350 Watt självoscillerande klass D -förstärkare: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Introduktion och varför jag gjorde detta instruerbart:

På internet finns det massor av handledning som visar människor hur man bygger sina egna klass D -förstärkare. De är effektiva, enkla att förstå och använder alla samma allmänna topologi. Det är en högfrekvent triangelvåg som genereras av en del av kretsen, och den jämförs med ljudsignalen för att modulera ut- och frånkopplarna (nästan alltid MOSFET). Majoriteten av dessa "DIY Class D" -designer har ingen feedback, och de som låter bara rena i basregionen. De gör något acceptabla subwooferförstärkare, men har betydande distorsion i diskantregionerna. De utan feedback, på grund av dödtid som krävs för MOSFET-omkoppling, har en utgångsvågform som ser ut som en triangelvåg, i motsats till en sinusvåg. Betydande oönskade övertoner finns, vilket leder till en märkbar minskning av ljudkvaliteten som gör att musiken låter ungefär som att den kommer ur en trumpet. Det lite trumpetiska, inte så stämningsfulla ljudet från min tidigare klass D-förstärkare är varför jag bestämde mig för att forska och bygga en förstärkare med denna obskyra, underutnyttjade topologi.

Den klassiska "triangelvågkomparatorn" är dock inte det enda sättet att konstruera en förstärkare av klass D. Det finns ett bättre sätt. Varför inte göra hela förstärkaren till oscillatorn istället för att en oscillator modulerar signalen? MOSFET-utgångarna drivs (genom lämplig drivkrets) av utgången från en komparator med den positiva ingången som mottar inkommande ljud och den negativa ingången som mottar en (nedskalad) version av förstärkarens utspänning. Hysteres används i komparatorn för att reglera driftsfrekvensen och förhindra instabila högfrekventa resonanslägen. Dessutom används ett RC -snubbernätverk över utgången för att undertrycka ringning vid utgångsfiltrets resonansfrekvens och minska fasskiftet till nära 90 grader vid förstärkarens driftsfrekvens på cirka 100 Khz. Om detta enkla men kritiska filter utelämnas kommer förstärkaren att förstöra sig själv, eftersom spänningar på flera hundra volt kan genereras, vilket förstör filterkondensatorerna omedelbart.

Funktionsprincip:

Antag att förstärkaren startas först och att alla spänningar är noll. På grund av sin hysteres kommer komparatorn att bestämma sig för att dra ut resultatet antingen positivt eller negativt. I det här exemplet antar vi att jämföraren drar utgången negativ. Inom några tiotals mikrosekunder har förstärkarens utspänning minskat tillräckligt för att vända komparatorn och skicka spänningen tillbaka igen, och denna cykel upprepas cirka 60 till 100 tusen gånger varje sekund och den önskade spänningen hålls vid utgången. På grund av filterinduktorns höga impedans och filterkondensatorns låga impedans vid denna frekvens är det inte mycket brus på utgången, och på grund av den höga driftsfrekvensen är den långt över det hörbara området. Om ingångsspänningen ökar kommer utspänningen att öka så mycket att återkopplingsspänningen når utspänningen. På detta sätt uppnås förstärkning.

Fördelar jämfört med standardklass D:

1. Extremt låg utgångsimpedans: Eftersom MOSFET -utgångarna inte kommer att växla tillbaka förrän den önskade utspänningen efter att filtret har nåtts är utgångens impedans praktiskt taget noll. Även med en skillnad på 0,1 volt mellan den faktiska och önskade utspänningen, kommer kretsen att dumpa ampere till utgången tills spänningen vänder komparatorn tillbaka (eller något blåser).

2. Möjlighet att rent driva reaktiva laster: På grund av den extremt låga utgångsimpedansen kan självoscillerande klass D driva flervägs högtalarsystem med stora impedansdoppar och toppar med mycket liten harmonisk distorsion. Portade subwoofer-system med låg impedans vid portens resonansfrekvens är ett utmärkt exempel på en högtalare som en återkopplingsfri "triangelvågkomparator" -förstärkare skulle kämpa för att köra bra.

3. Bredt frekvenssvar: När frekvensen ökar kommer förstärkaren att försöka kompensera genom att variera arbetscykeln mer för att hålla återkopplingsspänningen matchad med ingångsspänningen. På grund av filterets dämpning av höga frekvenser kommer höga frekvenser att börja klippa vid en lägre spänningsnivå än lägre, men på grund av att musik har mycket mer elektrisk effekt i basen än diskanten (ungefär 1/f distribution, mer om du använd basförstärkning), det här är inget som helst problem.

4. Stabilitet: Om det är korrekt utformat och med ett snubbernätverk på plats, garanterar utgångsfiltrets nästan 90 ° fasmarginal vid driftfrekvensen att förstärkaren inte blir instabil, även om den kör tung last under kraftig klippning. Du kommer att blåsa något, troligen dina högtalare eller subs, innan förstärkaren blir instabil.

5. Effektivitet och liten storlek: På grund av förstärkarens självreglerande karaktär påverkar inte ljudkvaliteten mycket tid för MOSFET-omkopplingsvågformerna. Full belastningseffektivitet på upp till 90% är möjlig med en induktor av god kvalitet och MOSFET (jag använder IRFB4115 i min förstärkare). Som ett resultat är ett relativt litet kylfläns på FET: erna tillräckliga och en fläkt krävs endast om den arbetar inuti ett isolerat hölje med hög effekt.

Steg 1: Delar, tillbehör och förutsättningar

Förkunskaper:

Att bygga någon form av högeffekts krets, särskilt en som är utformad för att renodla ljud, kräver kunskap om grundläggande elektronikkoncept. Du behöver veta hur kondensatorer, induktorer, motstånd, MOSFETs och op-ampere fungerar samt hur man korrekt utformar ett effekthanteringskort. Du behöver också veta hur man löder genomgående hålskomponenter och hur man använder bandplatta (eller bygger ett kretskort). Denna handledning riktar sig till personer som har byggt måttligt komplicerade kretsar tidigare. Omfattande analog kunskap behövs inte, eftersom de flesta underkretsar i någon klass D -förstärkare bara har två spänningsnivåer - på eller av.

Du måste också veta hur du använder ett oscilloskop (bara de grundläggande funktionerna) och hur du felsöker kretsar som inte fungerar som avsett. Det är mycket troligt, med en krets av denna komplexitet, att du kommer att ha en underkrets som inte fungerar första gången du bygger den. Hitta och åtgärda problemet innan du går vidare till nästa steg, felsökning av en underkrets är mycket lättare än att försöka hitta ett fel någonstans i hela kortet. Oscilloskopanvändning är nödvändig för att hitta oavsiktlig oscillation och verifiera att signaler ser ut som de ska.

Allmänna tips:

På vilken klass D -förstärkare som helst kommer du att ha höga spänningar och strömmar som växlar vid höga frekvenser, vilket har potential att generera en hel del brus. Du kommer också att ha lågeffekts ljudkretsar som är känsliga för brus och som kommer att plocka upp och förstärka den. Ingångssteget och effektsteget bör vara i motsatta ändar av brädet.

Bra jordning, särskilt i kraftstadiet, är också viktigt. Se till att jordledningar går direkt från den negativa terminalen till varje gate driver och komparator. Det är svårt att ha för många jordledningar. Om du gör detta på ett kretskort, använd ett jordplan för jordning.

Delar du behöver:

(Meddela mig om jag missat någon, jag är ganska säker på att detta är en komplett lista)

(Allt märkt HV måste klassas för åtminstone den ökade spänningen för att driva högtalaren, helst mer)

(Många av dessa kan bärgas från elektronik och apparater som kastas i en soptunna, särskilt kondensatorer)

• 24 volts strömförsörjning med 375 watt (jag använde ett litiumbatteri, om du använder ett batteri, se till att du har en LVC (lågspänningsavstängning))
• Boost effektomvandlare som kan ge 350 watt vid 65 volt. (Sök "Yeeco power converter 900 watt" på Amazon så hittar du den jag använde.)
• "Perf board" eller proto-board att bygga allt på. Jag rekommenderar att du har minst 15 kvadratmeter att arbeta med för detta projekt, 18 om du vill bygga ingångskortet på samma kort.
• Kylfläns att montera MOSFET på
• 220uf kondensator
• 2x 470uf kondensator, en måste vara märkt för ingångsspänning (inte HV)
• 2x 470nf kondensator
• 1x 1nf kondensator
• 12x 100nf keramisk kondensator (eller så kan du använda poly)
• 2x 100nf poly kondensator [HV]
• 1x 1uf Poly kondensator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolytkondensator [HV]
• 2x 1n4003 -diod (vilken diod som tål 2*HV eller mer är bra)
• 1x 10 A säkring (eller kort bit 30AWG -kabel över ett plint)
• 2x 2,5 mh induktor (eller vinda din egen)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Måste vara äkta!]
• Blandade motstånd, du kan få dem från eBay eller Amazon för några dollar
• 4x 2k trimmerpotentiometrar
• 2x KIA4558 Op -förstärkare (eller liknande ljudförstärkare)
• 3x LM311 -jämförare
• 1x 7808 spänningsregulator
• 1x "Lm2596" buck converter board, du kan hitta dem på eBay eller Amazon för några dollar
• 2x NCP5181 gate driver IC (du kan blåsa lite, få mer) [Måste vara äkta!]
• 3-stifts huvud för anslutning till ingångskort (eller fler stift för mekanisk styvhet)
• Ledningar eller plintar för högtalare, ström, etc.
• 18AWG strömkabel (för anslutning av effektsteget)
• 22 AWG-anslutningskabel (för anslutning av allt annat)
• 200 ohm lågeffekttransformator för ingångssteg
• Liten 12v/200ma (eller mindre) datorfläkt för att kyla förstärkaren (tillval)

Verktyg och tillbehör:

• Oscilloskop med minst 2us/div upplösning med en 1x och 10x sond (du kan använda ett 50k och 5k motstånd för att skapa din egen 10x sond)
• Multimeter som kan göra spänning, ström och motstånd
• Löd och lödkolv (jag använder Kester 63/37, GOD KVALITET blyfri fungerar också om du har erfarenhet)
• Lödsugare, veke, etc. Du kommer att göra misstag på en så stor krets, speciellt när du lödar induktorn är det en smärta.
• Trådskärare och avskalare
• Något som kan generera en fyrkantvåg på några HZ, som en brödbräda och en 555 -timer

Steg 2: Lär dig hur självoscillerande klass D fungerar (valfritt men rekommenderas)

Innan du börjar är det en bra idé att lära känna hur kretsen faktiskt fungerar. Det kommer att hjälpa mycket med eventuella problem du kan ha längre fram, och hjälper dig att förstå vad varje del av hela schemat gör.

Den första bilden är en graf producerad av LTSpice som visar förstärkarens svar på en momentan ingångsspänningsförändring. Som du kan se från grafen försöker den gröna linjen att följa den blå linjen. Så snart ingången ändras går den gröna linjen upp så snabbt som möjligt och avgörs med minimal överskridande. Den röda linjen är spänningen i utgångssteget före filtret. Efter ändringen slår förstärkaren sig snabbt och börjar oscillera runt börvärdet igen.

Den andra bilden är det grundläggande kretsschemat. Ljudingången jämförs med återkopplingssignalen, som genererar en signal för att driva utgångssteget för att föra utgången närmare ingången. Hysteres i komparatorn gör att kretsen oscillerar kring önskad spänning med en frekvens alldeles för hög för öron eller högtalare att svara på.

Om du har LTSpice kan du ladda ner och leka med.asc schematisk fil. Prova att ändra r2 för att ändra frekvensen och se hur kretsen blir galen när du tar bort snubbern som dämpar överdriven oscillation runt LC -filterets resonanspunkt.

Även om du inte har LTSpice, kommer du att få en bra uppfattning om hur allt fungerar genom att studera bilderna. Nu ska vi börja bygga.

Steg 3: Bygg strömförsörjningen

Innan du börjar löda något, ta en titt på schemat och exempellayouten. Schemat är en SVG (vektorgrafik) så när du har laddat ner den kan du zooma in så mycket du vill utan att förlora upplösning. Bestäm var du ska placera allt på tavlan och bygg sedan strömförsörjningen. Anslut batterispänningen och jorda och se till att ingenting blir varmt. Använd en multimeter för att justera "lm2596" -kortet för att mata ut 12 volt och kontrollera att 7808 -regulatorn matar ut 8 volt.

Det är det för strömförsörjningen.

Steg 4: Bygg utdrivningssteget och gate -drivrutinen

Av hela byggprocessen är detta det svåraste steget av dem alla. Bygg allt i "Gate driver circuit" och "Power stage" i schemat och se till att FET: erna är anslutna till kylflänsen.

I schemat kommer du att se trådar som verkar gå ingenstans och säga "vDrv". Dessa kallas etiketter i schematiken och alla etiketter med samma text kopplas ihop. Anslut alla "vDrv" -märkta ledningar till utgången på 12v -regulatorkortet.

När du har slutfört detta steg, slå på kretsen med en strömbegränsad strömförsörjning (du kan använda ett motstånd i serie med strömförsörjningen) och se till att ingenting blir varmt. Försök att ansluta var och en av insignalerna till gate -drivrutinen till 8v från strömförsörjningen (en i taget) och kontrollera att rätt grindar drivs. När du har verifierat att du vet att gate -enheten fungerar.

På grund av att gate -enheten använder en bootstrap -krets kan du inte testa utgången direkt genom att mäta utspänningen. Sätt multimetern på diodkontroll och kontrollera mellan varje högtalaruttag och varje strömterminal.

1. Positiv till talare 1
2. Positivt till talare 2
3. Negativt till talare 1
4. Negativt till talare 2

Var och en ska visa partiell konduktivitet bara på ett sätt, precis som en diod.

Om allt fungerar, grattis, du har precis avslutat den svåraste delen av brädet. Du kom ihåg rätt jordning, eller hur?

Steg 5: Bygg MOSFET Gate Drive Signal Generator

När du har avslutat gate -drivrutinen och effektsteget är du redo att bygga den del av kretsen som genererar signalerna som berättar för gate -drivrutinerna vilka FET -enheter som ska aktiveras vid vilken tidpunkt.

Bygg allt i "MOSFET -förarsignalsgeneratorn med död tid" i schemat och se till att du inte glömmer någon av de små kondensatorerna. Om du utelämnar dem kommer kretsen fortfarande att testa bra, men det fungerar inte bra när du försöker köra en högtalare på grund av att komparatorerna parasitiskt svänger.

Testa sedan kretsen genom att mata in en fyrkantvåg på några hertz i "MOSFET -drivsignalgeneratorn med död tid" från din signalgenerator eller 555 timerkrets. Anslut batterispänningen till "HV in" genom ett strömbegränsande motstånd.

Anslut ett oscilloskop till högtalarutgångarna. Du bör få batterispänningen att vända polaritet några gånger i sekunden. Ingenting ska bli varmt och utsignalen ska vara en fin, skarp fyrkantvåg. Lite överskridande är bra, så länge det inte är mer än 1/3 batterispänning.

Om utmatningen ger en ren fyrkantvåg betyder det att allt du har byggt hittills fungerar. Endast en delkrets kvar tills den är klar.

Steg 6: Jämförare, differentialförstärkare och sanningens ögonblick

Du är nu redo att bygga den del av kretsen som faktiskt utför klass D -modulering.

Bygg allt i "Jämförare med hysteres" och "Differentialförstärkare för återkoppling" i schemat, samt de två 5k -motstånden som håller kretsen stabil när ingenting är anslutet till ingången.

Anslut ström till kretsen (men inte HV in än) och kontrollera att stift 2 och 3 på U6 båda ska vara riktigt nära hälften av Vreg (4 volt).

Om båda dessa värden är korrekta, anslut en subwoofer över utgångsklämmorna. anslut strömmen och HV till batterispänningen genom ett strömbegränsande motstånd (du kan använda en 4 ohm eller högre subwoofer som motstånd). Du bör höra en liten pop och subwoofern ska inte röra sig åt det ena eller andra hållet mer än en millimeter eller så. Kontrollera med ett oscilloskop för att säkerställa att signalerna som går in till och kommer ut från NCP5181 gate -drivrutiner är rena och har cirka 40% driftscykel vardera. Om detta inte är fallet, justera de två variabla motstånden tills de är det. Frekvensen för gate-drivvågorna kommer att vara lägre än den önskade 70-110 KHZ på grund av att HV inte är ansluten till spänningsförstärkaren.

Om grindrivningssignalerna inte oscillerar alls, försök byta SPK1 och SPK2 till differentialförstärkaren. Om det fortfarande inte fungerar, använd ett oscilloskop för att spåra felet. Det är nästan säkert i komparatorn eller differentialförstärkarkretsen.

När kretsen fungerar, lämna högtalaren ansluten och lägg till spänningsförstärkarmodulen för att öka spänningen som går till HV till cirka 65-70 volt (kom ihåg säkringen). Slå på kretsen och se till att ingenting blir varmt till en början, särskilt MOSFET: erna och induktorn. Fortsätt att övervaka temperaturen i cirka 5 minuter. Det är normalt att induktorn blir varm, så länge den inte är för varm för att röra vid kontinuerligt. MOSFETS ska inte vara mer än något varma.

Kontrollera frekvens- och driftscykeln för grindrivvågorna igen. Justera för en 40% arbetscykel och se till att frekvensen är mellan 70 och 110 Khz. Om det inte är det, justera R10 i schemat för att korrigera frekvensen. Om frekvensen är korrekt är du redo att börja spela ljud med förstärkaren.

Steg 7: Ljudingång och slutprovning

Nu när förstärkaren i sig fungerar tillfredsställande är det dags att bygga ingångssteget. På en annan bräda (eller samma om du har utrymme), bygg kretsen enligt schemat som medföljer detta steg (du måste ladda ner den), se till att den är skärmad med en jordad metallbit om det är nära buller som genererar komponenter. Anslut ström och jord till kretsen från förstärkaren, men anslut inte ljudsignalen än. Kontrollera att ljudsignalen är cirka 4 volt och ändras något när du vrider på "DC -offsetjustering" -potentiometern. Justera potentiometern för 4 volt och löd ljudingångskabeln till resten av kretsen.

Även om schemat visar hur du använder ett hörlursuttag som ingång, kan du också lägga till en bluetooth -adapter med utgången ansluten till ljuduttaget. Bluetooth -adaptern kan drivas av en 7805 -regulator. (Jag hade en 7806 och använde en diod för att tappa ytterligare 0,7 volt).

Sätt på förstärkaren igen och anslut en kabel till AUX -uttaget på ingångskortet. Det kommer förmodligen att bli lite svagt statiskt.

Om det statiska är för högt finns det ett par saker du kan prova:

• Skyddade du ingångssteget väl? Jämförarna genererar också buller.
• Lägg till en 100nf kondensator över transformatorns utgång.
• Lägg till en 100nf kondensator mellan ljud ut och jord och placera ett 2k motstånd i linje före kondensatorn.
• Se till att aux -kabeln inte är nära strömförsörjningen eller förstärkarens utgångskablar.

Sänk långsamt (över flera minuter) upp volymen, se till att ingenting blir för varmt eller förvränger. Justera förstärkningen så att förstärkaren inte klämmer om inte volymen är på max.

Beroende på kvaliteten på induktorkärnan och kylflänsens storlek kan det vara en bra idé att lägga till en liten fläkt, driven från 12v -skenan, för att kyla förstärkaren. Detta är en särskilt bra idé om du kommer att lägga den i en låda.