Amplificatore di classe D autooscillante da 350 Watt: 8 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Introduzione e perché ho reso questo istruibile:

Su Internet, ci sono moltissimi tutorial che mostrano alle persone come costruire i propri amplificatori di classe D. Sono efficienti, semplici da capire e utilizzano tutti la stessa topologia generale. C'è un'onda triangolare ad alta frequenza generata da una parte del circuito e viene confrontata con il segnale audio per modulare gli interruttori di uscita (quasi sempre MOSFET) on e off. La maggior parte di questi design "fai da te Classe D" non ha feedback e quelli che suonano puliti solo nella regione dei bassi. Fanno amplificatori subwoofer in qualche modo accettabili, ma hanno una distorsione significativa nelle regioni degli alti. Quelli senza feedback, a causa del tempo morto richiesto per la commutazione MOSFET, hanno una forma d'onda di uscita che assomiglia a un'onda triangolare, al contrario di un'onda sinusoidale. Sono presenti significative armoniche indesiderate, che portano a una notevole diminuzione della qualità del suono che fa suonare la musica come se esce da una tromba. Il suono un po' trombato e non così incisivo del mio precedente amplificatore in classe D è il motivo per cui ho deciso di ricercare e costruire un amplificatore utilizzando questa topologia oscura e sottoutilizzata.

Tuttavia, il classico "comparatore d'onda triangolare" non è l'unico modo per costruire un amplificatore di classe D. C'è un modo migliore. Invece di avere un oscillatore che modula il segnale, perché non rendere l'intero amplificatore l'oscillatore? I MOSFET di uscita sono pilotati (attraverso un opportuno circuito di pilotaggio) dall'uscita di un comparatore con l'ingresso positivo che riceve l'audio in ingresso e l'ingresso negativo che riceve una versione (ridotta) della tensione di uscita dell'amplificatore. L'isteresi viene utilizzata nel comparatore per regolare la frequenza di funzionamento e prevenire modalità di risonanza instabili e ad alta frequenza. Inoltre, una rete di soppressione RC viene utilizzata attraverso l'uscita per sopprimere il suono alla frequenza di risonanza del filtro di uscita e ridurre lo sfasamento a circa 90 gradi alla frequenza operativa dell'amplificatore di circa 100 Khz. L'omissione di questo semplice ma critico filtro causerà l'autodistruzione dell'amplificatore, poiché potrebbero essere generate tensioni di diverse centinaia di volt, distruggendo istantaneamente i condensatori del filtro.

Principio di funzionamento:

Supponiamo che l'amplificatore venga avviato per primo e che tutte le tensioni siano a zero. A causa della sua isteresi, il comparatore deciderà di tirare l'uscita in positivo o in negativo. Per questo esempio, assumeremo che il comparatore estragga l'uscita negativa. Entro poche decine di microsecondi, la tensione di uscita dell'amplificatore è diminuita abbastanza da capovolgere il comparatore e inviare nuovamente la tensione, e questo ciclo si ripete da 60 a 100 mila volte al secondo, mantenendo la tensione desiderata in uscita. A causa dell'elevata impedenza dell'induttore del filtro e della bassa impedenza del condensatore del filtro a questa frequenza, non c'è molto rumore sull'uscita e, a causa dell'elevata frequenza operativa, è molto al di sopra della gamma udibile. Se la tensione di ingresso aumenta, la tensione di uscita aumenterà abbastanza che la tensione di retroazione raggiunga la tensione di uscita. In questo modo si ottiene l'amplificazione.

Vantaggi rispetto alla classe standard D:

1. Impedenza di uscita estremamente bassa: poiché i MOSFET di uscita non torneranno indietro fino al raggiungimento della tensione di uscita desiderata dopo il filtro, l'impedenza di uscita è praticamente zero. Anche con una differenza di 0,1 volt tra la tensione di uscita effettiva e quella desiderata, il circuito scaricherà gli amplificatori nell'uscita fino a quando la tensione non ribalta il comparatore (o qualcosa salta).

2. Capacità di pilotare in modo pulito carichi reattivi: a causa dell'impedenza di uscita estremamente bassa, la classe D auto-oscillante può pilotare sistemi di altoparlanti a più vie con grandi cali e picchi di impedenza con una distorsione armonica molto ridotta. I sistemi subwoofer portati con bassa impedenza alla frequenza di risonanza della porta sono un ottimo esempio di un altoparlante che un amplificatore "confronto d'onda triangolare" senza feedback farebbe fatica a pilotare bene.

3. Ampia risposta in frequenza: all'aumentare della frequenza, l'amplificatore tenterà di compensare variando maggiormente il ciclo di lavoro per mantenere la tensione di feedback abbinata alla tensione di ingresso. A causa dell'attenuazione del filtro delle alte frequenze, le alte frequenze inizieranno a tagliare a un livello di tensione inferiore rispetto a quelle inferiori, ma a causa della musica che ha molta più potenza elettrica nei bassi rispetto agli alti (approssimativamente una distribuzione 1/f, più se si usa il bass boost), questo non è un problema.

4. Stabilità: se progettato correttamente e con una rete di snubber in atto, il margine di fase di quasi 90° del filtro di uscita alla frequenza operativa assicura che l'amplificatore non diventi instabile, anche se si guidano carichi pesanti sotto forte clipping. Soffierai qualcosa, probabilmente i tuoi altoparlanti o subwoofer, prima che l'amplificatore diventi instabile.

5. Efficienza e dimensioni ridotte: a causa della natura autoregolante dell'amplificatore, l'aggiunta di molti tempi morti alle forme d'onda di commutazione MOSFET non influisce sulla qualità del suono. Efficienze a pieno carico di oltre il 90% sono possibili con un induttore e MOSFET di buona qualità (io uso gli IRFB4115 nel mio amplificatore). Di conseguenza, è sufficiente un dissipatore di calore relativamente piccolo sui FET ed è necessaria una ventola solo se si opera all'interno di un involucro isolato ad alta potenza.

Passaggio 1: parti, materiali di consumo e prerequisiti

Prerequisiti:

Costruire qualsiasi tipo di circuito ad alta potenza, specialmente uno progettato per riprodurre l'audio in modo pulito, richiede una conoscenza dei concetti di base dell'elettronica. Avrai bisogno di sapere come funzionano condensatori, induttori, resistori, MOSFET e amplificatori operazionali e come progettare correttamente un circuito di gestione dell'alimentazione. Devi anche sapere come saldare i componenti a foro passante e come utilizzare lo stripboard (o costruire un PCB). Questo tutorial è rivolto a persone che hanno già costruito circuiti moderatamente complicati. Non è necessaria una vasta conoscenza analogica, poiché la maggior parte dei sottocircuiti in qualsiasi amplificatore di classe D si occupa solo di due livelli di tensione: acceso o spento.

Dovrai anche sapere come utilizzare un oscilloscopio (solo le funzioni di base) e come eseguire il debug di circuiti che non funzionano come previsto. È molto probabile, con un circuito di questa complessità, che finirai per avere un sottocircuito che non funziona la prima volta che lo costruisci. Trova e risolvi il problema prima di passare al passaggio successivo, il debug di un sottocircuito è molto più semplice che cercare di trovare un guasto da qualche parte nell'intera scheda. L'uso dell'oscilloscopio è necessario per trovare oscillazioni indesiderate e verificare che i segnali abbiano l'aspetto che dovrebbero.

Suggerimenti generali:

Su qualsiasi amplificatore di classe D, avrai alte tensioni e correnti che commutano ad alte frequenze, il che ha il potenziale per generare una buona quantità di rumore. Avrai anche circuiti audio a bassa potenza che sono sensibili al rumore e lo raccoglieranno e lo amplificheranno. Lo stadio di ingresso e lo stadio di potenza dovrebbero trovarsi alle estremità opposte della scheda.

È essenziale anche una buona messa a terra, soprattutto nello stadio di potenza. Assicurati che i fili di terra passino direttamente dal terminale negativo a ciascun gate driver e comparatore. È difficile avere troppi fili di terra. Se lo stai facendo su un circuito stampato, usa un piano di massa per la messa a terra.

Parti di cui avrai bisogno:

(Inviami un messaggio se ne ho perso qualcuno, sono abbastanza sicuro che questo sia un elenco completo)

(Tutto ciò che è etichettato come HV deve essere valutato almeno per la tensione potenziata per pilotare l'altoparlante, preferibilmente di più)

(Molti di questi possono essere recuperati dall'elettronica e dagli elettrodomestici gettati in un cassonetto, in particolare i condensatori)

• Alimentatore a 24 volt in grado di 375 watt (ho usato una batteria al litio, se si utilizza una batteria assicurarsi di avere un LVC (interruzione di bassa tensione))
• Convertitore di potenza boost in grado di fornire 350 watt a 65 volt. (Cerca "Convertitore di potenza Yeeco 900 watt" su Amazon e troverai quello che ho usato.)
• "Perf board" o proto-board su cui costruire tutto. Consiglio di avere almeno 15 pollici quadrati con cui lavorare per questo progetto, 18 se si desidera costruire la scheda di input sulla stessa scheda.
• Dissipatore su cui montare i MOSFET
• Condensatore 220uf
• Condensatore 2x 470uf, uno deve essere valutato per la tensione di ingresso (non HV)
• Condensatore 2x 470nf
• 1x condensatore 1nf
• Condensatore ceramico 12x 100nf (oppure puoi usare poli)
• 2x 100nf Poly condensatore [HV]
• 1x condensatore Poly 1uf [HV]
• 1x 470uf LOW ESR condensatore elettrolitico [HV]
• 2x diodo 1n4003 (qualsiasi diodo in grado di sopportare 2*HV o più va bene)
• 1x fusibile da 10 amp (o un pezzo corto di cavo 30AWG su una morsettiera)
• 2x induttore da 2,5 mh (o avvolgi il tuo)
• 4x IRFB4115 MOSFET di potenza [HV] [Deve essere GENUINO!]
• Resistori assortiti, puoi prenderli da eBay o Amazon per pochi dollari
• Potenziometri trimmer 4x 2k
• 2x KIA4558 Op amp (o amplificatori operazionali audio simili)
• 3 comparatori LM311
• 1x 7808 regolatore di tensione
• 1x scheda convertitore buck "Lm2596", li puoi trovare su eBay o Amazon per pochi dollari
• 2x NCP5181 gate driver IC (potresti farne saltare un po ', ottenere di più) [Deve essere GENUINO!]
• Header a 3 pin per il collegamento alla scheda di input (o più pin per rigidità meccanica)
• Cavi o morsettiere per altoparlanti, alimentazione, ecc
• Cavo di alimentazione 18AWG (per il cablaggio dello stadio di potenza)
• Cavo di collegamento 22 AWG (per il cablaggio di tutto il resto)
• Trasformatore audio a bassa potenza da 200 ohm per lo stadio di ingresso
• Piccola ventola del computer 12v/200ma (o meno) per raffreddare l'amplificatore (opzionale)

Strumenti e forniture:

• Oscilloscopio con risoluzione di almeno 2us/div con una sonda 1x e 10x (è possibile utilizzare una resistenza da 50k e 5k per creare la propria sonda 10x)
• Multimetro che può fare tensione, corrente e resistenza
• Saldatore e saldatore (io uso Kester 63/37, BUONA QUALITÀ senza piombo funziona anche se sei esperto)
• Ventosa di saldatura, stoppino, ecc. Farai errori su un circuito così grande, specialmente quando si salda l'induttore, è un dolore.
• Tagliafili e spellafili
• Qualcosa che possa generare un'onda quadra di pochi HZ, come una breadboard e un timer 555

Passaggio 2: scopri come funziona la classe D autooscillante (opzionale ma consigliato)

Prima di iniziare, è una buona idea conoscere come funziona effettivamente il circuito. Sarà di grande aiuto per qualsiasi problema che potresti avere in seguito e ti aiuterà a capire cosa fa ogni parte dello schema completo.

La prima immagine è un grafico prodotto da LTSpice che mostra la risposta dell'amplificatore a una variazione istantanea della tensione di ingresso. Come puoi vedere dal grafico, la linea verde cerca di seguire la linea blu. Non appena l'input cambia, la linea verde sale il più velocemente possibile e si stabilizza con un superamento minimo. La linea rossa è la tensione dello stadio di uscita prima del filtro. Dopo la modifica, l'amplificatore si stabilizza rapidamente e ricomincia a oscillare attorno al punto di regolazione.

La seconda immagine è lo schema elettrico di base. L'ingresso audio viene confrontato con il segnale di feedback, che genera un segnale per guidare lo stadio di uscita per avvicinare l'uscita all'ingresso. L'isteresi nel comparatore fa sì che il circuito oscilli intorno alla tensione desiderata a una frequenza troppo alta perché le orecchie o gli altoparlanti possano rispondere.

Se hai LTSpice, puoi scaricare e giocare con il file schematico.asc. Prova a cambiare r2 per cambiare la frequenza e guarda il circuito impazzire mentre rimuovi lo snubber che smorza l'eccessiva oscillazione attorno al punto di risonanza del filtro LC.

Anche se non hai LTSpice, studiare le immagini ti darà una buona idea di come funziona il tutto. Ora passiamo alla costruzione.

Passaggio 3: costruire l'alimentatore

Prima di iniziare a saldare qualsiasi cosa, dai un'occhiata allo schema e al layout di esempio. Lo schema è un SVG (grafica vettoriale), quindi una volta scaricato puoi ingrandire quanto vuoi senza perdere la risoluzione. Decidi dove posizionare tutto sulla scheda, quindi costruisci l'alimentatore. Collegare la tensione della batteria e la messa a terra e assicurarsi che nulla si surriscaldi. Usa un multimetro per regolare la scheda "lm2596" in modo che emetta 12 volt e controlla che il regolatore 7808 emetta 8 volt.

Questo è tutto per l'alimentatore.

Passaggio 4: costruire lo stadio di uscita e il driver del gate

Di tutto il processo di costruzione, questo è il passaggio più difficile di tutti. Costruisci tutto nel "Circuito del gate driver" e nello "Stadio di potenza" nello schema, assicurandoti che i FET siano collegati al dissipatore di calore.

Nello schema, vedrai fili che sembrano non andare da nessuna parte e diranno "vDrv". Queste sono chiamate etichette nello schema e tutte le etichette con lo stesso testo vengono collegate tra loro. Collegare tutti i cavi etichettati "vDrv" all'uscita della scheda del regolatore 12v.

Dopo aver completato questa fase, alimentare questo circuito con un'alimentazione a corrente limitata (è possibile utilizzare un resistore in serie con l'alimentatore) e assicurarsi che nulla si surriscaldi. Provare ad agganciare ciascuno dei segnali di ingresso al gate driver a 8v dall'alimentatore (uno alla volta) e verificare che vengano pilotati i gate corretti. Dopo aver verificato di sapere che l'azionamento del cancello funziona.

A causa dell'azionamento del gate che utilizza un circuito di bootstrap, non è possibile testare l'uscita direttamente misurando la tensione di uscita. Metti il multimetro sul controllo del diodo e controlla tra ciascun terminale dell'altoparlante e ciascun terminale di alimentazione.

1. Positivo all'altoparlante 1
2. Positivo all'altoparlante 2
3. Negativo all'altoparlante 1
4. Negativo all'altoparlante 2

Ciascuno dovrebbe mostrare la conduttività parziale solo in un modo, proprio come un diodo.

Se tutto funziona, congratulazioni, hai appena finito la sezione più difficile del tabellone. Ti sei ricordato della corretta messa a terra, vero?

Passaggio 5: creare un generatore di segnale MOSFET Gate Drive

Una volta che hai finito il gate driver e lo stadio di potenza, sei pronto per costruire la parte del circuito che genera i segnali che dicono ai gate driver quali FET accendere e a che ora.

Costruisci tutto nel "mosfet driver signal generator with dead time" nello schema, assicurandoti di non dimenticare nessuno dei minuscoli condensatori. Se li ometti, il circuito funzionerà comunque bene, ma non funzionerà bene quando proverai a pilotare un altoparlante a causa delle oscillazioni parassitarie dei comparatori.

Quindi, testare il circuito alimentando un'onda quadra di pochi hertz nel "generatore di segnale del driver MOSFET con tempo morto" dal generatore di segnale o dal circuito del timer 555. Collegare la tensione della batteria a "HV in" tramite un resistore di limitazione della corrente.

Collega un oscilloscopio alle uscite degli altoparlanti. Dovresti ottenere l'inversione di polarità della tensione della batteria alcune volte al secondo. Niente dovrebbe scaldarsi e l'uscita dovrebbe essere una bella onda quadra nitida. Un piccolo superamento va bene, purché non sia superiore a 1/3 di tensione della batteria.

Se l'output produce un'onda quadra pulita, significa che tutto ciò che hai costruito finora funziona. Manca solo un sottocircuito fino al completamento.

Passaggio 6: comparatore, amplificatore differenziale e momento della verità

Ora sei pronto per costruire la parte del circuito che esegue effettivamente la modulazione di classe D.

Costruisci tutto nel "Comparatore con isteresi" e "Amplificatore differenziale per feedback" nello schema, così come i due resistori da 5k che mantengono stabile il circuito quando nulla è collegato all'ingresso.

Collegare l'alimentazione al circuito (ma non ancora HV in) e verificare che i pin 2 e 3 di U6 dovrebbero essere entrambi molto vicini alla metà di Vreg (4 volt).

Se entrambi i valori sono corretti, collegare un subwoofer ai terminali di uscita. collegare l'alimentazione e l'alta tensione alla tensione della batteria tramite un resistore di limitazione della corrente (è possibile utilizzare un subwoofer da 4 ohm o superiore come resistore). Dovresti sentire un piccolo schiocco e il subwoofer non dovrebbe muoversi in una direzione o nell'altra per più di un millimetro o giù di lì. Verificare con un oscilloscopio che i segnali in entrata e in uscita dai gate driver NCP5181 siano puliti e abbiano un ciclo di lavoro di circa il 40% ciascuno. In caso contrario, regolare i due resistori variabili finché non lo sono. La frequenza delle onde di pilotaggio del gate sarà inferiore ai 70-110 KHZ desiderati a causa del fatto che l'alta tensione non è collegata all'amplificatore di tensione.

Se i segnali di pilotaggio del gate non oscillano affatto, prova a commutare SPK1 e SPK2 andando all'amplificatore differenziale. Se ancora non funziona, usa un oscilloscopio per rintracciare il guasto. È quasi certamente nel comparatore o nel circuito dell'amplificatore differenziale.

Una volta che il circuito funziona, lascia l'altoparlante collegato e aggiungi il modulo booster di tensione per aumentare la tensione che va ad HV a circa 65-70 volt (ricorda il fusibile). Accendi il circuito e assicurati che inizialmente nulla si surriscaldi, specialmente i MOSFET e l'induttore. Continua a monitorare le temperature per circa 5 minuti. È normale che l'induttore si scaldi, purché non sia troppo caldo per essere toccato continuamente. I MOSFET non dovrebbero essere più che leggermente caldi.

Controllare nuovamente la frequenza e il ciclo di lavoro delle onde di pilotaggio del gate. Regolare per un ciclo di lavoro del 40% e assicurarsi che la frequenza sia compresa tra 70 e 110 Khz. In caso contrario, regolare R10 nello schema per correggere la frequenza. Se la frequenza è corretta, sei pronto per iniziare a riprodurre il suono con l'amplificatore.

Passaggio 7: ingresso audio e test finale

Ora che l'amplificatore stesso funziona in modo soddisfacente, è il momento di costruire lo stadio di ingresso. Su un'altra scheda (o la stessa se hai spazio), costruisci il circuito secondo lo schema fornito con questo passaggio (devi scaricarlo), assicurandoti che sia schermato con un pezzo di metallo messo a terra se vicino a qualsiasi rumore che genera componenti. Collega l'alimentazione e la massa al circuito dall'amplificatore, ma non collegare ancora il segnale audio. Verificare che il segnale audio sia a circa 4 volt e cambi leggermente quando si ruota il potenziometro "regolazione offset DC". Regolare il potenziometro per 4 volt e saldare il cavo di ingresso audio al resto del circuito.

Sebbene lo schema mostri l'utilizzo di un jack per cuffie come ingresso, puoi anche aggiungere un adattatore bluetooth con la sua uscita cablata al punto in cui si trova il jack audio. L'adattatore bluetooth può essere alimentato da un regolatore 7805. (Ho avuto un 7806 e ho usato un diodo per far cadere altri 0,7 volt).

Accendere nuovamente l'amplificatore e collegare un cavo al jack AUX sulla scheda di ingresso. Probabilmente ci sarà qualche debole elettricità statica.

Se l'elettricità statica è troppo forte ci sono un paio di cose che puoi provare:

• Hai schermato bene lo stadio di ingresso? Anche i comparatori generano rumore.
• Aggiungi un condensatore da 100nf attraverso l'uscita del trasformatore.
• Aggiungi un condensatore da 100nf tra l'uscita audio e la massa e posiziona un resistore da 2k in linea prima del condensatore.
• Assicurati che il cavo aux non sia vicino ai cavi di alimentazione o di uscita dell'amplificatore.

Lentamente (per diversi minuti) alza il volume, assicurandoti che nulla si surriscaldi o distorca. Regolare il guadagno in modo che l'amplificatore non registri a meno che il volume non sia al massimo.

A seconda della qualità del nucleo dell'induttore e delle dimensioni del dissipatore di calore, potrebbe essere una buona idea aggiungere una piccola ventola, alimentata dal binario da 12 V, per raffreddare l'amplificatore. Questa è un'idea particolarmente buona se lo metti in una scatola.