning slik at et maksimalt strømforbruk oppnås.

2. For det andre ser vi på induktorer L₁og jeg_to. Formålet med induktorene er å integrere det rektangulære signalet og konvertere dem til sinusformet som vist i omfangssporingen tidligere. Videre fungerer de også og harmonisk undertrykker av det 50 kHz rektangulære signalet.

Høy lydutgang fra et beskjedent design

Fra skjematisk figur i figuren ovenfor kan du enkelt identifisere de elektroniske komponentene som brukes i blokkdiagrammet.

En håndfull deler som motstand R1, koblingskondensatorer C₁og C₄, volumkontroll P₁og en forsterker basert rundt opamp A₁gjør forspenningsjobben for en kondensator (eller elektrostatisk) mikrofon.

Hele denne operasjonen skaper inngangssegmentet til PWM-forsterkeren. Som diskutert tidligere, bryter S_tilog S_ber bygget av elektroniske brytere ES₁til ES₄og transistorpar T₁-T₃og T_to-T₄.

Delindikasjonene for de elektroniske komponentene som konstruerer PWM-generatoren er relatert til de som er beskrevet i blokkdiagrammet.

Sannsynligvis er PWM-forsterkeren uvanlig effektiv fordi utgangstransistorene ikke blir varmet opp selv når de er tvunget til med en all-drive tilstand. Kort sagt, det er praktisk talt null spredning i effektutgangstrinnet.

Den viktigste faktoren du må vurdere før du velger spoler L₁og jeg_toer at de må kunne kanalisere 3 A uten å bli mettet.

Selve induktanshensynet kommer bare andre. For eksempel ble induktorene som ble brukt i dette prosjektet hentet fra en lysdimmer.

Formålet med dioder D₃til D₆er å inneholde den bakre EMF produsert av induktorene til en rimelig sikker verdi.

Videre er den ikke-inverterende inngangen til opamp A₁er dannet av D₁, C₃, D_toog R₃. Denne inngangsspenningen, effektivt filtrert, er lik halvparten av forsyningsspenningen.

Når du bruker en tradisjonell opampforsterker, tildeles spenningsforsterkningen en negativ tilbakemeldingssløyfe. R₄og R₅vil sette forsterkningen til 83 for å sikre tilstrekkelig mikrofonfølsomhet.

Hvis du bruker signaler med høy impedans, må R₄kan forsterkes etter behov.

L₁og jeg_toforårsake faseforskyvningen, og på grunn av det er tilbakemelding mulig ved hjelp av firkantbølgesignalet ved samleren av T₁sammenlignet med det sinusformede høyttalersignalet.

Kombinert med C₅opampen gir den vesentlige integrasjonen av PWM-tilbakemeldingssignalet.

Tilbakemeldingssystemet reduserer forvrengningens forvrengning, men ikke så mye at du kan bruke den til andre applikasjoner i tillegg til den offentlige adressen.

Normalt ville en betydelig økt forsyningsspenning og en komplisert kretsdesign være nødvendig for en klasse D-forsterker med lav forvrengning.

Implementering av dette oppsettet vil hemme kretsens samlede effektivitet. Vær oppmerksom når du velger elektroniske brytere i forsterkeren, da HCMOS-typer er passende.

En typisk CMOS Type 4066 er ekstremt treg og upassende for å utløse en 'kortslutning' over T₁-T₃og T_to-T₄. Ikke bare det, men det er også en økt risiko for overarbeid eller til og med permanent skade forsterkeren.

PWM-forsterker for megafonapplikasjon

Elektroniske entusiaster foretrekker å bruke klasse D-forsterkeren for å drive en hornhøyttaler fordi den kan produsere den høyeste lyden for et valgt effektnivå.

Ved hjelp av en 6 V batteripakke og en trykkammerhøyttaler ble forsterkermodellen enkelt konstruert.

Den eksisterende 4 W utgangseffekten var målbar i en megafon med anstendig lydområde.

Fire 1,5 V tørre batterier eller alkaliske monoceller ble koblet i serie for å forsyne megafonen. Hvis du vil bruke dette oppsettet ofte, velger du et oppladbart NiCd- eller gel-type (Dryfit) batteri.

Siden det maksimale strømforbruket til megafonen er 0,7 A, er en standard alkalisk egnet for å støtte driften i 24 timer med full utgangseffekt.

Hvis du planlegger ikke kontinuerlig bruk, vil det være mer enn nok å velge et sett med tørre celler.

Husk at uansett hvilken strømkilde du bruker, må den aldri krysse mer enn 7 V.

Årsaken er HCMOS-bryterne i IC₁ikke fungerer ordentlig på det spenningsnivået eller mer.

Heldigvis, for forsterkeren, er den maksimale terskelen for forsyningsspenning større enn 11 V.

PCB-design for den ovenfor forklarte PWM klasse-D-forsterkeren er gitt nedenfor:

Nok en god PWM forsterker

En godt designet PWM forsterker vil omfatte en symmetrisk rektangulær bølgenerator.

Driftssyklusen til denne rektangulære bølgen moduleres av lydsignalet.

I stedet for å operere lineært, fungerer utgangstransistorene som brytere, så de er enten helt på eller av. I sovende tilstand er bølgeformens driftssyklus 50%.

Det betyr at hver utgangstransistor er fullstendig mettet eller også kjent som ledende i samme varighet. Som et resultat er den gjennomsnittlige utgangsspenningen null.

Dette betyr at hvis en av bryterne holder seg lukket litt lenger enn den andre, vil den gjennomsnittlige utgangsspenningen enten være negativ eller positiv, avhengig av inngangssignalets polaritet.

Derfor kan vi observere at den gjennomsnittlige utgangsspenningen er relasjonell til inngangssignalet. Dette er fordi utgangstransistorene fungerer utelukkende som brytere, og det er derfor ekstremt lavt strømtap i utgangstrinnet.

Designet

Figur 1 viser hele skjematikken til klasse D PWM-forsterkeren. Vi kan se at PWM-forsterkeren ikke trenger å være for kompleks.

Inngangssignalet påføres en op-amp IC1 som fungerer som en komparator. Dette oppsettet fører en håndfull Schmitt-utløsere som er koblet parallelt med kretsen.

De er der av to grunner. For det første må det være en 'firkantet' bølgeform, og for det andre kreves den tilstrekkelige basestyrestrømmen for utgangstrinnet. I dette stadiet er det to enkle, men raske transistorer (BD137 / 138) installert.

Hele forsterkeren svinger og genererer en firkantbølge. Årsaken er at en inngang fra komparatoren (IC1) er koblet til utgangen gjennom et RC-nettverk.

Videre er begge inngangene til IC1 forspent til den første halvdelen av forsyningsspenningen ved å benytte en spenningsdeler R3 / R4.

Hver gang IC1s utgang er lav og emitterne til T1 / T2 er høye, opplades kondensator C3 gjennom motstanden R7. Samtidig vil det være en økning i spenningen ved den ikke-inverterende inngangen.

Når denne eskalerende spenningen krysser nivået for invertert put, bytter ut av IC1 fra lav til høy.

Resultatet blir at emittere av T1 / T2 blir fra høye til lave. Denne tilstanden gjør at C3 kan lades ut gjennom R7, og spenningen ved plussinngangen faller under spenningen ved minusinngangen.

Utgangen fra IC1 går også tilbake til lav tilstand. Til slutt produseres en firkantbølgeutgang med en frekvens bestemt av R7 og C3. De angitte verdiene genererer en svingning ved 700 kHz.

Bruke en oscillator , kan vi modulere frekvensen. Inverteringsinngangens nivå på IC1, som vanligvis brukes som referanse, forblir ikke konstant, men bestemmes av lydsignalet.

Videre bestemmer amplituden det eksakte punktet der utgangen fra komparatoren begynner å endres. Derfor blir 'tykkelsen' av firkantbølgene jevnlig modulert av lydsignalet.

For å sikre at forsterkeren ikke fungerer som en 700 kHz sender, må filtrering utøves ved utgangen. Et LC / RC-nettverk bestående av L1 / C6 og C7 / R6 gjør en god jobb som en filter .

Tekniske spesifikasjoner

• Utstyrt med en belastning på 8 ohm og 12 V forsyningsspenning genererte forsterkeren 1,6 W.
• Når det brukes 4 ohm, økte effekten til 3 W. For så liten avledet varme er ikke kjøling av utgangstransistorene nødvendig.
• Det er bevist at den harmoniske forvrengningen er uvanlig lav for en enkel krets som denne.
• Det totale harmoniske forvrengningsnivået var lavere enn 0,32% fra det målte området 20 Hz til 20 000 Hz.

I figuren nedenfor kan du se PCB og utformingen av deler til forsterkeren. Tiden og kostnadene for å bygge denne kretsen er veldig lave, så det gir en utmerket sjanse for alle som ønsker å bli bedre til å forstå PWM.

Deleliste

Motstander:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohm
P1 = 100 k logaritmisk potensiometer
Kondensator;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Halvledere:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Diverse:
L1 = 39μH Induktor

Enkel 3 Transistor klasse-D forsterkerkrets

Den enestående effektiviteten til PWM-forsterkeren er slik at en effekt på 3 W kan produseres med en BC107 som brukes som utgangstransistor. Enda bedre, det krever ikke varmeavleder.

Forsterkeren består av en spenningsstyrt pulsbreddoscillator som opererer på rundt 6 kHz og håndhever et klasse D-utgangstrinn.

Det er bare to scenarier - fullt på eller helt av. På grunn av dette er spredningen utrolig liten og gir derfor høy effektivitet. Utgangsbølgeformen ser ikke ut som inngangen.

Imidlertid er integralen av utgangs- og inngangsbølgeformene proporsjonal med hverandre i forhold til tiden.

Den presenterte tabellen med komponentverdier viser at en forsterker med utganger mellom 3 W og 100 W kan produseres. Gitt at sterkere krafter opptil 1 kW kan oppnås.

Ulempen er at det skaper rundt 30% av forvrengningen. Som et resultat kan forsterkeren kun brukes til lydforsterkning. Det er egnet for offentlige talesystemer på grunn av at talen er utrolig forståelig.

Digital Op-Amp

Følgende konsept viser hvordan man bruker et grunnleggende sett reset flip flop IC 4013 kan brukes for å konvertere analogt lydsignal til korresponderende PWM-signal, som kan videre mates til et MOSFET-trinn for ønsket PWM-forsterkning.

Du kan bruke halvparten av 4013-pakken som en forsterker, forutsatt en digital utgang med en driftssyklus som er proporsjonal med ønsket utgangsspenning. Når du trenger en analog utgang, vil et enkelt filter gjøre jobben.

Du må følge klokkepulsene som spesifisert, og disse må ha betydelig høyere frekvens enn ønsket båndbredde. Forsterkningen er R1 / R2 mens tiden R1R2C / (R1 + R2) må være lengre enn klokkepulsens periode.

applikasjoner

Det er mange måter kretsen kan brukes på. Noen er:

1. Skaff deg impulser fra nettets nullkryssingspunkt og håndhever en triac med utgangen. Som et resultat har du nå relasjonell kraftkontroll uten RFI.
2. Bruk en rask klokke til å bytte drivertransistorer med utgangen. Resultatet er en svært effektiv PWM lydforsterker.

30 watt PWM forsterker

Et kretsskjema for en 30W klasse-D lydforsterker kan sees i følgende pdf-fil.

Operasjonsforsterkeren IC1 forsterker inngangssignalet gjennom variabelt volumstyrt potensiometer VR1. Et PWM-signal (pulsbreddemodulering) genereres ved å sammenligne lydsignalet med en 100kHz trekant. Dette oppnås gjennom komparatoren 1C6. Motstand RI3 brukes til å levere positiv tilbakemelding, og C6 blir faktisk introdusert for å forbedre komparatorens driftstid.

Komparatorutgangen bytter mellom ekstreme spenninger på ± 7,5V. Opptrekksmotstanden R12 tilbyr + 7,5 V mens -7,5 V leveres av op amp IC6s interne åpne emitterstransistor ved stift 1. I løpet av tiden dette signalet beveger seg til positivt nivå, fungerer transistoren TR1 som en nåværende synkterminal. Denne nåværende vasken forårsaker en økning i spenningsfallet over motstanden R16, som blir akkurat nok til å slå på MOSFET TR3.

Når signalet bytter til det negative ekstreme. TR2 blir til en strømkilde som fører til et spenningsfall over R17. Dette fallet blir akkurat tilstrekkelig for å slå PÅ TR4. I utgangspunktet utløses MOSFETs TR3 og TR4 vekselvis og genererer et PWM-signal som bytter mellom +/- 15V.

På dette tidspunktet blir det viktig å bringe tilbake eller konvertere dette forsterkede PWM-signalet til god lydgjengivelse, som kan være en forsterket ekvivalent av lydinngangssignalet.

Dette oppnås ved å lage et gjennomsnitt av PWM-driftssyklusen gjennom et tredje ordens Butterworh lavpassfilter som har en avskjæringsfrekvens (25 kHz) betydelig under trekantbasisfrekvensen.

Denne handlingen fører til enorm demping ved 100 kHz. Den oppnådde endelige utgangen strømmer inn i en lydutgang som er en forsterket replikasjon av inngangssignalet.

Trekantbølgeneratoren gjennom kretskonfigurasjonen 1C2 og 1C5, der IC2 fungerer som en firkantbølgenerator med positiv tilbakemelding levert gjennom R7 og R11. Dioder DI til D5 fungerer som en toveisklemme. Dette fikser spenningen til omtrent +/- 6V.

En perfekt integrator er opprettet gjennom forhåndsinnstilt VR2, kondensator C5 og IC5 som forvandler en firkantbølge til en trekantbølge. Forhåndsinnstilt VR2 gir funksjonen for freqeuncy-justering.

1C5-utgangen på (pin 6) leverer tilbakemelding til 1C2, og motstanden R14 og forhåndsinnstilt VR3 fungerer som fleksibel demper som tillater at nivået på trekantsbølgen blir justert etter behov.

Etter full krets må VR2 og VR3 finjusteres for å gi lydutgang av høyeste kvalitet. Et sett med vanlige 741 op-forsterkere for 1C4 og IC3 kan brukes som enhetsforsterkningsbuffere for å levere +/- 7,5 V strøm.

Kondensatorer C3, C4, C11 og C12 brukes til filtrering mens resten av kondensatorene brukes til å koble fra strømmen.

Kretsen kan strømforsyne med en dobbel +/- 15V DC strømforsyning, som vil kunne kjøre en 30W 8 ohm høyttaler gjennom LC-trinnet ved hjelp av kondensator C13 og induktor L2. Merk at beskjedne heatsinks sannsynligvis kan være nødvendig for MOSFET TR3 og TR4.