Izskaidrotas 4 efektīvas PWM pastiprinātāju shēmas

Audio pastiprinātāji, kas paredzēti analogā audio signāla pastiprināšanai, izmantojot impulsa platuma modulāciju vai PWM apstrādi, un ar regulējamu darbības ciklu ir pazīstami ar daudziem nosaukumiem, tostarp digitālo pastiprinātāju, D klases pastiprinātāju, komutēto pastiprinātāju un PWM pastiprinātāju.

Tā kā tā var darboties ar augstu efektivitāti, a D klases pastiprinātājs ir kļuvis par iecienītāko mobilo un publisko adrešu lietojumprogrammu jēdzienu, kur sagrozīšana ir nenozīmīga.

Kāpēc PWM pastiprinātāji ir tik efektīvi

Tas ir tāpēc, ka tie pārveido analogo audio signālu līdzvērtīgā PWM modulētā saturā. Šo modulēto PWM audio signālu efektīvi pastiprina izejas ierīces, piemēram, MOSFET vai BJT, un pēc tam pārveido atpakaļ par jaudīgu analogo versiju, izmantojot īpašus induktorus savienotajos skaļruņos.

Mēs to zinām pusvadītājs tādas ierīces kā MOSFET un BJT “nepatīk” tiek darbināts nenoteiktos ieejas signāla reģionos un mēdz kļūt karsts. Piemēram, a MOSFET nedarbosies pareizi, ja vārtu signāli ir zem 8 V, un BJT nereaģēs pareizi, ja bāzes piedziņa ir zemāka par 0,5 V, kā rezultātā ķermeņa siltuma izlietne izdalīs lielu daudzumu siltuma.

Analogie signāli, kas pēc būtības ir eksponenciāli, liek iepriekšminētajām ierīcēm darboties ar neērtiem un nelabvēlīgiem lēnas un lēnas krišanas potenciāliem, izraisot lielu siltuma izkliedi un lielāku neefektivitāti.

PWM pastiprināšanas koncepcija savukārt ļauj šīm ierīcēm darboties, pilnībā ieslēdzot vai pilnībā izslēdzot bez starpposma nenoteiktiem potenciāliem. Tādēļ ierīces neizstaro nekādu siltumu, un audio pastiprinājums tiek atveidots ar augstu efektivitāti un minimāliem zudumiem.

Digitālā pastiprinātāja priekšrocības, salīdzinot ar lineāro pastiprinātāju

• Digitālajos vai PWM pastiprinātājos tiek izmantota PWM apstrāde, tāpēc izejas ierīces pastiprina signālus ar minimālu siltuma izkliedi. Lineārie pastiprinātāji izmanto izstarotāju sekotāju konstrukciju un skaņas pastiprināšanas laikā izkliedē lielu siltuma daudzumu.
• Digitālie pastiprinātāji var strādāt ar mazāku izejas barošanas ierīču skaitu, salīdzinot ar lineārajiem pastiprinātājiem.
• Minimālas siltuma izkliedes dēļ nav nepieciešami radiatori vai mazāki radiatori, salīdzinot ar lineārajiem ampēriem, kas ir atkarīgi no lieliem radiatoriem.
• Digitālie PWM pastiprinātāji ir lētāki, vieglāki un ļoti efektīvi, salīdzinot ar lineārajiem pastiprinātājiem.
• Digitālie ampēri var darboties ar mazākām barošanas avota ieejām nekā lineārie pastiprinātāji.

Šajā ziņojumā pirmais zemāk redzamais PWM jaudas pastiprinātājs tiek darbināts ar 6 V akumulatoru un ģenerē līdz 5 W izejas jaudu. Ņemot vērā tā acīmredzamo izejas jaudu, PWM pastiprinātājs bieži tiek atrasts megafonos.

Bieži sastopama problēma ar mobilajiem AF pastiprinātājiem ir tā, ka to zemās efektivitātes īpašību dēļ ir grūti ražot lielu jaudu no zema barošanas sprieguma.

Tomēr mūsu diskusijā esošajam PWM pastiprinātājam ir gandrīz 100% efektivitāte izkropļojumu līmenī, kas ir pieņemams ar megafoniem un ar tiem saistīto P.A. ierīces. Daži faktori, kas veicina dizainu, ir paskaidroti zemāk:

Impulsa platuma modulācija

Pulsa platuma modulācijas (PWM) princips ir parādīts 1. attēlā.

Koncepcija ir vienkārša: augstākas frekvences taisnstūra signāla darba ciklu kontrolē ieejas signāls. Impulsa ieslēgšanās laiks ir salīdzināms ar ieejas signāla momentāno amplitūdu.

Ieslēgšanas un izslēgšanas laika daudzums papildus frekvencei ir nemainīgs. Tāpēc, ja trūkst ieejas signāla, rodas simetrisks kvadrātveida viļņu signāls.

Lai sasniegtu salīdzinoši labu skaņas kvalitāti, taisnstūra signāla frekvencei jābūt divkāršai par augstāko ieejas signāla frekvenci.

Iegūto signālu var izmantot skaļruņa darbināšanai. 4. attēlā parādīta skaidra konversija osciloskopa pēdās.

Augšējā josla parāda izejas signāla pēcfiltrēšanu un mērīšanu pa skaļruni. Atlikušo amplitūda PWM signāls tas, kas pārklājas ar sinusa vilni, ir mazs.

Elektroniskie slēdži kā pastiprinātāji

2. attēlā aprakstīta PWM pastiprinātāja standarta darbība, izmantojot blokshēmu.

Pieņemsim, kad ievade ir īssavienota, pārslēdziet S_uzbaro kondensatoru C₇ar strāvu I_divi. Tas notiek, līdz tiek sasniegts piemērots augšējās robežas komutācijas spriegums.

Tad tas savieno R₇uz zemes. Pēc tam C₇tiek izvadīts līdz S apakšējās robežas komutācijas spriegumam_uz. Rezultātā C₇un R₇rada kvadrātveida viļņu ar 50 kHz frekvenci.

Kad pastiprinātāja ieejā tiek veikts AF signāls, papildu strāva I₁salīdzinoši samazina vai palielina uzlādes laiku vai palielina un samazina izlādes laiku.

Tātad, ieejas signāls maina kvadrātveida viļņu signāla darba koeficientu, kas redzams skaļruņa izejā.

Pastāv divi likumi, kas ir būtiski PWM pastiprinātāja pamatdarbībai.

1. Pirmais ir slēdzis S_btiek kontrolēts pretfāzē ar S_uzturot otru skaļruņa spaili kā alternatīvu spriegumu PWM signālam.

Šī iestatīšana rada komutācijas tilta tipa jaudas izvades posma rezultātu. Pēc tam katrā polaritātē skaļrunis tiek piespiests ar pilnu barošanas spriegumu, lai sasniegtu maksimālo strāvas patēriņu.

2. Otrkārt, mēs aplūkojam induktorus L₁un L_divi. Induktoru mērķis ir integrēt taisnstūra signālu un pārveidot tos par sinusoidāliem, kā parādīts iepriekš darbības jomas izsekojumā. Turklāt tie darbojas un 50 kHz taisnstūra signāla harmonikas slāpētājs.

Augstas skaņas izeja no pieticīga dizaina

No shēmas iepriekšējā attēlā jūs varat viegli identificēt elektroniskos komponentus, kas izmantoti blokshēmā.

Dažas daļas, piemēram, rezistors R1, sakabes kondensatori C₁un C₄, skaļuma regulēšana P₁un pastiprinātājs, kas balstīts ap opamp A₁veic kondensatora (vai elektrostatiskā) mikrofona izspiešanas darbu.

Visa šī darbība rada PWM pastiprinātāja ieejas segmentu. Kā tika apspriests iepriekš, slēdži S_uzun S_btiek būvēti ar elektroniskiem slēdžiem ES₁uz ES₄un tranzistoru pāri T₁-T₃un T._divi-T₄.

Daļu norādes elektroniskajiem komponentiem, kas konstruē PWM ģeneratoru, attiecas uz tām, kas aprakstītas blokshēmā.

Iespējams, ka PWM pastiprinātājs ir neparasti efektīvs, jo izejas tranzistori netiek sasildīti pat tad, ja tie tiek piespiesti ar visu piedziņu. Īsāk sakot, jaudas izvades stadijā praktiski nav izkliedes.

Vissvarīgākais faktors, kas jāņem vērā pirms induktoru L izvēles₁un L_diviir tas, ka viņiem jāspēj novirzīt 3 A, nepiesātinoties.

Faktiskais induktivitātes apsvērums ir tikai otrais. Piemēram, šajā projektā izmantotie induktori tika iegūti no gaismas regulatora.

Diodes mērķis D₃uz D₆ir jāsatur induktoru aizmugurējā EMF līdz samērā drošai vērtībai.

Turklāt opamp A neinvertējošais ievads₁veido D₁, C₃, D_diviun R₃. Šis efektīvi filtrētais ieejas spriegums ir vienāds ar pusi no barošanas sprieguma.

Izmantojot tradicionālo opamp pastiprinātāju, sprieguma pieaugumu piešķir negatīvās atgriezeniskās saites cilpa. R₄un R₅iestatīs pastiprinājumu uz 83, lai pārliecinātos par pietiekamu mikrofona jutību.

Ja izmantojat augstas pretestības signāla avotus, R₄pēc vajadzības var pastiprināt.

L₁un L_diviizraisīt fāzes nobīdi, un tāpēc atgriezeniskā saite ir iespējama ar kvadrātveida viļņu signāla palīdzību pie T kolektora₁salīdzinājumā ar sinusoidālo skaļruņu signālu.

Kombinācijā ar C₅opamp nodrošina ievērojamu PWM atgriezeniskās saites signāla integrāciju.

Atgriezeniskās saites sistēma samazina pastiprinātāja traucējumus, taču ne tik plaši, lai to varētu izmantot citām lietojumprogrammām, izņemot publisko adresi.

Parasti D klases pastiprinātājam ar zemiem traucējumiem būtu vajadzīgs ievērojami palielināts barošanas sprieguma daudzums un sarežģīta shēmas konstrukcija.

Šīs iestatīšanas ieviešana samazinātu ķēdes kopējo efektivitāti. Pievērsiet uzmanību, izvēloties pastiprinātāja elektroniskos slēdžus, jo HCMOS veidi ir piemēroti.

Tipisks CMOS tips 4066 ir ārkārtīgi gauss un neatbilstošs, lai izraisītu “īssavienojumu” visā T₁-T₃un T._divi-T₄. Tas ir ne tikai tas, bet arī paaugstināts pastiprinātāja pārmērīga darba vai pat neatgriezeniskas bojāšanas risks.

PWM pastiprinātājs megafona lietojumprogrammai

Elektronikas entuziasti dod priekšroku D klases pastiprinātājam, lai darbinātu raga tipa skaļruni, jo tas var radīt vislielāko skaņu izvēlētajam jaudas līmenim.

Izmantojot 6 V akumulatoru bloku un spiediena kameras skaļruni, pastiprinātāja modeli varēja viegli izveidot.

Esošo 4 W izejas jaudu varēja izmērīt megafonā ar pienācīgu audio diapazonu.

Lai piegādātu megafona spriegumu, sērijveidā tika savienotas četras 1,5 V sausās baterijas vai sārmainās vienšūnas. Ja vēlaties bieži izmantot šo iestatījumu, izvēlieties uzlādējamu NiCd vai gēla tipa (Dryfit) akumulatoru.

Tā kā megafona maksimālais strāvas patēriņš ir 0,7 A, standarta sārmains ir piemērots 24 stundu darbības atbalstam ar pilnu izejas jaudu.

Ja plānojat nepārtrauktu lietošanu, sauso šūnu komplekta izvēle būs vairāk nekā pietiekama.

Paturiet prātā, ka neatkarīgi no izmantotā enerģijas avota tas nekad nedrīkst šķērsot vairāk kā 7 V.

Iemesls ir HCMOS slēdži IC₁nedarbotos pareizi pie šī vai lielāka sprieguma līmeņa.

Par laimi, pastiprinātājam barošanas sprieguma maksimālais slieksnis ir lielāks par 11 V.

PCB dizains iepriekš aprakstītajam PWM D klases pastiprinātājam ir sniegts zemāk:

Vēl viens labs PWM pastiprinātājs

Labi izstrādāts PWM pastiprinātājs satur simetrisku taisnstūra viļņu ģeneratoru.

Šī taisnstūra viļņa darbības ciklu modulē audio signāls.

Tā vietā, lai darbotos lineāri, izejas tranzistori darbojas kā slēdži, tāpēc tie ir pilnībā ieslēgti vai izslēgti. Miega stāvoklī viļņa formas darbības cikls ir 50%.

Tas nozīmē, ka katrs izejas tranzistors ir pilnībā piesātināts vai pazīstams arī kā vadošs tajā pašā ilgumā. Tā rezultātā vidējais izejas spriegums ir nulle.

Tas nozīmē, ka, ja viens no slēdžiem paliek slēgts nedaudz ilgāk nekā otrs, vidējais izejas spriegums būs vai nu negatīvs, vai pozitīvs atkarībā no ieejas signāla polaritātes.

Tāpēc mēs varam novērot, ka vidējais izejas spriegums ir relatīvs ar ieejas signālu. Tas ir tāpēc, ka izejas tranzistori pilnībā darbojas kā slēdži, tāpēc izejas posmā ir ārkārtīgi mazs enerģijas zudums.

Dizains

1. attēlā parādīta visa D klases PWM pastiprinātāja shēma. Mēs varam redzēt, ka PWM pastiprinātājam nav jābūt pārāk sarežģītam.

Ieejas audio signāls tiek ievadīts op-amp IC1, kas darbojas kā salīdzinājums. Šī iestatīšana noved pie nedaudziem Schmitt aktivizētājiem, kas ir savienoti paralēli ķēdei.

Viņi tur ir divu iemeslu dēļ. Pirmkārt, ir jābūt “kvadrātveida” viļņu formai, un, otrkārt, izejas posmam ir nepieciešama atbilstoša bāzes piedziņas strāva. Šajā posmā ir uzstādīti divi vienkārši, bet ātri tranzistori (BD137 / 138).

Viss pastiprinātājs svārstās un ģenerē kvadrātveida vilni. Iemesls ir tas, ka viena izeja no salīdzinātāja (IC1) ir pievienota izejai caur RC tīklu.

Turklāt abas IC1 ieejas tiek novirzītas uz barošanas sprieguma pirmo pusi, izmantojot sprieguma dalītāju R3 / R4.

Katru reizi, kad IC1 izeja ir zema un T1 / T2 izstarotāji ir augsti, kondensatora C3 uzlāde notiek caur rezistoru R7. Tajā pašā laikā pie neinvertējošās ieejas palielināsies spriegums.

Kad šis pieaugošais spriegums šķērso invertēšanas likmes līmeni, IC1 ārpuse mainās no zema uz augstu.

Rezultātā T1 / T2 izstarotāji pagriežas no augsta uz zemu. Šis nosacījums ļauj C3 izlādēties caur R7 un spriegums plus ieejā samazinās zem sprieguma mīnus ieejā.

Arī IC1 izeja atgriežas zemā stāvoklī. Galu galā kvadrātveida viļņu izeja tiek veidota ar frekvenci, kuru nosaka R7 un C3. Norādītās vērtības rada svārstības pie 700 kHz.

Izmantojot oscilators , mēs varam modulēt frekvenci. Apgriežošās ieejas IC1 līmenis, ko parasti izmanto kā atsauci, nepaliek nemainīgs, bet to nosaka audio signāls.

Turklāt amplitūda nosaka precīzu punktu, kur salīdzinātāja izeja sāk mainīties. Līdz ar to kvadrātveida viļņu “biezumu” regulāri modulē audio signāls.

Lai nodrošinātu, ka pastiprinātājs nedarbojas kā 700 kHz raidītājs, filtrēšana jāveic pie tā izejas. LC / RC tīkls, kas sastāv no L1 / C6 un C7 / R6, labi darbojas kā a filtru .

Tehniskās specifikācijas

• Aprīkots ar 8 omu slodzi un 12 V barošanas spriegumu, pastiprinātājs radīja 1,6 W.
• Lietojot 4 omus, jauda palielinājās līdz 3 W. Šādam mazam izkliedētam siltumam izejas tranzistoru dzesēšana nav nepieciešama.
• Ir pierādīts, ka harmoniskās deformācijas ir neparasti zemas šādai vienkāršai shēmai.
• Kopējais harmonisko deformāciju līmenis bija zemāks par 0,32% no izmērītā diapazona 20 Hz līdz 20 000 Hz.

Zemāk redzamajā attēlā jūs varat redzēt PCB un pastiprinātāja detaļu izkārtojumu. Šīs ķēdes izveides laiks un izmaksas ir ļoti zemas, tāpēc tās piedāvā lieliskas iespējas ikvienam, kurš vēlas labāk izprast PWM.

Detaļu saraksts

Rezistori:
R1 - 22 tūkst
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 omi
P1 = 100k logaritmiskais potenciometrs
Konditors;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Pusvadītāji:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Dažādi:
L1 = 39μH induktors

Vienkārša 3 tranzistoru D klases pastiprinātāja shēma

Izcilā PWM pastiprinātāja efektivitāte ir tāda, ka 3 W jaudu var radīt ar BC107, ko izmanto kā izejas tranzistoru. Vēl labāk, tam nav nepieciešams radiators.

Pastiprinātājs satur ar spriegumu kontrolētu impulsa platuma oscilatoru, kas darbojas aptuveni 6 kHz frekvencē un nodrošina D klases izejas posmu.

Ir tikai divi scenāriji - pilnībā ieslēgti vai pilnībā izslēgti. Sakarā ar to izkliede ir neticami maza un līdz ar to nodrošina augstu efektivitāti. Izvades viļņu forma neizskatās pēc ievades.

Tomēr izejas un ievades viļņu formas integrālis ir proporcionāls viens otram attiecībā pret laiku.

Piedāvātā komponentu vērtību tabula parāda, ka var izgatavot jebkuru pastiprinātāju ar izeju no 3 W līdz 100 W. Ņemot vērā to, var sasniegt spēcīgāku jaudu līdz 1 kW.

Trūkums ir tāds, ka tas rada aptuveni 30% traucējumu. Rezultātā pastiprinātāju var izmantot tikai skaņas pastiprināšanai. Tas ir piemērots skaļruņu sistēmām, jo ​​runa ir neticami saprotama.

Digitālais Op-Amp

Šajā koncepcijā parādīts, kā izmantot pamata iestatījumu atiestatīšanas flip flop IC 4013, ko var izmantot, lai pārveidotu analogo audio signālu par koriģējošu PWM signālu, kuru var tālāk ievadīt MOSFET posmā vēlamajai PWM pastiprināšanai.

Jūs varat izmantot pusi no 4013 paketes kā pastiprinātāju, nodrošinot digitālo izeju ar darba ciklu, kas ir proporcionāls vēlamajam izejas spriegumam. Ikreiz, kad nepieciešama analogā izeja, darbu veic vienkāršs filtrs.

Jums jāievēro pulksteņa impulsi, kā norādīts, un tiem jābūt ievērojami augstākiem par vēlamo joslas platumu. Ieguvums ir R1 / R2, savukārt laikam R1R2C / (R1 + R2) jābūt garākam par pulksteņa impulsu periodu.

Pieteikumi

Ķēdi var izmantot daudzos veidos. Daži no tiem ir:

1. Iegūstiet impulsus no tīkla nulles šķērsošanas punkta un piespiediet triac ar izeju. Tā rezultātā jums tagad ir relācijas jaudas kontrole bez RFI.
2. Izmantojot ātru pulksteni, pārslēdziet vadītāja tranzistorus ar izeju. Rezultāts ir ļoti efektīvs PWM audio pastiprinātājs.

30 vatu PWM pastiprinātājs

30W klases -D audio pastiprinātāja shēma ir redzama šajā pdf failā.

Operatīvais pastiprinātājs IC1 pastiprina ieejas audio signālu, izmantojot mainīga skaļuma kontrolētu potenciometru VR1. PWM (impulsa platuma modulācija) signāls tiek ģenerēts, salīdzinot audio signālu ar 100 kHz trīsstūra valsti. Tas tiek panākts, izmantojot salīdzinājumu 1C6. Rezistoru RI3 izmanto pozitīvas atgriezeniskās saites nodrošināšanai, un C6 faktiski tiek ieviests, lai paildzinātu salīdzināšanas darbības laiku.

Salīdzinošā izeja pārslēdzas starp ± 7,5 V sprieguma galējībām. Paceļamais rezistors R12 piedāvā + 7,5 V, savukārt -7,5 V baro op amp IC6 iekšējais atvērtais emitera tranzistors 1. tapā. Laikā, kad šis signāls pāriet uz pozitīvu līmeni, tranzistors TR1 darbojas kā strāvas izlietnes spaile. Šī pašreizējā izlietne izraisa sprieguma krituma palielināšanos visā rezistorā R16, kas kļūst tieši tik daudz, lai ieslēgtu MOSFET TR3.

Kad signāls pārslēdzas uz negatīvo galējību. TR2 pārvēršas par strāvas avotu, kas noved pie sprieguma krituma visā R17. Šis kritums kļūst pietiekams, lai ieslēgtu TR4. Būtībā MOSFET TR3 un TR4 tiek aktivizēti pārmaiņus, radot PWM signālu, kas pārslēdzas starp +/- 15V.

Šajā brīdī ir svarīgi atgriezt vai pārveidot šo pastiprināto PWM signālu labā audio reproducēšanā, kas var būt pastiprināts ievades audio signāla ekvivalents.

Tas tiek panākts, izveidojot PWM darba cikla vidējo līmeni, izmantojot 3. kārtas Butterworh zemas caurlaidības filtru, kura sliekšņa frekvence (25 kHz) ir ievērojami zemāka par trijstūra bāzes frekvenci.

Šī darbība noved pie milzīga vājināšanās 100 kHz frekvencē. Iegūtā galīgā izeja tiek pārveidota par audio izvadi, kas ir ieejas audio signāla pastiprināta replikācija.

Trijstūra viļņu ģenerators caur ķēdes konfigurāciju 1C2 un 1C5, kur IC2 darbojas kā kvadrātveida viļņu ģenerators ar pozitīvu atgriezenisko saiti, kas tiek piegādāta caur R7 un R11. Diodes no DI līdz D5 darbojas kā divvirzienu skava. Tas nosaka spriegumu aptuveni +/- 6V.

Izmantojot iepriekš iestatītu VR2, kondensatoru C5 un IC5, tiek izveidots ideāls integrators, kas kvadrātveida vilni pārveido par trīsstūra viļņu. Iepriekš iestatītais VR2 nodrošina freqeuncy papildināšanas funkciju.

1C5 izeja pie (6. kontakts) nodrošina atgriezenisko saiti uz 1C2, un rezistors R14 un iepriekš iestatītais VR3 darbojas kā elastīgs vājinātājs, kas ļauj pēc vajadzības pielāgot trīsstūra viļņa līmeni.

Pēc pilnas ķēdes veikšanas VR2 un VR3 ir jāpielāgo, lai iespējotu visaugstākās kvalitātes audio izvadi. Parasto 741 op ampēru komplektu 1C4 un IC3 var izmantot kā vienības palielināšanas buferus, lai nodrošinātu +/- 7,5 V jaudu.

Kondensatori C3, C4, C11 un C12 tiek izmantoti filtrēšanai, bet pārējie kondensatori tiek izmantoti barošanas atvienošanai.

Ķēde var darboties ar dubultu +/- 15 V līdzstrāvas padevi, kas spēs vadīt 30 W 8 omu skaļruni caur LC posmu, izmantojot kondensatoru C13 un induktoru L2. Ņemiet vērā, ka MOSFET TR3 un TR4, iespējams, būs nepieciešami pieticīgi radiatori.