Objašnjena 4 učinkovita kruga pojačala PWM

Audio pojačala koja su dizajnirana za pojačavanje analognog audio signala putem modulacije širine impulsa ili PWM obrade i s podesivim radnim ciklusom poznata su po mnogim imenima, uključujući digitalno pojačalo, pojačalo klase D, komutirano pojačalo i PWM pojačalo.

Budući da može raditi s visokom učinkovitošću, a Pojačalo klase D je postao omiljeni koncept za mobilne i razglasne aplikacije gdje su izobličenja zanemariva.

Zašto su PWM pojačala toliko učinkovita

To je zato što pretvaraju analogni audio signal u ekvivalentni PWM modulirani sadržaj. Ovaj modulirani PWM audio signal učinkovito se pojačava izlaznim uređajima poput MOSFET-a ili BJT-a, a zatim pretvara natrag u analognu verziju velike snage pomoću posebnih induktora preko povezanih zvučnika.

Mi to znamo poluvodiča uređaji kao što su MOSFET-ovi i BJT-ovi 'ne vole' raditi u nedefiniranim područjima ulaznog signala i imaju tendenciju da postanu vrući. Na primjer a MOSFET neće se pravilno uključiti kad su signalni signali ispod 8 V, a BJT-ovi neće pravilno reagirati na osnovnom pogonu ispod 0,5 V, što rezultira velikom količinom odvođenja topline kroz njihov hladnjak tijela.

Analogni signali koji su po svojoj prirodi eksponencijalni prisiljavaju gore navedene uređaje da rade s neugodnim i nepovoljnim potencijalima usporenog i usporenog pada, što uzrokuje veliko rasipanje topline i veće neučinkovitosti.

PWM pojačala pojačanja, nasuprot tome, omogućuju da ovi uređaji rade ili ih potpuno UKLJUČUJU ili isključuju u potpunosti, bez posrednih nedefiniranih potencijala. Zbog toga uređaji ne zrače toplinu, a pojačanje zvuka vrši se s visokom učinkovitošću i minimalnim gubicima.

Prednosti digitalnog pojačala u odnosu na linearno pojačalo

• Digitalna ili PWM pojačala koriste PWM obradu i stoga izlazni uređaji pojačavaju signale s minimalnim odvođenjem topline. Linearna pojačala koriste dizajn sljednika emitera i odvode veliku količinu topline tijekom pojačanja zvuka.
• Digitalna pojačala mogu raditi s manjim brojem uređaja s izlaznom snagom u odnosu na linearna pojačala.
• Zbog minimalnog odvođenja topline, nisu potrebni hladnjak ili manji hladnjaci, u usporedbi s linearnim pojačalima koja ovise o velikim hladnjacima.
• Digitalna PWM pojačala su jeftinija, lakša i vrlo učinkovita u usporedbi s linearnim pojačalima.
• Digitalna pojačala mogu raditi s manjim ulazima napajanja od linearnih pojačala.

U ovom postu, prvim PWM pojačalom snage upravlja 6 V baterija i generira do 5 W izlazne snage. S obzirom na svoj otvoreni izlazni kapacitet, PWM pojačalo često se nalazi u megafonima.

Uobičajeno pitanje kod mobilnih AF pojačala je da je zbog njihovih svojstava niske učinkovitosti teško proizvesti veliku snagu iz niskog napona napajanja.

Međutim, PWM pojačalo u našoj raspravi ima gotovo 100% učinkovitost na razini izobličenja koja je prihvatljiva kod megafona i srodnih P.A. uređaji. U nastavku je objašnjeno nekoliko čimbenika koji doprinose dizajnu:

Modulacija širine impulsa

Princip modulacije širine impulsa (PWM) predstavljen je na donjoj slici 1.

Koncept je jednostavan: radni ciklus pravokutnog signala veće frekvencije kontrolira se ulaznim signalom. Vrijeme uključivanja impulsa relativno je prema trenutnoj amplitudi ulaznog signala.

Količina vremena i vremena isključenja uz frekvenciju je konstantna. Stoga, kada nedostaje ulazni signal, proizvodi se simetrični kvadratni val.

Da bi se postigla relativno dobra kvaliteta zvuka, frekvencija pravokutnog signala mora biti dvostruko veća od najviše frekvencije ulaznog signala.

Dobiveni signal može se koristiti za napajanje zvučnika. Slika 4 prikazuje jasnu pretvorbu u tragu osciloskopa.

Gornji trag prikazuje izlazni signal naknadnog filtriranja i izmjeren preko zvučnika. Amplituda preostalih PWM signal to je preklapanje sinusnog vala je malo.

Elektronički prekidači kao pojačala

Slika 2 opisuje standardni rad PWM pojačala uz pomoć blok dijagrama.

Pretpostavimo kad je ulaz kratko spojen, prekidač S_dosnage kondenzator C₇sa strujom I_dva. To se događa sve dok se ne postigne odgovarajući napon gornje granične sklopke.

Zatim, povezuje R₇prizemljiti. Nakon toga, C₇se prazni na donji granični preklopni napon S_do. Kao rezultat, C₇i R₇proizvodi kvadratni val frekvencije 50 kHz.

Kada se AF signal dovede na ulaz pojačala, dodatna struja I₁relativno smanjuje ili povećava vrijeme punjenja, ili povećava i smanjuje vrijeme pražnjenja.

Dakle, ulazni signal modificira radni faktor kvadratnog vala koji se vidi na izlazu iz zvučnika.

Postoje dva zakona koja su ključna za osnovni rad PWM pojačala.

1. Prva je sklopka S_bkontrolira se u antifazi sa S_dodok je drugi terminal zvučnika zadržao kao alternativni napon onome PWM signala.

Ova postavka daje ishod preklopnog stupnja izlazne snage tipa mosta. Nakon toga, pri svakom polaritetu, zvučnik se forsira punim naponom napajanja tako da se postigne maksimalna potrošnja struje.

2. Drugo, promatramo prigušnice L₁i L_dva. Svrha induktora je integrirati pravokutni signal i pretvoriti ih u sinusoidne, kao što je ranije prikazano u tragu opsega. Nadalje, oni također funkcioniraju i prigušivači harmonika pravokutnog signala od 50 kHz.

Visoka snaga zvuka iz skromnog dizajna

Iz sheme na gornjoj slici možete lako prepoznati elektroničke komponente korištene u blok dijagramu.

Pregršt dijelova poput otpornika R1, spojnih kondenzatora C₁i C₄, kontrola glasnoće P₁i pojačalo temeljeno na opampu A₁radi pristranski posao za kondenzatorski (ili elektrostatički) mikrofon.

Cijela ova operacija stvara ulazni segment PWM pojačala. Kao što je ranije spomenuto, sklopke S_doi S_bgrade se elektroničkim prekidačima ES₁nožni prsti₄i tranzistorski parovi T₁-T₃i T_dva-T₄.

Oznake dijelova za elektroničke komponente koje čine PWM generator odnose se na one opisane u blok dijagramu.

Vjerojatno je PWM pojačalo neuobičajeno učinkovito jer se izlazni tranzistori ne zagrijavaju čak ni kada su prisiljeni u stanju s potpuno pogonom. Ukratko, u stupnju izlazne snage praktično nema rasipanja.

Najvažniji čimbenik koji morate uzeti u obzir prije odabira prigušnica L₁i L_dvajest da moraju biti sposobni za usmjeravanje 3 A bez zasićenja.

Stvarno razmatranje induktivnosti dolazi tek na drugo mjesto. Na primjer, induktori korišteni u ovom projektu dobiveni su iz prigušivača svjetlosti.

Namjena dioda D₃do D₆je zadržavanje zadnjeg EMF-a koji proizvode induktori na razumno sigurnu vrijednost.

Štoviše, neinvertirajući ulaz opampa A₁tvori D₁, C₃, D_dvai R₃. Ovaj ulazni napon, učinkovito filtriran, jednak je polovici napona napajanja.

Kada se koristi tradicionalno pojačalo opamp, pojačanje napona dodjeljuje se negativnom povratnom krugom. R₄i R₅postavit će pojačanje na 83 kako bi se osigurala dovoljna osjetljivost mikrofona.

U slučaju da koristite izvore signala visoke impedancije, R₄može se pojačati po potrebi.

L₁i L_dvauzrokuju fazni pomak i zbog toga je moguća povratna sprega uz pomoć kvadratnog valnog signala na kolektoru T₁u usporedbi sa sinusoidnim zvučničkim signalom.

U kombinaciji s C₅opamp pruža značajnu integraciju PWM povratnog signala.

Sustav povratnih informacija smanjuje izobličenja pojačala, ali ne toliko opsežno da biste ga mogli koristiti i za druge programe, osim za razglas.

Obično bi za pojačalo klase D s malim izobličenjima bili potrebni znatno povećana količina napajanja i složeni dizajn sklopa.

Provedba ove postavke omela bi ukupnu učinkovitost sklopa. Obratite pažnju pri odabiru elektroničkih prekidača u pojačalu jer su tipovi HCMOS prikladni.

Tipični CMOS tip 4066 izuzetno je trom i neprikladan za pokretanje 'kratkog spoja' preko T-a₁-T₃i T_dva-T₄. I ne samo to, već postoji i povećani rizik od prekomjernog rada ili čak trajnog oštećenja pojačala.

PWM pojačalo za megafonsku primjenu

Ljubitelji elektronike radije koriste pojačalo klase D za napajanje zvučnika tipa sirene, jer može proizvesti najglasniji zvuk za odabranu razinu snage.

Pomoću 6 V baterija i zvučnika u tlačnoj komori lako je konstruiran model pojačala.

Postojećih 4 W izlazne snage bilo je mjerljivo u megafonu s pristojnim opsegom zvuka.

Četiri suhe baterije od 1,5 V ili alkalne monoćelije spojene su u seriju za opskrbu naponom megafona. U slučaju da ovu postavku želite često koristiti, odlučite se za punjivu NiCd ili gel-tip (Dryfit) bateriju.

Budući da je maksimalna trenutna potrošnja megafona 0,7 A, standardni alkalni prikladan je za podršku radu tijekom 24 sata pri punoj izlaznoj snazi.

Ako planirate ne-kontinuiranu upotrebu, odabir skupa suhih stanica bit će više nego dovoljan.

Imajte na umu da bez obzira na izvor napajanja koji koristite, on nikada ne smije prijeći više od 7 V.

Razlog su HCMOS prekidači u IC-u₁ne bi ispravno funkcionirao na toj razini napona ili više.

Srećom, za pojačalo je maksimalni prag napona napajanja veći od 11 V.

Dizajn PCB-a za gore objašnjeno pojačalo PWM klase D dat je u nastavku:

Još jedno dobro PWM pojačalo

Dobro dizajnirano PWM pojačalo sadržavat će simetrični pravokutni generator valova.

Radni ciklus ovog pravokutnog vala modulira se audio signalom.

Umjesto da rade linearno, izlazni tranzistori rade kao prekidači, pa su ili potpuno uključeni ili isključeni. U stanju mirovanja radni ciklus valnog oblika iznosi 50%.

To znači da je svaki izlazni tranzistor u potpunosti zasićen ili poznat i kao provodnik, u istom trajanju. Kao rezultat, prosječni izlazni napon je nula.

To znači ako jedan od prekidača ostane zatvoren malo duže od drugog, prosječni izlazni napon bit će negativan ili pozitivan, ovisno o polaritetu ulaznog signala.

Stoga možemo primijetiti da je prosječni izlazni napon u odnosu na ulazni signal. To je zato što izlazni tranzistori u potpunosti rade kao prekidači, stoga u izlaznom stupnju postoji strahovito mali gubitak snage.

Dizajn

Slika 1 prikazuje cijelu shemu pojačala PWM klase D. Vidimo da PWM pojačalo ne treba biti previše složeno.

Ulazni audio signal primjenjuje se na opcijsko pojačalo IC1 koje funkcionira kao komparator. Ova postavka vodi pregršt Schmittovih okidača koji su povezani paralelno s krugom.

Ondje su iz dva razloga. Prvo, mora postojati 'kvadratni' valni oblik, a drugo, potrebna je odgovarajuća osnovna struja pogona za izlazni stupanj. U ovoj su fazi instalirana dva jednostavna, ali brza tranzistora (BD137 / 138).

Cijelo pojačalo oscilira i generira kvadratni val. Razlog je što je jedan ulaz iz usporedbe (IC1) spojen na izlaz putem RC mreže.

Nadalje, oba ulaza IC1 pristrana su prema prvoj polovici opskrbnog napona korištenjem razdjelnika napona R3 / R4.

Svaki put kad je IC1 izlaz nizak, a emiteri T1 / T2 visoki, punjenje kondenzatora C3 događa se kroz otpornik R7. Istodobno će doći do porasta napona na neinvertirajućem ulazu.

Jednom kada ovaj eskalirajući napon prijeđe razinu invertirajućeg putanja, vanjski dio IC1 mijenja se s niskog na visoki.

Kao rezultat, emiteri T1 / T2 okreću se od visokog prema niskom. Ovo stanje omogućuje pražnjenje C3 kroz R7 i napon na plus ulazu padne ispod napona na minus ulazu.

Izlaz IC1 također se vraća u nisko stanje. Na kraju se stvara kvadratni izlaz na frekvenciji koju određuju R7 i C3. Navedene vrijednosti generiraju oscilacije na 700 kHz.

Korištenjem oscilator , možemo modulirati frekvenciju. Razina invertiranog ulaza IC1 koja se obično koristi kao referenca ne ostaje konstantna, već o njoj odlučuje audio signal.

Nadalje, amplituda određuje točnu točku u kojoj se izlaz komparatora počinje mijenjati. Slijedom toga, 'debljina' kvadratnih valova redovito se modulira audio signalom.

Da bi se osiguralo da pojačalo ne radi kao odašiljač od 700 kHz, filtriranje se mora izvršiti na njegovom izlazu. LC / RC mreža koja sadrži L1 / C6 i C7 / R6 dobro radi kao filtar .

Tehničke specifikacije

• Opremljeno opterećenjem od 8 ohma i 12 V napajanjem, pojačalo je generiralo 1,6 W.
• Kad se koristi 4 ohma, snaga se povećala na 3 W. Za tako malu odvodenu toplinu nije potrebno hlađenje izlaznih tranzistora.
• Dokazano je da je harmonijsko izobličenje neobično malo za takav jednostavan sklop.
• Ukupna razina harmonijskog izobličenja bila je niža od 0,32% od izmjerenog raspona od 20 Hz do 20 000 Hz.

Na donjoj slici možete vidjeti PCB i raspored dijelova pojačala. Vrijeme i troškovi izgradnje ovog kruga vrlo su mali, tako da pruža izvrsnu priliku svima koji žele bolje razumjeti PWM.

Popis dijelova

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

Razno:
L1 = 39μH Induktor

Jednostavni 3 tranzistorski krug pojačala klase D

Izvanredna učinkovitost PWM pojačala takva je da se snaga od 3 W može proizvesti s BC107 koji se koristi kao izlazni tranzistor. Još bolje, ne zahtijeva hladnjak.

Pojačalo sadrži oscilator širine impulsa kontroliranog naponom koji radi na oko 6 kHz i prisiljava izlazni stupanj klase D.

Postoje samo dva scenarija - potpuno uključeno ili potpuno isključeno. Zbog toga je rasipanje nevjerojatno malo i posljedično daje visoku učinkovitost. Izlazni valni oblik ne izgleda kao ulazni.

Međutim, integral izlaznog i ulaznog valnog oblika proporcionalni su jedni drugima u odnosu na vrijeme.

Predstavljena tablica vrijednosti komponenata pokazuje da se može proizvesti svako pojačalo s izlazima između 3 W i 100 W. S obzirom na to, mogu se postići jače snage do 1 kW.

Mana je što stvara oko 30% izobličenja. Kao rezultat, pojačalo se može koristiti samo za pojačavanje zvuka. Pogodan je za razglas jer je govor nevjerojatno razumljiv.

Digitalno Op-pojačalo

Sljedeći koncept pokazuje kako se koristi osnovni set resetiranja flip flop IC 4013 koji se može primijeniti za pretvaranje analognog audio signala u odgovarajući PWM signal, koji se dalje može dovoditi u MOSFET stupanj za željeno pojačanje PWM-a.

Pola paketa 4013 možete koristiti kao pojačalo s digitalnim izlazom s radnim ciklusom proporcionalnim željenom izlaznom naponu. Kad god vam treba analogni izlaz, posao bi obavio jednostavan filtar.

Morate slijediti impulse takta kako je navedeno i oni moraju biti znatno veći u frekvenciji od željene širine pojasa. Pojačanje je R1 / R2, dok vrijeme R1R2C / (R1 + R2) mora biti duže od razdoblja impulsa takta.

Prijave

Postoji mnogo načina na koje se krug može koristiti. Neki su:

1. Nabavite impulse s točke prijelaza nule na mreži i prisilite trijak s izlazom. Kao rezultat, sada imate relacijsku kontrolu snage bez RFI-ja.
2. Pomoću brzog sata prebacite pogonski tranzistor na izlaz. Rezultat je visoko učinkovito PWM pojačalo.

Pojačalo sa 30 W snage

Shema sklopa za 30W audio-pojačalo klase -D može se vidjeti u sljedećoj pdf datoteci.

Operacijsko pojačalo IC1 pojačava ulazni audio signal kroz potenciometar VR1 s promjenjivom glasnoćom. Signal PWM (modulacija širine impulsa) generira se usporedbom audio signala s valom trokuta od 100 kHz. To se postiže pomoću usporedbe 1C6. Otpornik RI3 služi za pružanje pozitivnih povratnih informacija, a C6 je zapravo uveden kako bi se povećalo vrijeme rada komparatora.

Izlaz komparatora prebacuje se između napona ekstremnih ± 7,5V. Vučni otpor R12 nudi + 7,5 V, dok -7,5 V daje interni tranzistor otvorenog odašiljača optičkog IC6 na kontaktu 1. Tijekom vremena dok se ovaj signal pomiče na pozitivnu razinu, tranzistor TR1 radi poput trenutnog terminala sudopera. Ovaj ponor struje uzrokuje porast pada napona na otporniku R16, što postaje taman toliko da se UKLJUČI MOSFET TR3.

Kad se signal prebaci u negativnu krajnost. TR2 se pretvara u izvor struje što dovodi do pada napona na R17. Ovaj pad postaje taman dovoljan za UKLJUČIVANJE TR4. U osnovi, MOSFET-ovi TR3 i TR4 pokreću se naizmjenično generirajući PWM signal koji prebacuje između +/- 15V.

U ovom trenutku postaje neophodno vratiti ili pretvoriti ovaj pojačani PWM signal u dobru reprodukciju zvuka koja može biti pojačani ekvivalent ulaznog audio signala.

To se postiže stvaranjem prosjeka radnog ciklusa PWM kroz Butterworhov niskopropusni filtar trećeg reda koji ima graničnu frekvenciju (25 kHz) znatno ispod osnovne frekvencije trokuta.

Ova akcija dovodi do velikog slabljenja na 100 kHz. Dobiveni konačni izlaz pretvara se u audio izlaz koji je pojačana replikacija ulaznog audio signala.

Generator valova trokuta kroz konfiguraciju kruga 1C2 i 1C5, gdje IC2 radi poput generatora kvadratnih valova s ​​pozitivnom povratnom spregom koja se isporučuje kroz R7 i R11. Diode DI do D5 rade poput dvosmjerne stezaljke. To popravlja napon na približno +/- 6V.

Savršeni integrator stvoren je putem unaprijed postavljenih VR2, kondenzatora C5 i IC5 koji transformiraju kvadratni val u val trokuta. Unaprijed postavljeni VR2 nudi značajku frekvencije prilagođavanja.

Izlaz 1C5 na (pin 6) opskrbljuje povratnom informacijom 1C2, a otpor R14 i unaprijed postavljena VR3 funkcioniraju kao fleksibilni prigušivač koji omogućuje podešavanje razine vala trokuta prema potrebi.

Nakon izrade punog kruga, VR2 i VR3 moraju se fino podesiti kako bi se omogućio najkvalitetniji audio izlaz. Skup uobičajenih 741 opcijskih pojačala za 1C4 i IC3 može se upotrijebiti kao međuspremnici za pojačanje jedinice za napajanje +/- 7,5 V snage.

Kondenzatori C3, C4, C11 i C12 koriste se za filtriranje, dok se ostali kondenzatori koriste za razdvajanje napajanja.

Krug se može napajati s dvostrukim napajanjem +/- 15V istosmjerne struje, koje će moći provesti zvučnik od 30 W od 8 ohma kroz LC fazu pomoću kondenzatora C13 i induktora L2. Imajte na umu da će za MOSFET TR3 i TR4 vjerojatno biti potrebni skromni hladnjaci.