350 Watt selvoscillerende klasse D -forsterker: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Innledning og hvorfor jeg gjorde dette instruerbart:

På internett er det mange opplæringsprogrammer som viser folk hvordan de bygger sine egne klasse D -forsterkere. De er effektive, enkle å forstå, og bruker alle den samme generelle topologien. Det er en høyfrekvent trekantbølge som genereres av en del av kretsen, og den sammenlignes med lydsignalet for å modulere utgangsbryterne (nesten alltid MOSFET) på og av. Flertallet av disse "DIY Class D" -designene har ingen tilbakemelding, og de som bare høres rene ut i bassområdet. De lager noe akseptable subwooferforsterkere, men har betydelig forvrengning i diskantområdene. De uten tilbakemelding, på grunn av dødtid som kreves for MOSFET-veksling, har en utgangsbølgeform som ser ut som en trekantbølge, i motsetning til en sinusbølge. Betydelige uønskede harmoniske er til stede, noe som fører til en merkbar reduksjon i lydkvaliteten som får musikken til å høres ut som om den kommer ut av en trompet. Den litt trumpete, ikke så kraftige lyden til min forrige klasse D-forsterker, er derfor jeg bestemte meg for å forske på og bygge en forsterker ved hjelp av denne uklare, underutnyttede topologien.

Den klassiske "trekantbølge -komparatoren" er imidlertid ikke den eneste måten å konstruere en klasse D -forsterker på. Det er en bedre måte. I stedet for å få en oscillator til å modulere signalet, hvorfor ikke gjøre hele forsterkeren til oscillatoren? MOSFET-utgangene drives (gjennom passende drivkretser) av utgangen fra en komparator med den positive inngangen som mottar den innkommende lyden og den negative inngangen som mottar en (nedskaleret) versjon av forsterkerens utgangsspenning. Hysterese brukes i komparatoren for å regulere driftsfrekvensen og forhindre ustabile, høyfrekvente resonansmoduser. Videre brukes et RC snubbernettverk over utgangen for å undertrykke ringing ved utgangsfilterets resonansfrekvens og redusere faseskiftet til nær 90 grader ved forsterkerens driftsfrekvens på rundt 100 Khz. Utelatelse av dette enkle, men kritiske filteret vil føre til at forsterkeren ødelegger seg selv, ettersom spenninger på flere hundre volt kan genereres og ødelegge filterkondensatorene umiddelbart.

Driftsprinsipp:

Anta at forsterkeren først er startet og alle spenninger er på null. På grunn av sin hysterese, vil komparatoren bestemme seg for å trekke utgangen enten positiv eller negativ. For dette eksemplet antar vi at komparatoren trekker utgangen negativ. I løpet av noen titalls mikrosekunder har forsterkerens utgangsspenning redusert nok til å snu komparatoren og sende spenningen tilbake igjen, og denne syklusen gjentas rundt 60 til 100 tusen ganger hvert sekund, og beholder ønsket spenning ved utgangen. På grunn av filterinduktorens høye impedans og filterkondensatorens lave impedans ved denne frekvensen, er det ikke mye støy på utgangen, og på grunn av den høye driftsfrekvensen er den langt over det hørbare området. Hvis inngangsspenningen øker, vil utgangsspenningen øke nok til at tilbakemeldingsspenningen når utgangsspenningen. På denne måten oppnås forsterkning.

Fordeler i forhold til standard klasse D:

1. Ekstremt lav utgangsimpedans: Fordi MOSFET -utgangene ikke vil bytte tilbake før ønsket utgangsspenning etter at filteret er nådd, er utgangens impedans praktisk talt null. Selv med en 0,1 volt forskjell mellom den faktiske og ønskede utgangsspenningen, vil kretsen dumpe forsterkere i utgangen til spenningen vender komparatoren tilbake (eller noe blåser).

2. Evne til å kjøre reaktive belastninger rent: På grunn av den ekstremt lave utgangsimpedansen kan selvsvingende klasse D drive flerveis høyttalersystemer med store impedansdip og topper med svært liten harmonisk forvrengning. Portede subwoofer-systemer med lav impedans ved portens resonansfrekvens er et godt eksempel på en høyttaler som en tilbakemeldingsfri "trekantbølge-komparator" -forsterker ville slite med å kjøre godt.

3. Bred frekvensrespons: Når frekvensen øker, vil forsterkeren prøve å kompensere ved å variere driftssyklusen mer for å holde tilbakemeldingsspenningen tilpasset inngangsspenningen. På grunn av filterets demping av høye frekvenser, vil høye frekvenser begynne å klippe på et lavere spenningsnivå enn lavere, men på grunn av at musikk har langt mer elektrisk kraft i bassen enn diskanten (omtrent 1/f -fordeling, mer hvis du bruk bassforsterkning), dette er ikke noe problem overhodet.

4. Stabilitet: Hvis den er riktig designet og med et snubbernettverk på plass, sørger utgangsfiltrets nesten 90 ° fasemargin ved driftsfrekvensen for at forsterkeren ikke blir ustabil, selv om den kjører tunge laster under kraftig klipping. Du vil blåse noe, sannsynligvis høyttalerne eller subsene dine, før forsterkeren går ustabil.

5. Effektivitet og liten størrelse: På grunn av forsterkerens selvregulerende natur, påvirker ikke lydkvaliteten mye tid til MOSFET-koblingsbølgeformene. Full belastningseffektivitet på godt opp til 90% er mulig med en god kvalitet induktor og MOSFET (jeg bruker IRFB4115s i forsterkeren min). Som et resultat er en relativt liten kjøleribbe på FET -er tilstrekkelig, og en vifte er bare nødvendig hvis den opererer inne i et isolert kabinett med høy effekt.

Trinn 1: Deler, rekvisita og forutsetninger

Forutsetninger:

Å bygge en hvilken som helst krets med høy effekt, spesielt en som er designet for å gjengi lyd på en ren måte, krever kunnskap om grunnleggende elektronikk-konsepter. Du må vite hvordan kondensatorer, induktorer, motstander, MOSFETer og op-ampere fungerer, samt hvordan du skal designe et kretskort med effekthåndtering. Du må også vite hvordan du lodder gjennomgående hullskomponenter og hvordan du bruker stripboard (eller bygger en PCB). Denne opplæringen er rettet mot personer som har bygget moderat kompliserte kretser tidligere. Omfattende analog kunnskap er ikke nødvendig, ettersom de fleste delkretsene i en klasse D -forsterker bare har to spenningsnivåer - på eller av.

Du må også vite hvordan du bruker et oscilloskop (bare de grunnleggende funksjonene) og hvordan du feilsøker kretser som ikke fungerer etter hensikten. Det er svært sannsynlig, med en krets av denne kompleksiteten, at du vil ende opp med å ha en underkrets som ikke fungerer første gang du bygger den. Finn og fikser problemet før du går videre til neste trinn. Det er mye enklere å feilsøke en underkrets enn å prøve å finne en feil et sted i hele brettet. Oscilloskopbruk er nødvendig for å finne utilsiktet svingning og bekrefte at signalene ser ut som de burde.

Generelle tips:

På hvilken som helst klasse D -forsterker vil du ha høye spenninger og strømmer som bytter ved høye frekvenser, noe som har potensial til å generere mye støy. Du vil også ha lite strømkretser som er følsomme for støy og vil plukke opp og forsterke den. Inngangstrinnet og effekttrinnet bør være i motsatte ender av brettet.

God jording, spesielt i kraftfasen, er også viktig. Sørg for at jordledninger går direkte fra den negative terminalen til hver portdriver og komparator. Det er vanskelig å ha for mange jordledninger. Hvis du gjør dette på et kretskort, bruker du et jordingsplan for jording.

Deler du trenger:

(Send meg en melding hvis jeg savnet noen, jeg er ganske sikker på at dette er en komplett liste)

(Alt merket HV må vurderes for minst den økte spenningen for å drive høyttaleren, helst mer)

(Mange av disse kan reddes fra elektronikk og apparater kastet i en søppelkasse, spesielt kondensatorer)

• 24 volt strømforsyning på 375 watt (jeg brukte et litiumbatteri, hvis du bruker et batteri må du kontrollere at du har en LVC (lavspenningsavbrudd))
• Boost effektomformer som kan levere 350 watt ved 65 volt. (Søk "Yeeco strømomformer 900 watt" på Amazon, så finner du den jeg brukte.)
• "Perf board" eller proto-board å bygge alt på. Jeg anbefaler å ha minst 15 kvadratmeter å jobbe med for dette prosjektet, 18 hvis du vil bygge inngangskortet på det samme brettet.
• Heatsink å montere MOSFETene på
• 220uf kondensator
• 2x 470uf kondensator, en må være vurdert for inngangsspenning (ikke HV)
• 2x 470nf kondensator
• 1x 1nf kondensator
• 12x 100nf keramisk kondensator (eller du kan bruke poly)
• 2x 100nf Poly kondensator [HV]
• 1x 1uf Poly kondensator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolytisk kondensator [HV]
• 2x 1n4003 diode (enhver diode som tåler 2*HV eller mer er greit)
• 1x 10 amp sikring (eller kort stykke 30AWG ledning over en rekkeklemme)
• 2x 2,5mh induktor (eller vind din egen)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Må være ekte!]
• Assorterte motstander, du kan få dem av eBay eller Amazon for noen få dollar
• 4x 2k trimmer potensiometre
• 2x KIA4558 Op -forsterker (eller lignende lydforsterker)
• 3x LM311 komparatorer
• 1x 7808 spenningsregulator
• 1x "Lm2596" buck converter board, du kan finne dem på eBay eller Amazon for noen få dollar
• 2x NCP5181 gate driver IC (du kan blåse noen, få mer) [Må være GENUINE!]
• 3-pinners topptekst for tilkobling til inngangskort (eller flere pinner for mekanisk stivhet)
• Ledninger eller rekkeklemmer for høyttalere, strøm osv
• 18AWG strømledning (for tilkobling av strømtrinnet)
• 22 AWG-tilkoblingstråd (for kabling av alt annet)
• 200 ohm lav effekt lydtransformator for inngangstrinn
• Liten 12v/200ma (eller mindre) datamaskinvifte for å kjøle forsterkeren (valgfritt)

Verktøy og utstyr:

• Oscilloskop med minst 2us/div oppløsning med en 1x og 10x sonde (du kan bruke en 50k og 5k motstand for å lage din egen 10x sonde)
• Multimeter som kan utføre spenning, strøm og motstand
• Lodde og loddejern (jeg bruker Kester 63/37, GOD KVALITET blyfri fungerer også hvis du er erfaren)
• Loddesuger, veke, etc. Du VIL gjøre feil på en så stor krets, spesielt ved lodding av induktoren er det smertefullt.
• Wire cutters og strippere
• Noe som kan generere en firkantbølge på noen få HZ, som et brødbrett og en 555 timer

Trinn 2: Lær hvordan selvsvingende klasse D fungerer (valgfritt, men anbefalt)

Før du begynner, er det en god idé å bli kjent med hvordan kretsen faktisk fungerer. Det vil hjelpe sterkt med eventuelle problemer du måtte ha videre, og vil hjelpe deg å forstå hva hver del av hele skjematikken gjør.

Det første bildet er en graf produsert av LTSpice som viser forsterkerens respons på en øyeblikkelig endring av inngangsspenningen. Som du kan se fra grafen, prøver den grønne linjen å følge den blå linjen. Så snart inngangen endres, går den grønne linjen opp så fort den kan og avgjøres med minimal overskridelse. Den røde linjen er spenningen til utgangstrinnet før filteret. Etter endringen setter forsterkeren seg raskt og begynner å svinge rundt settpunktet igjen.

Det andre bildet er det grunnleggende kretsdiagrammet. Lydinngangen sammenlignes med tilbakemeldingssignalet, som genererer et signal for å drive utgangstrinnet for å bringe utgangen nærmere inngangen. Hysterese i komparatoren får kretsen til å svinge rundt ønsket spenning med en frekvens som er altfor høy til at ører eller høyttalere kan reagere på.

Hvis du har LTSpice, kan du laste ned og leke med.asc skjematisk fil. Prøv å endre r2 for å endre frekvensen og se kretsen gå amok mens du fjerner snubberen som demper overdreven svingning rundt LC -filterets resonanspunkt.

Selv om du ikke har LTSpice, vil studere bildene gi deg en god ide om hvordan alt fungerer. La oss nå begynne å bygge.

Trinn 3: Bygg strømforsyningen

Før du begynner å lodde noe, ta en titt på skjematisk og eksempeloppsett. Skjematisk er en SVG (vektorgrafikk), så når du har lastet den ned kan du zoome inn så mye du vil uten å miste oppløsning. Bestem hvor du skal plassere alt på brettet, og bygg deretter strømforsyningen. Koble til batterispenningen og jord og sørg for at ingenting blir varmt. Bruk et multimeter til å justere "lm2596" -kortet til utgang på 12 volt og sjekk at 7808 -regulatoren sender ut 8 volt.

Det er det for strømforsyningen.

Trinn 4: Bygg Output Stage og Gate Driver

Av hele byggeprosessen er dette det vanskeligste trinnet av dem alle. Bygg alt i "Gate driver circuit" og "Power stage" i skjemaet, og sørg for at FETene er festet til kjøleribben.

I skjematikken ser du ledninger som ser ut til å gå ingen steder og sier "vDrv". Disse kalles etiketter i skjematisk, og alle etiketter med samme tekst blir koblet sammen. Koble alle "vDrv" merkede ledninger til utgangen på 12v regulatorkortet.

Etter å ha fullført dette trinnet, slå på denne kretsen med en strømbegrenset forsyning (du kan bruke en motstand i serie med strømforsyningen) og sørg for at ingenting blir varmt. Prøv å koble hvert av inngangssignalene til portdriveren til 8v fra strømforsyningen (en om gangen) og kontroller at de riktige portene blir drevet. Når du har bekreftet at du vet at gate -stasjonen fungerer.

På grunn av portstasjonen som bruker en bootstrap -krets, kan du ikke teste utgangen direkte ved å måle utgangsspenningen. Sett multimeteret på diodekontroll og kontroller mellom hver høyttalerterminal og hver strømterminal.

1. Positiv til høyttaler 1
2. Positiv til høyttaler 2
3. Negativt til høyttaler 1
4. Negativt til høyttaler 2

Hver skal bare vise delvis konduktivitet på en måte, akkurat som en diode.

Hvis alt fungerer, gratulerer, du har nettopp avsluttet den vanskeligste delen av brettet. Du husket riktig jording, ikke sant?

Trinn 5: Bygg MOSFET Gate Drive Signal Generator

Når du er ferdig med gate driveren og power stage, er du klar til å bygge den delen av kretsen som genererer signalene som forteller gate driverne hvilke FETs som skal slås på når.

Bygg alt i "MOSFET -driversignalgeneratoren med død tid" i skjemaet, og pass på at du ikke glemmer noen av de små kondensatorene. Hvis du utelater dem, vil kretsen fortsatt teste fint, men den vil ikke fungere godt når du prøver å kjøre en høyttaler på grunn av at komparatorene svinger parasittisk.

Test deretter kretsen ved å mate en firkantbølge på noen få hertz inn i "MOSFET driver -signalgeneratoren med død tid" fra signalgeneratoren eller 555 timerkretsen. Koble batterispenningen til "HV in" gjennom en strømbegrensende motstand.

Koble et oscilloskop til høyttalerutgangene. Du bør få batterispenningen til å snu polariteten noen ganger i sekundet. Ingenting skal bli varmt, og utgangen skal være en fin, skarp firkantbølge. Litt overskridelse er greit, så lenge det ikke er mer enn 1/3 batterispenning.

Hvis utgangen produserer en ren firkantbølge, betyr det at alt du har bygget så langt fungerer. Bare en underkrets igjen til ferdigstillelse.

Trinn 6: Komparator, differensialforsterker og sannhetens øyeblikk

Du er nå klar til å bygge den delen av kretsen som faktisk gjør klasse D -modulasjonen.

Bygg alt i "Comparator with hysteresis" og "Differential amplifier for feedback" i skjematikken, samt de to 5k -motstandene som holder kretsen stabil når ingenting er koblet til inngangen.

Koble strøm til kretsen (men ikke HV inn ennå) og sjekk at pinne 2 og 3 på U6 begge skal være nær halvparten av Vreg (4 volt).

Hvis begge disse verdiene er riktige, kobler du en subwoofer over utgangsterminalene. koble til strømmen og HV til batterispenningen gjennom en strømbegrensende motstand (du kan bruke en 4 ohm eller større subwoofer som motstand). Du bør høre en liten pop, og subwooferen skal ikke bevege seg den ene eller den andre veien mer enn en millimeter eller så. Sjekk med et oscilloskop for å sikre at signalene som går inn til og kommer ut av NCP5181 gate -driverne er rene og har rundt 40% driftssyklus hver. Hvis dette ikke er tilfelle, juster de to variable motstandene til de er. Frekvensen til gate-drivbølgene vil være lavere enn ønsket 70-110 KHZ på grunn av at HV ikke er koblet til spenningsforsterkeren.

Hvis signalene til gate -driven ikke svinger i det hele tatt, kan du prøve å bytte SPK1 og SPK2 til differensialforsterkeren. Hvis det fortsatt ikke virker, bruk et oscilloskop for å spore feilen. Det er nesten helt sikkert i komparatoren eller differensialforsterkerkretsen.

Når kretsen fungerer, lar du høyttaleren være tilkoblet og legger til spenningsforsterkermodulen for å øke spenningen til HV til rundt 65-70 volt (husk sikringen). Slå på kretsen, og sørg for at ingenting blir varmt i utgangspunktet, spesielt MOSFETene og induktoren. Fortsett å overvåke temperaturene i omtrent 5 minutter. Det er normalt at induktoren blir varm, så lenge den ikke er for varm for å berøre kontinuerlig. MOSFETS skal ikke være mer enn litt varme.

Kontroller frekvensen og driftssyklusen til gate -drivbølgene igjen. Juster for en 40% driftssyklus og sørg for at frekvensen er mellom 70 og 110 Khz. Hvis ikke, juster R10 i skjemaet for å korrigere frekvensen. Hvis frekvensen er riktig, er du klar til å begynne å spille lyd med forsterkeren.

Trinn 7: Lydinngang og siste testing

Nå som forsterkeren i seg selv fungerer tilfredsstillende, er det på tide å bygge inngangstrinnet. På et annet brett (eller det samme hvis du har plass), bygger du kretsen i henhold til skjemaet som følger med dette trinnet (du må laste den ned), og sørg for at den er skjermet med et jordet stykke metall hvis det er i nærheten av støy komponenter. Koble strøm og jord til kretsen fra forsterkeren, men ikke koble til lydsignalet ennå. Kontroller at lydsignalet er på rundt 4 volt og endrer seg litt når du dreier potensiometeret "Justering av offsetjustering". Juster potensiometeret for 4 volt og lodd lydinngangskabelen til resten av kretsen.

Selv om skjematikken viser bruk av en hodetelefonkontakt som inngang, kan du også legge til en Bluetooth -adapter med utgangen kablet til der lydkontakten er. Bluetooth -adapteren kan drives av en 7805 -regulator. (Jeg hadde en 7806 og brukte en diode for å slippe ytterligere 0,7 volt).

Slå på forsterkeren igjen, og koble en kabel til AUX -kontakten på inngangskortet. Det vil sannsynligvis være noe svakt statisk.

Hvis statikken er for høy, er det et par ting du kan prøve:

• Skjermet du inngangsfasen godt? Komparatorene genererer også støy.
• Legg til en 100nf kondensator på tvers av transformatoren.
• Legg til en 100nf kondensator mellom lyd ut og bakken og legg en 2k motstand i kø før kondensatoren.
• Kontroller at hjelpekabelen ikke er i nærheten av strømforsyningen eller forsterkerens utgangskabler.

Skru sakte (over flere minutter) opp volumet, og sørg for at ingenting blir for varmt eller forvrenges. Juster forsterkningen slik at forsterkeren ikke klipper med mindre volumet er på maksimum.

Avhengig av kvaliteten på induktorkjernen og størrelsen på kjøleribben, kan det være en god idé å legge til en liten vifte, drevet fra 12v -skinnen, for å avkjøle forsterkeren. Dette er en spesielt god idé hvis du skal legge den i en eske.