Vysvetlené 4 efektívne zosilňovače PWM

Audio zosilňovače, ktoré sú určené na zosilnenie analógového zvukového signálu prostredníctvom pulznej šírkovej modulácie alebo spracovania PWM a s nastaviteľným pracovným cyklom, sú známe pod mnohými názvami, vrátane digitálneho zosilňovača, zosilňovača triedy D, spínaného zosilňovača a PWM zosilňovača.

Pretože môže pracovať s vysokou účinnosťou, a Zosilňovač triedy D. sa stal obľúbeným konceptom pre mobilné a rozhlasové aplikácie, kde je skreslenie zanedbateľné.

Prečo sú zosilňovače PWM také efektívne

Je to preto, lebo prevádzajú analógový zvukový signál na ekvivalentný obsah modulovaný PWM. Tento modulovaný zvukový signál PWM je účinne zosilnený výstupnými zariadeniami, ako sú MOSFET alebo BJT, a potom je prevedený späť do vysoko výkonnej analógovej verzie pomocou špeciálnych tlmiviek cez pripojené reproduktory.

My to vieme polovodič zariadenia ako napr MOSFET a BJT „nepáči sa mi“, aby boli prevádzkované v nedefinovaných oblastiach vstupného signálu a majú tendenciu byť horúce. Napríklad a MOSFET sa nebude správne zapínať, keď sú signály hradla nižšie ako 8 V, a BJT nebudú správne reagovať pri základnom pohone menšom ako 0,5 V, čo bude mať za následok vysoký odvod tepla cez chladič ich tela.

Analógové signály, ktoré sú svojou povahou exponenciálne, nútia vyššie uvedené zariadenia pracovať s nepohodlným a nepriaznivým potenciálom pomalého a pomalého rastu, čo spôsobuje vysoký odvod tepla a väčšiu neefektivitu.

PWM koncept zosilnenia naopak umožňuje týmto zariadeniam pracovať buď ich úplným zapnutím, alebo úplným vypnutím bez medzidefinovaných potenciálov. Z tohto dôvodu zariadenia nevyžarujú žiadne teplo a zosilnenie zvuku je poskytované s vysokou účinnosťou a minimálnymi stratami.

Výhody digitálneho zosilňovača v porovnaní s lineárnym zosilňovačom

• Digitálne alebo PWM zosilňovače používajú PWM spracovanie, a preto výstupné zariadenia zosilňujú signály s minimálnym odvodom tepla. Lineárne zosilňovače používajú konštrukciu sledovača emitorov a odvádzajú vysoké množstvo tepla počas zosilňovania zvuku.
• Digitálne zosilňovače môžu pracovať s menším počtom zariadení s výstupným výkonom v porovnaní s lineárnymi zosilňovačmi.
• Vzhľadom na minimálny odvod tepla nie sú potrebné žiadne chladiče ani menšie chladiče v porovnaní s lineárnymi zosilňovačmi, ktoré sú závislé od veľkých chladičov.
• Digitálne zosilňovače PWM sú lacnejšie, ľahšie a vysoko efektívne v porovnaní s lineárnymi zosilňovačmi.
• Digitálne zosilňovače môžu pracovať s menšími vstupmi napájania ako lineárne zosilňovače.

V tomto príspevku je prvý výkonový zosilňovač PWM uvedený nižšie napájaný z 6 V batérie a generuje výstupný výkon až 5 W. Vzhľadom na svoju očividnú výstupnú kapacitu sa zosilňovač PWM často nachádza v megafónoch.

Spoločným problémom mobilných zosilňovačov AF je, že kvôli ich nízkej účinnosti je ťažké vyrobiť vysoký výkon z nízkeho napájacieho napätia.

Avšak zosilňovač PWM v našej diskusii má takmer 100% účinnosť na úrovni skreslenia, ktorá je prijateľná pre megafóny a súvisiace P.A. zariadenia. Ďalej je vysvetlených niekoľko faktorov, ktoré prispievajú k návrhu.

Pulzná šírková modulácia

Princíp pulznej šírkovej modulácie (PWM) je znázornený na obrázku 1 nižšie.

Koncept je jednoduchý: pracovný cyklus obdĺžnikového signálu vyššej frekvencie je riadený vstupným signálom. Čas zapnutia impulzu je relatívny k okamžitej amplitúde vstupného signálu.

Množstvo času zapnutia a vypnutia okrem frekvencie je konštantné. Preto keď chýba vstupný signál, vytvorí sa symetrický signál s obdĺžnikovou vlnou.

Na dosiahnutie relatívne dobrej kvality zvuku musí byť frekvencia obdĺžnikového signálu dvojnásobná ako najvyššia frekvencia vo vstupnom signáli.

Výsledný signál sa môže použiť na napájanie reproduktora. Obrázok 4 zobrazuje jasnú konverziu v stope osciloskopu.

Horná stopa zobrazuje následnú filtráciu výstupného signálu a meria sa cez reproduktor. Amplitúda zostávajúcich Signál PWM že sa prekrýva sínusoida je malá.

Elektronické spínače ako zosilňovače

Obrázok 2 popisuje štandardnú činnosť zosilňovača PWM pomocou blokového diagramu.

Predpokladajme, že keď je vstup skratovaný, prepnite spínač S_donapája kondenzátor C₇s prúdom I_dva. Toto nasleduje, kým sa nedosiahne vhodná horná hranica spínacieho napätia.

Potom spojí R.₇k zemi. Potom C₇sa vybije na spodnú hranicu spínacieho napätia S_do. Výsledkom bolo, že C₇a R.₇produkuje obdĺžnikovú vlnu s frekvenciou 50 kHz.

Keď sa na vstup zosilňovača privádza AF signál, prídavný prúd I₁relatívne skracuje alebo zvyšuje dobu nabíjania alebo zvyšuje a skracuje dobu vybíjania.

Takže vstupný signál upravuje činiteľ signálu obdĺžnikového signálu, ktorý je viditeľný na výstupe z reproduktora.

Existujú dva zákony, ktoré sú nevyhnutné pre základnú činnosť zosilňovača PWM.

1. Prvým je prepínač S_bje riadený v anti-fáze so S_dozatiaľ čo držíte druhý terminál reproduktora ako alternatívne napätie k napätiu signálu PWM.

Toto nastavenie produkuje výsledok výstupného stupňa spínacieho mostíka. Potom je reproduktor pri každej polarite vynútený na celé napájacie napätie, aby sa dosiahla maximálna spotreba prúdu.

2. Po druhé, pozrieme sa na induktory L₁a L_dva. Účelom induktorov je integrovať obdĺžnikový signál a previesť ich na sínusový tvar, ako je to znázornené v stope rozsahu skôr. Ďalej tiež fungujú a potláčajú harmonické kmity obdĺžnikového signálu 50 kHz.

Vysoký zvukový výstup so skromným dizajnom

Zo schémy na vyššie uvedenom obrázku môžete ľahko identifikovať elektronické súčiastky použité v blokovej schéme.

Niekoľko častí, ako je odpor R1, spojovacie kondenzátory C₁a C.₄, regulácia hlasitosti P₁a zosilňovač založený na operačnom zosilňovači A₁robí predpätie pre kondenzátorový (alebo elektrostatický) mikrofón.

Celá táto operácia vytvára vstupný segment zosilňovača PWM. Ako už bolo uvedené, prepínače S_doa S_bsú postavené elektronickými spínačmi ES₁do ES₄a páry tranzistorov T₁-T₃a T_dva-T₄.

Indikácie častí pre elektronické komponenty, ktoré konštruujú generátor PWM, sa týkajú tých, ktoré sú opísané v blokovej schéme.

Zosilňovač PWM je pravdepodobne neobvykle efektívny, pretože výstupné tranzistory sa nezahrievajú, ani keď sú vynútené pri stave všetkých pohonov. Stručne povedané, vo výstupnom stupni výkonu je prakticky nulový rozptyl.

Najdôležitejší faktor, ktorý musíte vziať do úvahy pred výberom tlmiviek L₁a L_dvaje to, že musia byť schopné usmerniť 3 A bez toho, aby sa nasýtili.

Skutočná indukčnosť je až na druhom mieste. Napríklad tlmivky použité v tomto projekte boli získané zo stmievača svetla.

Účel diód D₃do D₆má obsahovať spätný EMF produkovaný tlmivkami na primerane bezpečnú hodnotu.

Navyše neinvertujúci vstup operačného zosilňovača A₁je tvorený D₁, C.₃, D_dvaa R.₃. Toto vstupné napätie, efektívne filtrované, sa rovná polovici napájacieho napätia.

Pri použití tradičného zosilňovača zosilňovača zosilňovača je zosilnenie napätia priradené slučkou negatívnej spätnej väzby. R₄a R.₅nastaví zisk na 83, aby sa zabezpečila dostatočná citlivosť mikrofónu.

V prípade, že používate zdroje vysokej impedancie, R₄je možné podľa potreby zosilniť.

Ľ₁a L_dvaspôsobiť fázový posun, a preto je možná spätná väzba pomocou signálu obdĺžnikového tvaru na kolektore T₁v porovnaní so sínusovým reproduktorovým signálom.

V kombinácii s C.₅operačný zosilňovač poskytuje významnú integráciu spätnoväzbového signálu PWM.

Systém spätnej väzby zmenšuje skreslenie zosilňovača, ale nie tak výrazne, aby ste ho mohli použiť aj na iné použitie okrem rozhlasu.

Normálne by sa pre zosilňovač triedy D s nízkym skreslením vyžadovalo výrazne zvýšené množstvo napájacieho napätia a zložitá konštrukcia obvodu.

Implementácia tohto nastavenia by narušila celkovú účinnosť obvodu. Pri výbere elektronických prepínačov v zosilňovači buďte opatrní, pretože typy HCMOS sú vhodné.

Typický CMOS typ 4066 je extrémne pomalý a nevhodný na spustenie „skratu“ cez T₁-T₃a T_dva-T₄. Nielen to, ale existuje aj zvýšené riziko prepracovania alebo dokonca trvalého poškodenia zosilňovača.

Zosilňovač PWM pre aplikáciu megafónu

Elektronickí nadšenci uprednostňujú použitie zosilňovača triedy D na napájanie reproduktora klaksónu, pretože dokáže vydávať najhlasnejší zvuk pre zvolenú úroveň výkonu.

Model zosilňovača sa dal ľahko zostaviť pomocou 6 V akumulátora a reproduktora s tlakovou komorou.

Existujúce 4 W výstupného výkonu boli merateľné v megafóne so slušným zvukovým rozsahom.

Na napájanie megafónu boli do série zapojené štyri 1,5 V suché batérie alebo alkalické monočlánky. Ak chcete toto nastavenie používať často, rozhodnite sa pre nabíjateľnú batériu NiCd alebo gélového typu (Dryfit).

Pretože maximálna prúdová spotreba megafónu je 0,7 A, je vhodný štandardný alkalický roztok, ktorý podporuje prevádzku po dobu 24 hodín pri plnom výstupnom výkone.

Ak plánujete nepretržité použitie, výber sady suchých článkov bude viac než dosť.

Majte na pamäti, že nech použijete akýkoľvek zdroj energie, nikdy nesmie prekročiť 7 V.

Dôvodom sú prepínače HCMOS v IC₁by pri tejto úrovni napätia alebo vyššej nefungovali správne.

Našťastie pre zosilňovač je maximálna prahová hodnota napájacieho napätia vyššia ako 11 V.

Dizajn dosiek plošných spojov pre vyššie vysvetlený zosilňovač triedy PWM triedy D je uvedený nižšie:

Ďalší dobrý PWM zosilňovač

Dobre navrhnutý zosilňovač PWM bude obsahovať symetrický generátor obdĺžnikových vĺn.

Pracovný cyklus tejto obdĺžnikovej vlny je modulovaný zvukovým signálom.

Namiesto lineárneho fungovania pracujú výstupné tranzistory ako spínače, takže sú buď úplne zapnuté, alebo vypnuté. V nečinnom stave je pracovný cyklus krivky 50%.

To znamená, že každý výstupný tranzistor je úplne nasýtený alebo rovnako známy ako vodič, a to po rovnakú dobu. Vďaka tomu je priemerné výstupné napätie nulové.

To znamená, že ak jeden zo spínačov zostane zopnutý o niečo dlhšie ako druhý, priemerné výstupné napätie bude buď záporné alebo kladné v závislosti od polarity vstupného signálu.

Preto môžeme pozorovať, že priemerné výstupné napätie je vo vzťahu k vstupnému signálu. Je to preto, že výstupné tranzistory fungujú úplne ako prepínače, a preto vo výstupnom stupni dochádza k mimoriadne nízkym stratám výkonu.

Dizajn

Obrázok 1 zobrazuje celú schému zosilňovača PWM triedy D. Vidíme, že zosilňovač PWM nemusí byť príliš zložitý.

Vstupný zvukový signál sa privádza do operačného zosilňovača IC1, ktorý funguje ako komparátor. Toto nastavenie vedie niekoľko Schmittových spúšťačov, ktoré sú zapojené paralelne s obvodom.

Sú tam z dvoch dôvodov. Po prvé, musí existovať „štvorcový“ priebeh a po druhé, pre výstupný stupeň je potrebný primeraný prúd základného pohonu. V tejto fáze sú nainštalované dva jednoduché, ale rýchle tranzistory (BD137 / 138).

Celý zosilňovač osciluje a generuje obdĺžnikovú vlnu. Dôvodom je jeden vstup z komparátora (IC1), ktorý je pripojený k výstupu prostredníctvom siete RC.

Ďalej sú obidva vstupy IC1 predpäté na prvú polovicu napájacieho napätia použitím deliča napätia R3 / R4.

Zakaždým, keď je výstup IC1 nízky a žiariče T1 / T2 vysoké, dôjde k nabitiu kondenzátora C3 cez rezistor R7. Súčasne dôjde k zvýšeniu napätia na neinvertujúcom vstupe.

Akonáhle toto stupňujúce sa napätie prekročí úroveň inverzného putovania, výstup z IC1 sa prepne z nízkeho na vysoký.

Emisory T1 / T2 následne prechádzajú z vysokých na nízke. Táto podmienka umožňuje, aby sa C3 vybila cez R7 a napätie na plusovom vstupe pokleslo pod napätie na mínusovom vstupe.

Výstup IC1 sa tiež vráti do nízkeho stavu. Nakoniec sa vytvorí výstup obdĺžnikovej vlny na frekvencii určenej R7 a C3. Poskytnuté hodnoty generujú osciláciu pri 700 kHz.

Pomocou oscilátor , môžeme modulovať frekvenciu. Úroveň invertujúceho vstupu IC1, ktorá sa zvyčajne používa ako referencia, nezostáva konštantná, ale je určená zvukovým signálom.

Amplitúda ďalej určuje presný bod, v ktorom sa výstup komparátora začína meniť. Následne je „hrúbka“ štvorcových vĺn pravidelne modulovaná zvukovým signálom.

Aby sa zabezpečilo, že zosilňovač nebude fungovať ako vysielač 700 kHz, musí sa na jeho výstupe vykonať filtrovanie. Sieť LC / RC obsahujúca L1 / C6 a C7 / R6 odvádza dobrú prácu ako a filter .

Technické špecifikácie

• Zosilňovač vybavený záťažou 8 ohmov a napájacím napätím 12 V generoval 1,6 W.
• Pri použití 4 ohmov sa výkon zvýšil na 3 W. Pre také malé rozptýlené teplo nie je potrebné chladenie výstupných tranzistorov.
• Je dokázané, že harmonické skreslenie je pre jednoduchý obvod ako je tento, nezvyčajne nízke.
• Úroveň celkového harmonického skreslenia bola nižšia ako 0,32% z meraného rozsahu 20 Hz až 20 000 Hz.

Na obrázku nižšie vidíte DPS a rozloženie častí zosilňovača. Čas a náklady na zostavenie tohto okruhu sú veľmi nízke, takže predstavuje vynikajúcu šancu pre každého, kto sa snaží lepšie porozumieť PWM.

Zoznam položiek

Rezistory:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohmov
P1 = 100k logaritmický potenciometer
Kondicionér;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100 μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Polovodiče:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Zmiešaný:
L1 = 39 μH induktor

Jednoduchý 3 tranzistorový obvod zosilňovača triedy D

Vynikajúca účinnosť zosilňovača PWM je taká, že výstup 3 W je možné vyrobiť s BC107 použitým ako výstupný tranzistor. Ešte lepšie je, že nevyžaduje chladič.

Zosilňovač obsahuje napäťovo riadený oscilátor šírky impulzu pracujúci okolo 6 kHz a vynucujúci výstupný stupeň triedy D.

Existujú iba dva scenáre - úplný alebo úplne vypnutý. Z tohto dôvodu je rozptyl neuveriteľne malý a následne poskytuje vysokú účinnosť. Výstupný priebeh nevyzerá ako vstup.

Integrál výstupných a vstupných kriviek je však navzájom relatívne k času.

Predložená tabuľka hodnôt komponentov ukazuje, že je možné vyrobiť akýkoľvek zosilňovač s výstupmi od 3 W do 100 W. Vzhľadom na to je možné dosiahnuť silnejšie výkony až do 1 kW.

Nevýhodou je, že vytvára asi 30% skreslenia. Vo výsledku je možné zosilňovač použiť iba na zosilnenie zvuku. Je vhodný pre systémy miestneho rozhlasu, pretože prejav je neuveriteľne zrozumiteľný.

Digitálny zosilňovač

Nasledujúca koncepcia ukazuje, ako je možné použiť klopný obvod IC 4013 na resetovanie základnej sady na prevod analógového zvukového signálu na zodpovedajúci signál PWM, ktorý je možné ďalej priviesť do stupňa MOSFET pre požadované zosilnenie PWM.

Polovicu balenia 4013 môžete použiť ako zosilňovač poskytujúci digitálny výstup s pracovným cyklom, ktorý je úmerný požadovanému výstupnému napätiu. Kedykoľvek potrebujete analógový výstup, urobí to jednoduchý filter.

Musíte postupovať podľa časových impulzov, ako je uvedené, a ich frekvencia musí byť výrazne vyššia ako požadovaná šírka pásma. Zisk je R1 / R2, zatiaľ čo čas R1R2C / (R1 + R2) musí byť dlhší ako perióda hodinových impulzov.

Aplikácie

Existuje mnoho spôsobov, ako je možné obvod použiť. Niektorí sú:

1. Získavajte impulzy z bodu prechodu nulou v sieti a pomocou výstupu presaďte triak. Vďaka tomu teraz máte relačnú kontrolu napájania bez RFI.
2. Pomocou rýchlych hodín prepínajte tranzistory vodiča s výstupom. Výsledkom je vysoko efektívny zvukový zosilňovač PWM.

30 wattový PWM zosilňovač

Schéma zapojenia 30W zvukového zosilňovača triedy D je uvedená v nasledujúcom súbore pdf.

Operačný zosilňovač IC1 zosilňuje vstupný zvukový signál prostredníctvom potenciometra VR1 s regulovanou hlasitosťou. Signál PWM (modulácia šírky impulzu) sa generuje porovnaním zvukového signálu s 100kHz trojuholníkom. Toto sa dosahuje pomocou komparátora 1C6. Rezistor RI3 sa používa na napájanie pozitívnej spätnej väzby a C6 sa skutočne zavádza na predĺženie prevádzkovej doby komparátora.

Výstup komparátora sa prepína medzi extrémami napätia ± 7,5 V. Pull-up rezistor R12 ponúka + 7,5 V, zatiaľ čo -7,5 V je napájaný z interného otvoreného tranzistora IC6 operačného zosilňovača IC6 na pinu 1. Počas doby, keď sa tento signál pohybuje na kladnú úroveň, tranzistor TR1 funguje ako svorka potopenia prúdu. Tento prúdový pokles spôsobuje zvýšenie poklesu napätia na rezistore R16, ktoré je dostatočné na zapnutie MOSFETU TR3.

Keď sa signál prepne do záporného extrému. TR2 sa zmení na zdroj prúdu, čo vedie k poklesu napätia na R17. Tento pokles je dostatočný na zapnutie TR4. V zásade sa MOSFETy TR3 a TR4 spúšťajú striedavo a generujú signál PWM, ktorý prepína medzi +/- 15V.

V tomto okamihu je nevyhnutné priviesť späť alebo previesť tento zosilnený PWM signál na dobrú zvukovú reprodukciu, ktorá môže byť zosilneným ekvivalentom vstupného zvukového signálu.

To sa dosiahne vytvorením priemeru pracovného cyklu PWM cez dolnopriepustný filter Butterworh 3. stupňa s medznou frekvenciou (25 kHz) výrazne pod základnou frekvenciou trojuholníka.

Táto akcia vedie k obrovskému útlmu pri 100 kHz. Získaný konečný výstup sa taniruje do zvukového výstupu, ktorý je zosilnenou replikáciou vstupného zvukového signálu.

Generátor trojuholníkových vĺn cez konfiguráciu obvodov 1C2 a 1C5, kde IC2 funguje ako generátor štvorcových vĺn s pozitívnou spätnou väzbou napájanou cez R7 a R11. Diódy DI až D5 fungujú ako obojsmerná svorka. To zafixuje napätie na približne +/- 6V.

Prednastavený VR2, kondenzátor C5 a IC5, ktorý transformuje štvorcovú vlnu na trojuholníkovú, vytvára dokonalého integrátora. Prednastavená VR2 poskytuje funkciu nastavenia frekvencií.

Výstup 1C5 na (pin 6) dodáva spätnú väzbu 1C2 a rezistor R14 a prednastavené VR3 fungujú ako flexibilný zoslabovač, ktorý umožňuje podľa potreby doladiť úroveň trojuholníkovej vlny.

Po vytvorení celého obvodu musia byť VR2 a VR3 doladené, aby umožňovali najkvalitnejší zvukový výstup. Sada bežných 741 operačných zosilňovačov pre 1C4 a IC3 sa môže použiť ako vyrovnávacie zosilňovače zisku na napájanie +/- 7,5 V.

Kondenzátory C3, C4, C11 a C12 sa používajú na filtráciu, zatiaľ čo ostatné kondenzátory sa používajú na oddelenie napájania.

Obvod môže byť napájaný dvojitým napájacím zdrojom +/- 15 V DC, ktorý bude schopný riadiť 30 W 8 ohmový reproduktor cez LC stupeň pomocou kondenzátora C13 a tlmivky L2. Upozorňujeme, že pre MOSFET TR3 a TR4 môžu byť pravdepodobne potrebné mierne chladiče.