350 Watt selvoscillerende klasse D -forstærker: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Introduktion og hvorfor jeg gjorde dette instruerbart:

På internettet er der masser af tutorials, der viser folk, hvordan de bygger deres egne klasse D -forstærkere. De er effektive, enkle at forstå og bruger alle den samme generelle topologi. Der genereres en højfrekvent trekantbølge af en del af kredsløbet, og det sammenlignes med lydsignalet for at modulere udgangskontakterne (næsten altid MOSFET'er) til og fra. Størstedelen af disse "DIY Klasse D" designs har ingen feedback, og dem der kun lyder rene i basregionen. De laver noget acceptable subwooferforstærkere, men har betydelig forvrængning i diskantområderne. Dem uden feedback på grund af dødtid, der kræves til MOSFET-omskiftning, har en outputbølgeform, der ligner en trekantbølge i modsætning til en sinusbølge. Betydelige uønskede harmoniske er til stede, hvilket fører til et mærkbart fald i lydkvaliteten, der får musikken til at lyde som om den kommer ud af en trompet. Den lidt trumpetiske, ikke-så-punchy lyd fra min tidligere klasse D-forstærker er derfor, jeg besluttede at undersøge og bygge en forstærker ved hjælp af denne uklare, underudnyttede topologi.

Den klassiske "trekantbølge -komparator" er imidlertid ikke den eneste måde at konstruere en klasse D -forstærker på. Der er en bedre måde. I stedet for at få en oscillator til at modulere signalet, hvorfor så ikke gøre hele forstærkeren til oscillatoren? Output-MOSFET'erne drives (gennem passende drevkredsløb) af output fra en komparator med den positive indgang, der modtager den indgående lyd, og den negative indgang modtager en (nedskaleret) version af forstærkerens udgangsspænding. Hysterese bruges i komparatoren til at regulere driftsfrekvensen og forhindre ustabil, højfrekvent resonant tilstand. Desuden bruges et RC snubbernetværk på tværs af output til at undertrykke ringetoner ved outputfilterets resonansfrekvens og reducere faseforskydningen til nær 90 grader ved forstærkerens driftsfrekvens på omkring 100 Khz. Udeladelse af dette enkle, men kritiske filter vil få forstærkeren til at ødelægge sig selv, da spændinger på flere hundrede volt kan genereres, hvilket ødelægger filterkondensatorerne med det samme.

Driftsprincip:

Antag at forstærkeren først startes, og alle spændinger er på nul. På grund af sin hysterese vil komparatoren beslutte at trække output enten positivt eller negativt. I dette eksempel antager vi, at komparatoren trækker output negativt. Inden for få snesevis af mikrosekunder er forstærkerens udgangsspænding faldet nok til at vende komparatoren og sende spændingen tilbage igen, og denne cyklus gentages omkring 60 til 100 tusinde gange hvert sekund, idet den ønskede spænding holdes ved udgangen. På grund af filterinduktorens høje impedans og filterkondensatorens lave impedans ved denne frekvens er der ikke meget støj på udgangen, og på grund af den høje driftsfrekvens er den langt over det hørbare område. Hvis indgangsspændingen stiger, vil udgangsspændingen stige nok til, at feedback -spændingen når udgangsspændingen. På denne måde opnås forstærkning.

Fordele i forhold til standardklasse D:

1. Ekstremt lav udgangsimpedans: Fordi udgangs -MOSFET'erne ikke skifter tilbage, før den ønskede udgangsspænding efter filteret er nået, er udgangens impedans stort set nul. Selv med en 0,1 volt forskel mellem den faktiske og ønskede udgangsspænding, vil kredsløbet dumpe ampere i udgangen, indtil spændingen vender komparatoren tilbage (eller noget blæser).

2. Evne til rent at drive reaktive belastninger: På grund af den ekstremt lave outputimpedans kan selvoscillerende klasse D drive multi-vejs højttalersystemer med store impedansdip og toppe med meget lidt harmonisk forvrængning. Portede subwoofer-systemer med lav impedans ved havnens resonansfrekvens er et glimrende eksempel på en højttaler, som en feedback-fri "trekantbølge-komparator" forstærker ville kæmpe for at køre godt.

3. Bred frekvensrespons: Efterhånden som frekvensen øges, vil forstærkeren forsøge at kompensere ved at variere driftscyklussen mere for at holde feedbackspændingen matchet med indgangsspændingen. På grund af filterets dæmpning af høje frekvenser, vil høje frekvenser begynde at klippe ved et lavere spændingsniveau end lavere, men på grund af at musik har langt mere elektrisk strøm i bassen end diskanten (ca. 1/f distribution, mere hvis du brug basforstærkning), dette er overhovedet ikke et problem.

4. Stabilitet: Hvis det er korrekt designet og med et snubbernetværk på plads, sikrer outputfiltrets næsten 90 ° fasemargen ved driftsfrekvensen, at forstærkeren ikke bliver ustabil, selvom der køres tungt under kraftig klipning. Du blæser noget, sandsynligvis dine højttalere eller subs, før forstærkeren går ustabil.

5. Effektivitet og lille størrelse: På grund af forstærkerens selvregulerende art påvirker lydkvaliteten ikke meget tid til MOSFET-koblingsbølgeformerne. Fuld belastningseffektivitet på godt op til 90% er mulig med en induktor af god kvalitet og MOSFET'er (jeg bruger IRFB4115s i min forstærker). Som et resultat heraf er en relativt lille køleplade på FET'erne tilstrækkelig, og en blæser er kun påkrævet, hvis den fungerer inde i et isoleret kabinet med høj effekt.

Trin 1: Dele, forbrugsvarer og forudsætninger

Forudsætninger:

At bygge enhver form for højeffektkredsløb, især et designet til ren gengivelse af lyd, kræver kendskab til grundlæggende elektronikbegreber. Du bliver nødt til at vide, hvordan kondensatorer, induktorer, modstande, MOSFET'er og op-forstærkere fungerer, samt hvordan du korrekt designer et effekthåndterings printkort. Du skal også vide, hvordan du lodder komponenter gennem huller, og hvordan du bruger stripboard (eller bygger et printkort). Denne vejledning er rettet mod folk, der tidligere har bygget moderat komplicerede kredsløb. Omfattende analog viden er ikke nødvendig, da de fleste underkredsløb i enhver klasse D -forstærker kun beskæftiger sig med to spændingsniveauer - til eller fra.

Du skal også vide, hvordan du bruger et oscilloskop (kun de grundlæggende funktioner), og hvordan du debugger kredsløb, der ikke fungerer efter hensigten. Det er meget sandsynligt, med et kredsløb af denne kompleksitet, at du ender med at have et underkredsløb, der ikke virker første gang du bygger det. Find og afhjælp problemet, før du går videre til det næste trin, fejlfinding af et underkredsløb er meget lettere end at forsøge at finde en fejl et eller andet sted i hele kortet. Oscilloskopbrug er nødvendigt for at finde utilsigtet svingning og kontrollere, at signaler ser ud, som de skal.

Generelle tips:

På enhver klasse D -forstærker vil du have høje spændinger og strømme, der skifter ved høje frekvenser, hvilket har potentiale til at generere en hel del støj. Du vil også have laveffektlydkredsløb, der er følsomme over for støj og vil opfange og forstærke det. Inputfasen og effekttrinnet skal være i modsatte ender af tavlen.

God jordforbindelse, især i kraftfasen, er også afgørende. Sørg for, at jordledninger kører direkte fra den negative terminal til hver gate driver og komparator. Det er svært at have for mange jordledninger. Hvis du gør dette på et printkort, skal du bruge et jordplan til jordforbindelse.

Dele du skal bruge:

(Send mig en besked, hvis jeg har savnet nogen, jeg er temmelig sikker på, at dette er en komplet liste)

(Alt mærket HV skal vurderes til mindst den øgede spænding for at drive højttaleren, helst mere)

(Mange af disse kan reddes fra elektronik og apparater smidt i en skraldespand, især kondensatorer)

• 24 volt strømforsyning i stand til 375 watt (jeg brugte et litiumbatteri, hvis du bruger et batteri, skal du sørge for at have en LVC (lavspændingsafbrydelse))
• Boost effektomformer i stand til at levere 350 watt ved 65 volt. (Søg "Yeeco strømomformer 900 watt" på Amazon, og du finder den, jeg brugte.)
• "Perf board" eller proto-board til at bygge alt på. Jeg anbefaler, at du har mindst 15 kvadratmeter at arbejde med til dette projekt, 18 hvis du vil bygge inputkortet på det samme bord.
• Kølelegeme til at montere MOSFET'erne på
• 220uf kondensator
• 2x 470uf kondensator, en skal være vurderet til indgangsspænding (ikke HV)
• 2x 470nf kondensator
• 1x 1nf kondensator
• 12x 100nf keramisk kondensator (eller du kan bruge poly)
• 2x 100nf poly kondensator [HV]
• 1x 1uf Poly kondensator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolytkondensator [HV]
• 2x 1n4003 diode (enhver diode, der kan modstå 2*HV eller mere, er fin)
• 1x 10 amp sikring (eller kort stykke 30AWG ledning hen over en terminalblok)
• 2x 2,5mh induktor (eller vind din egen)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Skal være ægte!]
• Assorterede modstande, du kan få dem fra eBay eller Amazon for et par kroner
• 4x 2k trimmer potentiometre
• 2x KIA4558 Op -forstærker (eller lignende lydforstærkere)
• 3x LM311 komparatorer
• 1x 7808 spændingsregulator
• 1x "Lm2596" buck converter board, du kan finde dem på eBay eller Amazon for et par kroner
• 2x NCP5181 gate driver IC (du kan blæse nogle, få mere) [Skal være ægte!]
• 3-benet header til tilslutning til inputkort (eller flere ben til mekanisk stivhed)
• Ledninger eller klemmer til højttalere, strøm osv
• 18AWG strømledning (til tilslutning af strømtrinnet)
• 22 AWG-tilslutningstråd (til tilslutning af alt andet)
• 200 ohm laveffektlydtransformator til indgangstrin
• Lille 12v/200ma (eller mindre) computerblæser til afkøling af forstærkeren (valgfri)

Værktøjer og forsyninger:

• Oscilloskop med mindst 2us/div opløsning med en 1x og 10x sonde (du kan bruge en 50k og 5k modstand til at lave din egen 10x sonde)
• Multimeter, der kan udføre spænding, strøm og modstand
• Lodde og loddejern (jeg bruger Kester 63/37, GOD KVALITET blyfri fungerer også hvis du er erfaren)
• Loddesuger, væge osv. Du VIL begå fejl på et så stort kredsløb, især når det loddes induktoren, det er en smerte.
• Trådskærere og strippere
• Noget der kan generere en firkantbølge på et par HZ, som et brødbræt og en 555 timer

Trin 2: Lær hvordan selvoscillerende klasse D fungerer (valgfrit, men anbefales)

Inden du begynder, er det en god idé at få at vide, hvordan kredsløbet rent faktisk fungerer. Det vil i høj grad hjælpe med eventuelle problemer, du måtte have længere fremme, og vil hjælpe dig med at forstå, hvad hver del af det fulde skema gør.

Det første billede er en graf produceret af LTSpice, der viser forstærkerens reaktion på en øjeblikkelig ændring i indgangsspændingen. Som du kan se fra grafen, forsøger den grønne linje at følge den blå linje. Så snart input ændres, går den grønne linje op så hurtigt som muligt og afregnes med minimal overskridelse. Den røde linje er spændingen i udgangstrinnet før filteret. Efter ændringen sætter forstærkeren sig hurtigt og begynder igen at svinge omkring setpunktet.

Det andet billede er det grundlæggende kredsløbsdiagram. Lydindgangen sammenlignes med feedback -signalet, som genererer et signal til at drive udgangstrinnet for at bringe output tættere på input. Hysterese i komparatoren får kredsløbet til at svinge omkring den ønskede spænding med en frekvens, der er alt for høj til, at ører eller højttalere kan reagere på.

Hvis du har LTSpice, kan du downloade og lege med.asc -skematisk fil. Prøv at ændre r2 for at ændre frekvensen, og se kredsløbet gå amok, når du fjerner snubberen, der dæmper overdreven svingning omkring LC -filterets resonanspunkt.

Selvom du ikke har LTSpice, vil studiet af billederne give dig en god idé om, hvordan alt fungerer. Lad os nu komme i gang med at bygge.

Trin 3: Byg strømforsyningen

Inden du begynder at lodde noget, skal du kigge på skematisk og eksempellayout. Skematikken er en SVG (vektorgrafik), så når du har downloadet den, kan du zoome ind så meget som du vil, uden at miste opløsning. Beslut, hvor du vil placere alt på tavlen, og byg derefter strømforsyningen. Tilslut batterispænding og jord, og sørg for, at intet bliver varmt. Brug et multimeter til at justere "lm2596" -kortet til at levere 12 volt og kontrollere, at 7808 -regulatoren udsender 8 volt.

Det er det for strømforsyningen.

Trin 4: Byg Output Stage og Gate Driver

Af hele byggeprocessen er dette det sværeste trin af dem alle. Byg alt i "Gate driver -kredsløbet" og "Power stage" i skematikken, og sørg for, at FET'erne er fastgjort til kølelegemet.

I skematikken vil du se ledninger, der ser ud til at gå ingen steder og sige "vDrv". Disse kaldes etiketter i skematisk, og alle etiketter med samme tekst får forbindelse til hinanden. Tilslut alle de "vDrv" -mærkede ledninger til udgangen på 12v -regulatorkortet.

Efter at have afsluttet dette trin, tænd dette kredsløb med en strømbegrænset forsyning (du kan bruge en modstand i serie med strømforsyningen) og sikre, at intet bliver varmt. Prøv at tilslutte hvert af indgangssignalerne til portdriveren til 8v fra strømforsyningen (en ad gangen) og kontrollere, at de korrekte porte drives. Når du har bekræftet, at du ved, at gate -drevet fungerer.

På grund af portdrevet ved hjælp af et bootstrap -kredsløb kan du ikke teste output direkte ved at måle udgangsspændingen. Sæt multimeteret på diodetjek og tjek mellem hver højttalerterminal og hver strømterminal.

1. Positiv til taleren 1
2. Positiv til taler 2
3. Negativt til taler 1
4. Negativt til taler 2

Hver bør kun vise delvis ledningsevne på en måde, ligesom en diode.

Hvis alt fungerer, tillykke, du har lige afsluttet den sværeste sektion af tavlen. Du huskede korrekt jordforbindelse, ikke?

Trin 5: Byg MOSFET Gate Drive Signal Generator

Når du er færdig med gate -driveren og effektfasen, er du klar til at bygge den del af kredsløbet, der genererer de signaler, der fortæller gate -driverne, hvilke FET'er der skal tændes på hvilket tidspunkt.

Byg alt i "MOSFET -driver -signalgeneratoren med død tid" i skematikken, og sørg for at du ikke glemmer nogen af de små kondensatorer. Hvis du udelader dem, vil kredsløbet stadig teste fint, men det vil ikke fungere godt, når du forsøger at køre en højttaler på grund af komparatorerne, der parasitalt svinger.

Test derefter kredsløbet ved at fodre en firkantbølge på et par hertz i "MOSFET -driver -signalgeneratoren med død tid" fra din signalgenerator eller 555 -timerkredsløb. Tilslut batterispænding til "HV in" gennem en strømbegrænsende modstand.

Tilslut et oscilloskop til højttalerudgange. Du bør få batterispændingen til at vende polariteten et par gange i sekundet. Intet skal blive varmt, og output skal være en flot, skarp firkantbølge. Lidt overskridelse er fint, så længe det ikke er mere end 1/3 batterispænding.

Hvis output producerer en ren firkantbølge, betyder det, at alt, hvad du har bygget indtil nu, fungerer. Kun et underkredsløb tilbage til afslutningen.

Trin 6: Komparator, differentialforstærker og sandhedens øjeblik

Du er nu klar til at bygge den del af kredsløbet, der faktisk udfører klasse D -modulationen.

Byg alt i "Komparator med hysterese" og "Differentialforstærker til feedback" i skematikken, samt de to 5k modstande, der holder kredsløbet stabilt, når der ikke er sluttet noget til indgangen.

Tilslut strøm til kredsløbet (men ikke HV ind endnu) og kontroller, at ben 2 og 3 på U6 begge skal være tæt på halvdelen af Vreg (4 volt).

Hvis begge disse værdier er korrekte, skal du tilslutte en subwoofer på tværs af udgangsterminalerne. tilslut strøm og HV til batterispænding gennem en strømbegrænsende modstand (du kan bruge en 4 ohm eller større subwoofer som modstand). Du skal høre en lille pop, og subwooferen må ikke bevæge sig den ene eller den anden vej mere end en millimeter eller deromkring. Kontroller med et oscilloskop for at sikre, at signalerne, der går ind til og kommer ud af NCP5181 gate -driverne, er rene og har omkring 40% driftscyklus hver. Hvis dette ikke er tilfældet, skal du justere de to variable modstande, indtil de er. Frekvensen af gate-drivbølgerne vil være lavere end de ønskede 70-110 KHZ på grund af at HV ikke er forbundet til spændingsforstærkeren.

Hvis gate -drive -signalerne slet ikke svinger, kan du prøve at skifte SPK1 og SPK2 til differentialforstærkeren. Hvis det stadig ikke virker, skal du bruge et oscilloskop til at spore fejlen. Det er næsten helt sikkert i komparatoren eller differentialforstærkerkredsløbet.

Når kredsløbet fungerer, skal du lade højttaleren være tilsluttet og tilføje spændingsforstærkermodulet for at øge spændingen til HV til omkring 65-70 volt (husk sikringen). Tænd for kredsløbet, og sørg for, at intet bliver varmt i starten, især MOSFET'erne og induktoren. Fortsæt med at overvåge temperaturerne i cirka 5 minutter. Det er normalt, at induktoren bliver varm, så længe den ikke er for varm til at røre ved konstant. MOSFETS bør ikke være mere end lidt varme.

Kontroller frekvens- og driftscyklus for gate -drivbølgerne igen. Juster for en 40% driftscyklus, og sørg for, at frekvensen er mellem 70 og 110 Khz. Hvis det ikke er tilfældet, skal du justere R10 i skematikken for at korrigere frekvensen. Hvis frekvensen er korrekt, er du klar til at begynde at afspille lyd med forstærkeren.

Trin 7: Lydindgang og sidste test

Nu hvor selve forstærkeren fungerer tilfredsstillende, er det tid til at bygge inputfasen. På et andet bord (eller det samme, hvis du har plads), skal du bygge kredsløbet i henhold til skematikken, der følger med dette trin (du skal downloade det), og sørg for, at det er afskærmet med et jordet stykke metal, hvis det er tæt på støjgenerering komponenter. Tilslut strøm og jord til kredsløbet fra forstærkeren, men tilslut ikke lydsignalet endnu. Kontroller, at lydsignalet er på omkring 4 volt og ændres en smule, når du drejer "DC offset justér" potentiometeret. Juster potentiometeret til 4 volt, og lod lydindgangskablet til resten af kredsløbet.

Selvom skematisk viser brug af et hovedtelefonstik som input, kan du også tilføje en bluetooth -adapter med dens udgang kablet til, hvor lydstikket er. Bluetooth -adapteren kan drives af en 7805 -regulator. (Jeg havde en 7806 og brugte en diode til at tabe yderligere 0,7 volt).

Tænd for forstærkeren igen, og tilslut et kabel til AUX -stikket på inputkortet. Der vil sandsynligvis være noget svagt statisk.

Hvis statikken er for høj, er der et par ting, du kan prøve:

• Beskyttede du inputfasen godt? Komparatorerne genererer også støj.
• Tilføj en 100nf kondensator på tværs af transformatorens output.
• Tilføj en 100nf kondensator mellem lyd ud og jord, og placer en 2k modstand på linje før kondensatoren.
• Sørg for, at aux -ledningen ikke er i nærheden af strømforsyningen eller forstærkerens udgangskabler.

Skru langsomt (over flere minutter) op for lydstyrken, og sørg for, at intet bliver for varmt eller forvrænger. Juster forstærkningen, så forstærkeren ikke klipper, medmindre lydstyrken er maksimal.

Afhængigt af kvaliteten af induktorkernen og størrelsen på kølelegemet kan det være en god idé at tilføje en lille blæser, der drives fra 12v -skinnen, for at afkøle forstærkeren. Dette er en særlig god idé, hvis du lægger det i en æske.