4 Effektive PWM forstærker kredsløb forklaret

Audioforstærkere, som er designet til at forstærke et analogt lydsignal gennem pulsbreddemodulation eller PWM-behandling og med justerbar driftscyklus er kendt af mange navne, herunder digital forstærker, klasse D-forstærker, switchforstærker og PWM-forstærker.

Fordi det kan udføre ved høj effektivitet, a Klasse-D forstærker er blevet et yndlingskoncept for mobil- og public address-applikationer, hvor forvrængning er ubetydelig.

Hvorfor PWM-forstærkere er så effektive

Det er fordi de konverterer det analoge lydsignal til ækvivalent PWM-moduleret indhold. Dette modulerede PWM-lydsignal forstærkes effektivt af outputenhederne såsom MOSFET'er eller BJT'er og konverteres derefter tilbage til analog effekt med høj effekt ved hjælp af specielle induktorer på tværs af de tilsluttede højttalere.

Vi ved det halvleder enheder såsom MOSFET'er og BJT'er 'kan ikke lide' at blive betjent i udefinerede områder af et indgangssignal og har tendens til at blive varm. For eksempel a MOSFET tændes ikke ordentligt, når gate-signalerne er under 8V, og BJT'er reagerer ikke korrekt ved under 0,5 V basedrev, hvilket resulterer i stor mængde varmeafledning gennem deres krops-kølelegeme.

Analoge signaler, der er eksponentielle af natur, tvinger ovenstående enheder til at arbejde med ubehagelige og ugunstige langsomt stigende og langsomme faldpotentialer, hvilket forårsager høj varmeafledning og større ineffektivitet.

PWM forstærkningskoncept derimod tillader disse enheder at arbejde ved enten at tænde dem helt TIL eller slukke dem helt uden mellemliggende udefinerede potentialer. På grund af dette udstråler enhederne ingen varme, og lydforstærkningen gengives med høj effektivitet og minimale tab.

Fordele ved digital forstærker sammenlignet med lineær forstærker

• Digitale eller PWM forstærkere bruger PWM-behandling, og derfor forstærker outputenhederne signalerne med minimal varmeafledning. Lineære forstærkere bruger emitterfollower-design og spreder en høj mængde varme under lydforstærkning.
• Digitale forstærkere kan arbejde med færre antal outputenheder sammenlignet med lineære forstærkere.
• På grund af minimal varmeafledning kræves ingen køleplade eller mindre kølelegemer sammenlignet med lineære forstærkere, der afhænger af store kølelegemer.
• Digitale PWM-forstærkere er billigere, lettere og meget effektive sammenlignet med lineære forstærkere.
• Digitale forstærkere kan fungere med mindre strømforsyningsindgange end lineære forstærkere.

I dette indlæg drives den første PWM-forstærker nedenfor af et 6 V batteri og genererer op til 5 W udgangseffekt. På grund af sin åbenlyse udgangskapacitet findes PWM-forstærker ofte i megafoner.

Et almindeligt problem med mobile AF-forstærkere er, at det på grund af deres lave effektivitetsegenskaber er vanskeligt at producere høj effekt fra en lav forsyningsspænding.

Imidlertid har PWM-forstærkeren i vores diskussion næsten 100% effektivitet på et forvrængningsniveau, der er acceptabelt med megafoner og beslægtet P.A. enheder. Et par faktorer, der bidrager til designet, forklares nedenfor:

Pulsbreddemodulation

Princippet for pulsbreddemodulation (PWM) er repræsenteret i nedenstående figur 1.

Konceptet er simpelt: driftscyklussen for et rektangulært signal med højere frekvens styres af et indgangssignal. Impulsens tilslutningstid er i forhold til den øjeblikkelige amplitude af indgangssignalet.

Mængden af ​​on-time og off-time ud over frekvensen er konstant. Derfor, når et indgangssignal mangler, produceres der et symmetrisk firkantbølgesignal.

For at opnå relativt god lydkvalitet skal frekvensen af ​​det rektangulære signal være dobbelt end den højeste frekvens i indgangssignalet.

Det resulterende signal kan bruges til at tænde en højttaler. Figur 4 viser en klar konvertering i oscilloskopsporet.

Det øverste spor viser udgangssignalet efterfiltrering og måles på tværs af højttaleren. Amplituden af ​​de resterende PWM signal der overlapper sinusbølgen er lille.

Elektroniske switche som forstærkere

Figur 2 beskriver standardoperationen af ​​PWM-forstærkeren ved hjælp af blokdiagrammet.

Lad os antage, at når input er kortsluttet, skal du skifte S_tiltilslutter kondensator C₇med en nuværende jeg_to. Dette følger, indtil en passende øvre grænseomskifterspænding er opnået.

Derefter forbinder den R₇At give stuearrest. Derefter C₇er afladet til den nedre grænseomskifterspænding på S_til. Som et resultat, C₇og R₇producerer en firkantbølge med en frekvens på 50 kHz.

Når et AF-signal udføres til forstærkerens indgang, er den ekstra strøm I₁reducerer eller øger opladningstiden relativt eller øger og nedsætter afladningstiden.

Så, indgangssignalet ændrer pligtfaktoren for firkantbølgesignalet, som ses ved højttalerens udgang.

Der er to love, der er vigtige for den grundlæggende funktion af PWM-forstærkeren.

1. Den første er switch S_bstyres i antifase med S_tilmens du holder den anden højttalerterminal som en alternativ spænding i forhold til PWM-signalets.

Denne opsætning frembringer et resultat af skiftebro-type effektudgangstrin. Bagefter tvinges højttaleren ved hver polaritet med den fulde forsyningsspænding, så der opnås et maksimalt strømforbrug.

2. For det andet ser vi på induktorer L₁og L_to. Formålet med induktorerne er at integrere det rektangulære signal og konvertere dem til sinusformet som vist i omfangssporingen tidligere. Desuden fungerer de også og harmonisk undertrykker 50 kHz rektangulært signal.

Høj lydoutput fra et beskedent design

Fra skemaet i ovenstående figur kan du nemt identificere de elektroniske komponenter, der bruges i blokdiagrammet.

En håndfuld dele som modstand R1, koblingskondensatorer C₁og C₄, lydstyrkekontrol P₁og en forstærker baseret på opamp A₁gør det forspændende job for en kondensator (eller elektrostatisk) mikrofon.

Hele denne handling skaber indgangssegmentet på PWM-forstærkeren. Som diskuteret tidligere skifter S_tilog S_ber bygget af elektroniske kontakter ES₁til ES₄og transistorpar T₁-T₃og T_to-T₄.

Delindikationerne for de elektroniske komponenter, der konstruerer PWM-generatoren, vedrører dem, der er beskrevet i blokdiagrammet.

Sandsynligvis er PWM-forstærkeren usædvanlig effektiv, fordi udgangstransistorer ikke opvarmes, selv når de tvinges med en all-drive tilstand. Kort sagt er der praktisk talt nul spredning i effektudgangstrinnet.

Den mest vigtige faktor, du skal overveje, før du vælger induktorer L₁og L_toer, at de skal være i stand til at kanalisere 3 A uden at blive mættede.

Den aktuelle induktansovervejelse kommer kun på andenpladsen. For eksempel blev induktorerne, der blev brugt i dette projekt, opnået fra en lysdæmper.

Formålet med dioder D₃til d₆er at indeholde den bageste EMF, der er produceret af induktorerne, til en rimelig sikker værdi.

Desuden er den ikke-inverterende input fra opamp A₁er dannet af D₁, C₃, D_toog R₃. Denne indgangsspænding, effektivt filtreret, er lig halvdelen af ​​forsyningsspændingen.

Når du bruger en traditionel opamp-forstærker, tildeles spændingsforstærkningen en negativ feedback-sløjfe. R₄og R₅indstiller forstærkningen til 83 for at sikre tilstrækkelig mikrofonfølsomhed.

Hvis du bruger signaler med høj impedans, skal R₄kan forstærkes efter behov.

L₁og L_toforårsage faseforskydning, og derfor er feedback mulig ved hjælp af firkantbølgesignalet ved samleren af ​​T.₁sammenlignet med det sinusformede højttalersignal.

Kombineret med C₅opamp leverer den betydelige integration af PWM-feedback-signalet.

Feedback-systemet mindsker forstærkerens forvrængning, men ikke så omfattende, at du muligvis bruger det til andre applikationer udover den offentlige adresse.

Normalt kræves en signifikant øget mængde forsyningsspænding og et kompliceret kredsløbsdesign til en klasse-D forstærker med lav forvrængning.

Implementering af denne opsætning vil hæmme kredsløbets samlede effektivitet. Vær opmærksom, når du vælger elektroniske kontakter i forstærkeren, da HCMOS-typer er egnede.

En typisk CMOS Type 4066 er ekstremt træg og upassende til at udløse en 'kortslutning' over T₁-T₃og T_to-T₄. Ikke kun det, men der er også en øget risiko for overanstrengelse eller endda permanent skade på forstærkeren.

PWM forstærker til megafonapplikation

Elektroniske entusiaster foretrækker at anvende klasse D-forstærkeren til at drive en højttaler af horntype, fordi den kan producere den højeste lyd til et valgt effektniveau.

Ved hjælp af en 6 V batteripakke og en trykkammerhøjttaler blev forstærkermodellen let konstrueret.

Den eksisterende 4 W udgangseffekt kunne måles i en megafon med et anstændigt lydområde.

Fire 1,5 V tørbatterier eller alkaliske monoceller blev tilsluttet i serie for at levere megafonens spænding. Hvis du ofte vil bruge denne opsætning, skal du vælge et genopladeligt NiCd- eller gel-type (Dryfit) -batteri.

Da megafonens maksimale strømforbrug er 0,7 A, er en standardalkaline egnet til at understøtte driften i 24 timer ved fuld udgangseffekt.

Hvis du planlægger ikke-kontinuerlig brug, er det mere end nok at vælge et sæt tørre celler.

Husk, at uanset hvilken strømkilde du bruger, må den aldrig krydse mere end 7 V.

Årsagen er HCMOS-switches i IC₁ikke fungerer korrekt på det spændingsniveau eller mere.

Heldigvis for forstærkeren er den maksimale tærskel for forsyningsspænding større end 11 V.

PCB-design til ovenstående forklarede PWM klasse-D forstærker er angivet nedenfor:

Endnu en god PWM forstærker

En veldesignet PWM forstærker vil omfatte en symmetrisk rektangulær bølgenerator.

Arbejdscyklussen for denne rektangulære bølge moduleres af lydsignalet.

I stedet for at fungere lineært fungerer udgangstransistorer som afbrydere, så de er enten helt til eller fra. I en hvilende tilstand er bølgeformens driftscyklus 50%.

Det betyder, at hver udgangstransistor er fuldt mættet eller også kendt som ledende i samme varighed. Som et resultat er den gennemsnitlige udgangsspænding nul.

Dette betyder, at hvis en af ​​afbryderne forbliver lukket lidt længere end den anden, vil den gennemsnitlige udgangsspænding enten være negativ eller positiv afhængigt af indgangssignalets polaritet.

Derfor kan vi observere, at den gennemsnitlige udgangsspænding er relationel til indgangssignalet. Dette skyldes, at udgangstransistorer fungerer udelukkende som afbrydere, og derfor er der enormt lavt effekttab i udgangstrinnet.

Designet

Figur 1 viser hele skemaet for klasse-PWM-forstærkeren. Vi kan se, at PWM-forstærkeren ikke behøver at være for kompleks.

Indgangssignalet tilføres en op-amp IC1, der fungerer som en komparator. Denne opsætning fører en håndfuld Schmitt-udløsere, der er forbundet parallelt med kredsløbet.

De er der af to grunde. For det første skal der være en 'firkantet' bølgeform, og for det andet kræves den tilstrækkelige basedrevstrøm til udgangstrinnet. I dette trin er der to enkle, men hurtige transistorer (BD137 / 138) installeret.

Hele forstærkeren svinger og genererer en firkantet bølge. Årsagen er, at en indgang fra komparatoren (IC1) er knyttet til udgangen via et RC-netværk.

Desuden er begge indgange af IC1 forudindtaget til den første halvdel af forsyningsspændingen ved at anvende en spændingsdeler R3 / R4.

Hver gang IC1's output er lav, og emitterne af T1 / T2 er høje, sker opladning af kondensator C3 gennem modstanden R7. Samtidig vil der være en stigning i spændingen ved den ikke-inverterende indgang.

Når denne eskalerende spænding krydser niveauet for inverterende put, bytter ud af IC1 fra lav til høj.

Resultatet er, at emitterne af T1 / T2 skifter fra høj til lav. Denne tilstand tillader C3 at aflade gennem R7, og spændingen ved plusindgangen falder under spændingen ved minusindgangen.

Outputtet fra IC1 vender også tilbage til en lav tilstand. I sidste ende produceres en firkantbølgeoutput med en frekvens bestemt af R7 og C3. De angivne værdier genererer en svingning ved 700 kHz.

Brug af en oscillator , kan vi modulere frekvensen. Den inverterende indgangs niveau af IC1, som normalt bruges som reference, forbliver ikke konstant, men bestemmes af lydsignalet.

Endvidere bestemmer amplituden det nøjagtige punkt, hvor komparatorens output begynder at ændre sig. Derfor moduleres “firkantets” tykkelse regelmæssigt af lydsignalet.

For at sikre, at forstærkeren ikke fungerer som en 700 kHz sender, skal der udøves filtrering ved dens output. Et LC / RC-netværk bestående af L1 / C6 og C7 / R6 gør et godt stykke arbejde som en filter .

Tekniske specifikationer

• Udstyret med en belastning på 8 ohm og 12 V forsyningsspænding genererede forstærkeren 1,6 W.
• Når der bruges 4 ohm, steg effekten til 3 W. For så lille spredt varme kræves ikke afkøling af udgangstransistorer.
• Det er bevist, at den harmoniske forvrængning er usædvanlig lav for et simpelt kredsløb som dette.
• Det samlede harmoniske forvrængningsniveau var lavere end 0,32% fra det målte interval på 20 Hz til 20.000 Hz.

I figuren nedenfor kan du se printkortet og layoutet af dele til forstærkeren. Tiden og omkostningerne ved at opbygge dette kredsløb er meget lave, så det giver en fremragende chance for alle, der ønsker at blive bedre til at forstå PWM.

Liste over dele

Modstande:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2 k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohm
P1 = 100 k logaritmisk potentiometer
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

Simpel 3 Transistor klasse-D forstærker kredsløb

PWM-forstærkerens fremragende effektivitet er sådan, at der kan produceres et output på 3 W med en BC107, der bruges som udgangstransistor. Endnu bedre, det kræver ikke en køleplade.

Forstærkeren omfatter en spændingsstyret pulsbreddoscillator, der fungerer ved omkring 6 kHz og håndhæver et klasse-D-udgangstrin.

Der er kun to scenarier - fuldt til eller helt slukket. På grund af dette er spredningen utrolig lille og giver derfor høj effektivitet. Outputbølgeformen ligner ikke indgangen.

Integralet af output- og inputbølgeformer er dog proportionalt med hinanden i forhold til tiden.

Den præsenterede tabel over komponentværdier viser, at enhver forstærker med udgange mellem 3 W og 100 W kan fremstilles. I betragtning af at der kan opnås stærkere kræfter op til 1 kW.

Ulempen er, at det skaber omkring 30% af forvrængningen. Som et resultat kan forstærkeren kun bruges til lydforstærkning. Det er egnet til offentlige talesystemer på grund af at talen er utrolig forståelig.

Digital op-forstærker

Følgende koncept viser, hvordan man bruger et grundlæggende sæt reset flip flop IC 4013 kunne anvendes til konvertering af analogt lydsignal til korresponderende PWM signal, som yderligere kan føres til et MOSFET trin for den ønskede PWM forstærkning.

Du kan bruge halvdelen af ​​4013-pakken som en forstærker, der leveres en digital udgang med en driftscyklus, der er proportional med den ønskede udgangsspænding. Når du har brug for en analog udgang, ville et simpelt filter gøre jobbet.

Du skal følge urimpulserne som angivet, og disse skal være betydeligt højere i frekvens end den ønskede båndbredde. Forstærkningen er R1 / R2, hvorimod tiden R1R2C / (R1 + R2) skal være længere end urimpulsenes periode.

Ansøgninger

Der er mange måder, som kredsløbet kan bruges på. Nogle er:

1. Opnå impulser fra nets krydsningspunkt på lysnettet og håndhæv en triac med output. Som et resultat har du nu relationel strømstyring uden RFI.
2. Brug et hurtigt ur til at skifte drivertransistorer med output. Resultatet er en meget effektiv PWM-lydforstærker.

30 watt PWM forstærker

Et kredsløbsdiagram til en 30W klasse-D lydforstærker kan ses i den følgende pdf-fil.

Den operationelle forstærker IC1 forstærker indgangssignalet via variabelt volumenkontrolleret potentiometer VR1. Et PWM (pulsbreddemodulation) signal genereres ved at sammenligne audiosignalet med en 100 kHz trekant. Dette opnås gennem komparatoren 1C6. Modstand RI3 anvendes til at levere positiv feedback, og C6 introduceres faktisk for at forbedre komparatorens driftstid.

Komparatorudgangen skifter mellem en ekstrem spænding på ± 7,5V. Ophævningsmodstanden R12 tilbyder + 7,5 V, mens -7,5 V leveres af opforstærkeren IC6's interne åbne emittertransistor ved pin 1. I løbet af den tid dette signal bevæger sig til positivt niveau, fungerer transistor TR1 som en nuværende sinkterminal. Denne nuværende vask forårsager en stigning i spændingsfaldet over modstanden R16, som bliver lige nok til at tænde MOSFET TR3.

Når signalet skifter til det negative ekstreme. TR2 bliver til en strømkilde, der fører til et spændingsfald på tværs af R17. Dette fald bliver lige tilstrækkeligt til at tænde TR4. Grundlæggende udløses MOSFET'erne TR3 og TR4 skiftevis og genererer et PWM-signal, der skifter mellem +/- 15V.

På dette tidspunkt bliver det vigtigt at bringe dette forstærkede PWM-signal tilbage eller konvertere til den gode lydgengivelse, som kan være en forstærket ækvivalent af indgangssignalet.

Dette opnås ved at skabe et gennemsnit af PWM-driftscyklus gennem et 3. ordens Butterworh lavpasfilter med en afskæringsfrekvens (25 kHz) betydeligt under trekantens basisfrekvens.

Denne handling fører til enorm dæmpning ved 100 kHz. Den opnåede endelige udgang strømmer ind i et lydudgang, som er en forstærket replikering af indgangssignalet.

Trekantbølgeneratoren gennem kredsløbskonfigurationen 1C2 og 1C5, hvor IC2 fungerer som en firkantbølgenerator med positiv feedback leveret gennem R7 og R11. Dioder DI til D5 fungerer som en tovejs klemme. Dette fixerer spændingen til ca. +/- 6V.

En perfekt integrator oprettes gennem forudindstillet VR2, kondensator C5 og IC5, der omdanner en firkantbølge til en trekantbølge. Forudindstillet VR2 indeholder funktionen freqeuncy adjutment.

1C5-udgangen ved (pin 6) leverer feedback til 1C2, og modstanden R14 og den forudindstillede VR3 fungerer som fleksibel dæmper, der tillader, at niveauet af trekantsbølgen justeres efter behov.

Efter fuld kredsløb skal VR2 og VR3 finjusteres for at muliggøre lydkvalitet i højeste kvalitet. Et sæt almindelige 741 op-forstærkere til 1C4 og IC3 kan anvendes som enhedsforstærkningsbuffere til at levere +/- 7,5 V strøm.

Kondensatorer C3, C4, C11 og C12 bruges til filtrering, mens resten af ​​kondensatorerne bruges til at afkoble forsyningen.

Kredsløbet kan strømforsynes med en dobbelt +/- 15V DC strømforsyning, som vil være i stand til at køre en 30W 8 ohm højttaler gennem LC-scenen ved hjælp af kondensator C13 og induktor L2. Bemærk, at beskedne køleplader sandsynligvis kan være nødvendige for MOSFET TR3 og TR4.