350 vatų savaime svyruojantis D klasės stiprintuvas: 8 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:47

Įvadas ir kodėl tai padariau pamokomą:

Internete yra daugybė vadovėlių, rodančių žmonėms, kaip sukurti savo D klasės stiprintuvus. Jie yra veiksmingi, lengvai suprantami ir visi naudoja tą pačią bendrą topologiją. Viena grandinės dalis sukuria aukšto dažnio trikampio bangą ir yra lyginama su garso signalu, kad būtų galima įjungti ir išjungti išėjimo jungiklius (beveik visada MOSFET). Dauguma šių „pasidaryk pats D klasės“dizainų neturi grįžtamojo ryšio, o tie, kurie skamba švariai tik boso srityje. Jie gamina šiek tiek priimtinus žemų dažnių garsiakalbių stiprintuvus, tačiau turi aukštus aukštųjų dažnių regionų iškraipymus. Tie, kurie neturi grįžtamojo ryšio, dėl MOSFET perjungimui reikalingo negyvo laiko, turi išėjimo bangos formą, kuri atrodo tarsi trikampio banga, o ne sinusinė banga. Esama reikšmingų nepageidaujamų harmonikų, dėl kurių pastebimai sumažėja garso kokybė, todėl muzika skamba tarsi iš trimito. Dėl ankstesnio D klasės stiprintuvo šiek tiek triukšmingo, ne per daug aštraus garso aš nusprendžiau ištirti ir sukurti stiprintuvą naudojant šią neaiškią, nepakankamai panaudotą topologiją.

Tačiau klasikinis „trikampių bangų palyginimas“nėra vienintelis būdas sukurti D klasės stiprintuvą. Yra geresnis būdas. Vietoj to, kad osciliatorius moduliuotų signalą, kodėl nepadarius viso stiprintuvo osciliatoriumi? Išvesties MOSFET valdo (per tinkamas pavaros grandines) lyginamojo kompiuterio išėjimas, kurio teigiama įvestis priima gaunamą garsą, o neigiama įvestis gauna (sumažintą) stiprintuvo išėjimo įtampos versiją. Lyginamojoje naudojama histerezė, skirta reguliuoti veikimo dažnį ir užkirsti kelią nestabiliems, aukšto dažnio rezonansiniams režimams. Be to, visame išėjime naudojamas RC snubberio tinklas, skirtas slopinti skambėjimą išėjimo filtro rezonansiniu dažniu ir sumažinti fazės poslinkį iki beveik 90 laipsnių esant stiprintuvo veikimo dažniui, maždaug 100 Khz. Praleidus šį paprastą, bet kritinį filtrą, stiprintuvas savaime sunaikins, nes gali susidaryti kelių šimtų voltų įtampa, kuri akimirksniu sunaikins filtro kondensatorius.

Veikimo principas:

Tarkime, kad stiprintuvas pirmą kartą paleidžiamas ir visos įtampos yra lygios nuliui. Dėl histerezės lygintuvas parenka teigiamą arba neigiamą rezultatą. Šiame pavyzdyje darysime prielaidą, kad lyginamasis rodiklis išvedamas neigiamai. Per kelias dešimtis mikrosekundžių stiprintuvo išėjimo įtampa sumažėjo pakankamai, kad apverstų lygintuvą ir vėl pakiltų įtampa, ir šis ciklas kartojasi maždaug nuo 60 iki 100 tūkstančių kartų per sekundę, išlaikant norimą įtampą išėjime. Dėl didelės filtro induktoriaus varžos ir mažos filtro kondensatoriaus varžos šiuo dažniu išėjime nėra daug triukšmo, o dėl didelio veikimo dažnio jis yra gerokai didesnis už girdimą diapazoną. Jei įėjimo įtampa padidėja, išėjimo įtampa padidės tiek, kad grįžtamoji įtampa pasiektų išėjimo įtampą. Tokiu būdu pasiekiamas stiprinimas.

Privalumai, palyginti su standartine D klase:

1. Ypatingai maža išėjimo varža: Kadangi išvesties MOSFET nepasijungs, kol nepasieks filtro norima išėjimo įtampa, išėjimo varža yra beveik lygi nuliui. Netgi esant 0,1 voltų skirtumui tarp faktinės ir norimos išėjimo įtampos, grandinė išmes amperus į išėjimą, kol įtampa apvers lygintuvą atgal (arba kažkas pūs).

2. Gebėjimas švariai valdyti reaktyviąsias apkrovas: Dėl itin mažos išėjimo varžos savaime svyruojanti D klasė gali vairuoti kelių krypčių garsiakalbių sistemas su dideliais varžos kritimais ir smailėmis su labai mažais harmoniniais iškraipymais. Nešiojamos žemųjų dažnių garsiakalbių sistemos, kurių varža yra maža, esant prievado rezonansiniam dažniui, yra puikus garsiakalbio pavyzdys, kad grįžtamojo ryšio neturintis „trikampių bangų palyginimo“stiprintuvas sunkiai valdytų.

3. Platus dažnio atsakas: didėjant dažniui, stiprintuvas bandys kompensuoti, keisdamas darbo ciklą, kad grįžtamojo ryšio įtampa atitiktų įėjimo įtampą. Dėl to, kad filtras slopina aukštus dažnius, aukšti dažniai pradės klijuoti esant žemesnei įtampai nei žemesni, tačiau dėl muzikos, kuriai būdinga daug daugiau elektros energijos bosuose nei aukštajai (maždaug 1/f paskirstymas, daugiau, jei Naudokite boso stiprinimą), tai nėra problema.

4. Stabilumas: jei tinkamai suprojektuota ir yra sumontuotas tinklas, beveik 90 ° išėjimo filtro fazinė riba esant darbiniam dažniui užtikrina, kad stiprintuvas netaps nestabilus, net ir važiuojant didelėmis apkrovomis, kai jis yra stipriai apkarpytas. Prieš stiprintuvo nestabilumą, jūs ką nors išpūsite, greičiausiai garsiakalbius ar antrinius.

5. Efektyvumas ir mažas dydis: dėl stiprintuvo savireguliacinio pobūdžio pridedant daug negyvo laiko MOSFET perjungimo bangų formoms, garso kokybė neturi įtakos. Naudojant geros kokybės induktorių ir MOSFET (savo stiprintuve naudoju IRFB4115), galima pasiekti 90% didesnį visos apkrovos efektyvumą. Dėl to pakanka palyginti nedidelio FET šilumos kriauklės, o ventiliatorius reikalingas tik tada, kai jis veikia izoliuotoje patalpoje dideliu galingumu.

1 žingsnis: dalys, reikmenys ir būtinos sąlygos

Būtinos sąlygos:

Kuriant bet kokią didelės galios grandinę, ypač tokią, kuri skirta švariam garso atkūrimui, reikia žinoti pagrindines elektronikos koncepcijas. Turite žinoti, kaip veikia kondensatoriai, induktoriai, rezistoriai, MOSFET ir operaciniai stiprintuvai, taip pat kaip tinkamai suprojektuoti galios valdymo plokštę. Taip pat turite žinoti, kaip lituoti skylių komponentus ir kaip naudoti juostelę (arba sukurti PCB). Ši pamoka skirta žmonėms, kurie anksčiau kūrė vidutiniškai sudėtingas grandines. Nereikia išsamių analoginių žinių, nes dauguma bet kurios D klasės stiprintuvo grandinių turi tik du įtampos lygius - įjungtą arba išjungtą.

Taip pat turėsite žinoti, kaip naudoti osciloskopą (tik pagrindines funkcijas) ir kaip derinti grandines, kurios neveikia taip, kaip numatyta. Labai tikėtina, kad esant tokio sudėtingumo grandinei, pirmą kartą sukūrę turėsite papildomą grandinę, kuri neveiks. Prieš pereidami prie kito veiksmo, suraskite ir išspręskite problemą. Vieno poskyrio derinimas yra daug lengvesnis nei bandymas rasti gedimą kažkur visoje plokštėje. Naudojant osciloskopą būtina rasti nenumatytą virpesį ir patikrinti, ar signalai atrodo taip, kaip turėtų.

Bendrieji patarimai:

Bet kuriame D klasės stiprintuve turėsite aukštą įtampą ir srovę, jungiančią aukštus dažnius, o tai gali sukelti daug triukšmo. Taip pat turėsite mažos galios garso grandines, kurios yra jautrios triukšmui ir jas ims bei sustiprins. Įvesties ir galios pakopa turi būti priešinguose plokštės galuose.

Taip pat būtina turėti gerą įžeminimą, ypač maitinimo etape. Įsitikinkite, kad įžeminimo laidai eina tiesiai iš neigiamo gnybto į kiekvieną vartų tvarkyklę ir lygintuvą. Sunku turėti per daug įžeminimo laidų. Jei tai darote spausdintinėje plokštėje, įžeminimui naudokite įžeminimo plokštumą.

Jums reikalingos dalys:

(Praneškite man, jei ką praleidau, esu tikras, kad tai yra visas sąrašas)

(Viskas, pažymėta HV, turi būti įvertinta bent padidinta įtampa, kad būtų galima valdyti garsiakalbį, pageidautina daugiau)

(Daugelis jų gali būti išgelbėti iš elektronikos ir prietaisų, išmesti į šiukšliadėžę, ypač kondensatorių)

• 24 voltų maitinimo šaltinis, galintis 375 vatus (aš naudojau ličio bateriją, jei naudojate akumuliatorių, įsitikinkite, kad turite žemos įtampos išjungimą)
• Padidinimo galios keitiklis, galintis tiekti 350 vatų esant 65 voltų įtampai. („Amazon“ieškokite „Yeeco 900 W galios keitiklio“ir rasite tą, kurį naudojau.)
• „Perf board“arba proto-board, kad viskas būtų pastatyta. Aš rekomenduoju turėti bent 15 kvadratinių colių, kad galėtumėte dirbti su šiuo projektu, 18, jei norite pastatyti įvesties plokštę toje pačioje lentoje.
• Šildytuvas, prie kurio galima prijungti MOSFET
• 220uf kondensatorius
• 2x 470uf kondensatorius, vienas turi būti įvertintas pagal įėjimo įtampą (ne HV)
• 2x 470nf kondensatorius
• 1x 1nf kondensatorius
• 12x 100nf keraminis kondensatorius (arba galite naudoti poli)
• 2x 100nf poli kondensatorius [HV]
• 1x 1uf poli kondensatorius [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolitinis kondensatorius [HV]
• 2x 1n4003 diodas (tinka bet kuris diodas, kuris gali atlaikyti 2*HV ar daugiau)
• 1x 10 amperų saugiklis (arba trumpas 30AWG laido galas per gnybtų bloką)
• 2x 2,5 mh induktorius (arba susukite savo)
• 4x IRFB4115 maitinimo MOSFET [HV] [Turi būti TIKRA!]
• Įvairūs rezistoriai, galite juos nusipirkti iš „eBay“ar „Amazon“už kelis pinigus
• 4x 2k žoliapjovės potenciometrai
• 2x KIA4558 Op stiprintuvas (arba panašus garso stiprintuvas)
• 3x LM311 lygintuvai
• 1x 7808 įtampos reguliatorius
• 1x „Lm2596“baksų keitiklio plokštė, juos galite rasti „eBay“arba „Amazon“už kelis pinigus
• 2x „NCP5181“vartų tvarkyklės IC (galite pūsti, gaukite daugiau) [Turi būti GENUALU!]
• 3 kontaktų antraštė, skirta prijungti prie įvesties plokštės (arba daugiau kaiščių, kad būtų užtikrintas mechaninis standumas)
• Garsiakalbių, maitinimo ir kt. Laidai ar gnybtų blokai
• 18AWG maitinimo laidas (elektros laidų prijungimui)
• 22 AWG prijungimo laidas (visa kita prijungti)
• 200 omų mažos galios garso transformatorius įvesties stadijai
• Mažas 12v/200ma (ar mažiau) kompiuterio ventiliatorius stiprintuvui atvėsinti (neprivaloma)

Įrankiai ir reikmenys:

• Bent 2us/div skiriamosios gebos osciloskopas su 1x ir 10x zondu (galite naudoti 50k ir 5k rezistorių, kad sukurtumėte savo 10x zondą)
• Multimetras, galintis matuoti įtampą, srovę ir varžą
• Lituoklis ir lituoklis (aš naudoju „Kester 63/37“, GEROS KOKYBĖS be švino taip pat veikia, jei esate patyręs)
• Lydmetalis čiulptukas, dagtis ir tt Jūs padarysite klaidų tokioje grandinėje, ypač lituojant induktorių, tai yra skausmas.
• Vielos pjaustytuvai ir nuėmikliai
• Kažkas, kas gali sukelti kvadratinę kelių HZ bangą, pvz., Duonos lentą ir 555 laikmatį

2 žingsnis: sužinokite, kaip veikia savaime svyruojanti D klasė (neprivaloma, bet rekomenduojama)

Prieš pradėdami, gera idėja sužinoti, kaip grandinė iš tikrųjų veikia. Tai labai padės sprendžiant bet kokias problemas, kurios gali kilti toliau, ir padės suprasti, ką daro kiekviena visos schemos dalis.

Pirmasis vaizdas yra „LTSpice“sukurta diagrama, rodanti stiprintuvo reakciją į momentinį įėjimo įtampos pasikeitimą. Kaip matote iš grafiko, žalia linija bando sekti mėlyną. Kai tik įvestis pasikeičia, žalia linija pakyla kuo greičiau ir nusistovi su minimaliu perviršiu. Raudona linija yra išėjimo etapo įtampa prieš filtrą. Po pakeitimo stiprintuvas greitai nusistovi ir vėl pradeda svyruoti aplink nustatytą tašką.

Antrasis vaizdas yra pagrindinė grandinės schema. Garso įvestis lyginama su grįžtamojo ryšio signalu, kuris generuoja signalą, kuris nukreipia išvesties pakopą, kad išvestis priartėtų prie įvesties. Dėl lyginamojo histerezės grandinė svyruoja aplink norimą įtampą per aukštu dažniu, kad ausys ar garsiakalbiai galėtų reaguoti.

Jei turite „LTSpice“, galite atsisiųsti ir žaisti su.asc scheminiu failu. Pabandykite pakeisti r2, kad pakeistumėte dažnį, ir stebėkite, kaip grandinė eina iš proto, kai pašalinate smulkintuvą, slopinantį per didelius svyravimus aplink LC filtro rezonanso tašką.

Net jei neturite „LTSpice“, išstudijavę vaizdus gausite gerą supratimą, kaip viskas veikia. Dabar pereikime prie statybos.

3 žingsnis: sukurkite maitinimo šaltinį

Prieš pradėdami ką nors lituoti, pažvelkite į schemą ir pavyzdinį išdėstymą. Schema yra SVG (vektorinė grafika), todėl ją atsisiuntę galite priartinti tiek, kiek norite, neprarasdami skiriamosios gebos. Nuspręskite, kur viską įdėsite į lentą, ir tada pastatykite maitinimo šaltinį. Prijunkite akumuliatoriaus įtampą ir įžeminimą ir įsitikinkite, kad niekas neįkaista. Naudokite multimetrą, kad sureguliuotumėte „lm2596“plokštę, kad ji išvestų 12 voltų, ir patikrinkite, ar 7808 reguliatorius išleidžia 8 voltus.

Tai tiek maitinimo šaltiniui.

4 žingsnis: sukurkite išvesties etapą ir vartų tvarkyklę

Iš viso kūrimo proceso tai yra sunkiausias visų jų žingsnis. Viską sukurkite schemoje „Vartų tvarkyklės grandinė“ir „Maitinimo etapas“, įsitikinkite, kad FET yra pritvirtinti prie radiatoriaus.

Schemoje pamatysite laidus, kurie, atrodo, niekur nedingsta ir sako „vDrv“. Schmatikoje jie vadinami etiketėmis ir visos etiketės su tuo pačiu tekstu sujungiamos. Prijunkite visus „vDrv“pažymėtus laidus prie 12 V reguliatoriaus plokštės išvesties.

Baigę šį etapą, įjunkite šią grandinę į ribotos srovės maitinimą (su maitinimo šaltiniu galite naudoti nuoseklų rezistorių) ir įsitikinkite, kad niekas neįkaista. Pabandykite prijungti kiekvieną įvesties signalą prie vartų tvarkyklės prie 8 V maitinimo šaltinio (po vieną) ir patikrinkite, ar važiuoja tinkami vartai. Kai įsitikinsite, kad žinote, kad vartų pavara veikia.

Dėl vartų pavaros, naudojančios įkrovos grandinę, jūs negalite tiesiogiai išbandyti išvesties matuojant išėjimo įtampą. Įdėkite multimetrą į diodo patikrinimą ir patikrinkite tarp kiekvieno garsiakalbio gnybto ir kiekvieno maitinimo gnybto.

1. Teigiamas kalbėtojas 1
2. Teigiamas 2 garsiakalbis
3. Neigiamas garsiakalbis 1
4. Neigiamas 2 garsiakalbis

Kiekvienas iš jų turėtų parodyti dalinį laidumą tik vienu būdu, kaip ir diodas.

Jei viskas veikia, sveikiname, ką tik baigėte sunkiausią lentos skyrių. Prisimeni tinkamą įžeminimą, tiesa?

5 veiksmas: sukurkite „MOSFET Gate Drive Signal Generator“

Baigę vartų tvarkyklę ir maitinimo etapą, esate pasiruošę sukurti grandinės dalį, kuri generuoja signalus, nurodančius vartų tvarkyklėms, kokius FET įjungti.

Viską kurkite schemoje „MOSFET tvarkyklės signalų generatorius su negyvu laiku“ir įsitikinkite, kad nepamiršite nė vieno mažyčio kondensatoriaus. Jei jų praleisite, grandinė vis tiek veiks gerai, tačiau neveiks gerai, kai bandysite vairuoti garsiakalbį dėl lyginamųjų parazituojančių svyravimų.

Tada išbandykite grandinę, įvesdami kelių hercų kvadratinę bangą į „MOSFET vairuotojo signalo generatorių su mirusiu laiku“iš savo signalo generatoriaus arba 555 laikmačio grandinės. Prijunkite akumuliatoriaus įtampą prie „HV in“per srovės ribojimo rezistorių.

Prijunkite osciloskopą prie garsiakalbių išėjimų. Turėtumėte keletą kartų per sekundę pakeisti akumuliatoriaus įtampos poliškumą. Niekas neturėtų sušilti, o išvestis turėtų būti graži, aštri kvadratinė banga. Šiek tiek viršijant gerai, jei akumuliatoriaus įtampa ne didesnė kaip 1/3.

Jei išvestis sukuria švarią kvadratinę bangą, tai reiškia, kad viskas, ką iki šiol sukūrėte, veikia. Iki pabaigos liko tik vienas poskyris.

6 žingsnis: lygintuvas, diferencialinis stiprintuvas ir tiesos akimirka

Dabar esate pasirengęs sukurti tą grandinės dalį, kuri iš tikrųjų atlieka D klasės moduliaciją.

Viską sukurkite schemoje "Lygintuvas su histereze" ir "Diferencialinis stiprintuvas grįžtamam ryšiui", taip pat du 5k rezistoriai, kurie palaiko grandinę stabilią, kai niekas nėra prijungtas prie įvesties.

Prijunkite maitinimą prie grandinės (bet dar ne HV) ir patikrinkite, ar U6 2 ir 3 kaiščiai turi būti beveik arti pusės „Vreg“(4 voltai).

Jei abi šios vertės yra teisingos, prie išvesties gnybtų pritvirtinkite žemų dažnių garsiakalbį. prijunkite maitinimą ir HV prie akumuliatoriaus įtampos per srovę ribojantį rezistorių (kaip rezistorių galite naudoti 4 omų ar didesnį žemų dažnių garsiakalbį). Turėtumėte išgirsti nedidelį garsą, o žemų dažnių garsiakalbis neturėtų judėti į vieną ar kitą pusę daugiau nei milimetro. Osciloskopu patikrinkite, ar į NCP5181 vartų tvarkykles įeinantys ir iš jų išeinantys signalai yra švarūs ir turi maždaug 40% veikimo ciklą. Jei taip nėra, sureguliuokite du kintamus rezistorius, kol jie bus. Vartų pavaros bangų dažnis bus mažesnis nei norimas 70-110 KHZ dėl to, kad HV nėra prijungtas prie įtampos stiprintuvo.

Jei vartų pavaros signalai visai nesvyrauja, pabandykite perjungti SPK1 ir SPK2 į diferencialinį stiprintuvą. Jei jis vis tiek neveikia, naudokite osciloskopą, kad surastumėte gedimą. Tai beveik neabejotinai yra lyginamojo ar diferencialinio stiprintuvo grandinėje.

Kai grandinė veikia, palikite prijungtą garsiakalbį ir pridėkite įtampos stiprintuvo modulį, kad įtampa, pasiekianti HV, padidėtų iki maždaug 65–70 voltų (nepamirškite saugiklio). Įjunkite grandinę ir įsitikinkite, kad iš pradžių niekas neįkaista, ypač MOSFET ir induktorius. Toliau stebėkite temperatūrą maždaug 5 minutes. Įprasta, kad induktorius sušyla, kol nėra per karšta nuolat liesti. MOSFETS turi būti ne daugiau kaip šiek tiek šiltas.

Dar kartą patikrinkite vartų pavaros bangų dažnį ir veikimo ciklą. Sureguliuokite 40% darbo ciklą ir įsitikinkite, kad dažnis yra nuo 70 iki 110 Khz. Jei taip nėra, sureguliuokite R10 schemoje, kad ištaisytumėte dažnį. Jei dažnis yra teisingas, esate pasirengęs pradėti garsą su stiprintuvu.

7 veiksmas: garso įvestis ir galutinis testavimas

Dabar, kai pats stiprintuvas veikia patenkinamai, atėjo laikas sukurti įvesties etapą. Kitoje plokštėje (arba toje pačioje, jei turite vietos), sukurkite grandinę pagal schemą, pateiktą šiame žingsnyje (turite ją atsisiųsti), įsitikinkite, kad ji yra uždengta įžemintu metalo gabalu, jei šalia triukšmo komponentai. Prijunkite maitinimą ir įžeminimą prie grandinės iš stiprintuvo, bet dar nejunkite garso signalo. Patikrinkite, ar garso signalas yra maždaug 4 voltų įtampos ir šiek tiek pasikeičia, kai pasukate „DC poslinkio reguliavimo“potenciometrą. Nustatykite 4 voltų potenciometrą ir prijunkite garso įvesties laidą prie likusios grandinės.

Nors schemoje parodyta, kad kaip įvestis naudojamas ausinių lizdas, taip pat galite pridėti „Bluetooth“adapterį, kurio išvestis prijungta prie garso lizdo. „Bluetooth“adapteris gali būti maitinamas 7805 reguliatoriumi. (Aš turėjau 7806 ir diodą nuleidau dar 0,7 volto).

Vėl įjunkite stiprintuvą ir prijunkite kabelį prie įvesties plokštės AUX lizdo. Tikriausiai bus silpna statika.

Jei statika yra per garsi, galite išbandyti keletą dalykų:

• Ar gerai uždengėte įvesties etapą? Lygintuvai taip pat sukelia triukšmą.
• Prie transformatoriaus išvesties pridėkite 100nf kondensatorių.
• Pridėkite 100nf kondensatorių tarp garso išvesties ir žemės ir prieš kondensatorių pastatykite 2k rezistorių.
• Įsitikinkite, kad aux laidas nėra šalia maitinimo šaltinio ar stiprintuvo išvesties kabelių.

Lėtai (per kelias minutes) padidinkite garsumą, užtikrindami, kad niekas neperkaistų ir neiškraipytų. Sureguliuokite stiprinimą taip, kad stiprintuvas nesusilpnėtų, nebent garsumas būtų maksimalus.

Priklausomai nuo induktoriaus šerdies kokybės ir radiatoriaus dydžio, gali būti naudinga sumontuoti mažą ventiliatorių, maitinamą iš 12 voltų bėgio, kad atvėsintumėte stiprintuvą. Tai ypač gera idėja, jei ją įdėsite į dėžutę.