Pojasnjeno 4 učinkovita vezja ojačevalnika PWM

Zvočni ojačevalniki, ki so zasnovani za ojačanje analognega zvočnega signala s pulzno širinsko modulacijo ali obdelavo PWM in z nastavljivim delovnim ciklom, so znani po številnih imenih, vključno z digitalnim ojačevalnikom, ojačevalnikom razreda D, komutiranim ojačevalnikom in ojačevalnikom PWM.

Ker lahko deluje z visoko učinkovitostjo, a Ojačevalnik razreda D je postal priljubljen koncept za mobilne in javne aplikacije, kjer je popačenje zanemarljivo.

Zakaj so ojačevalniki PWM tako učinkoviti

Ker pretvorijo analogni zvočni signal v enakovredno vsebino, modulirano s PWM. Ta modulirani PWM zvočni signal učinkovito ojačijo izhodne naprave, kot so MOSFET-ji ali BJT-ji, nato pa jih s posebnimi induktorji prek povezanih zvočnikov pretvorijo nazaj v analogno različico visoke moči.

To vemo polprevodnik naprave, kot so MOSFET-ji in BJT-ji „ne ​​maram“, če se uporablja v nedoločenih predelih vhodnega signala in se ponavadi vroče. Na primer a MOSFET se ne bodo pravilno vklopili, ko bodo signali vrat nižji od 8V, BJT pa se ne bodo pravilno odzvali pri osnovnem pogonu pod 0,5 V, kar bo povzročilo veliko odvajanje toplote skozi njihov hladilnik telesa.

Analogni signali, ki so po naravi eksponentni, prisilijo zgornje naprave, da delujejo z neprijetnimi in neugodnimi potenciali počasnega naraščanja in počasnega padca, kar povzroča veliko odvajanje toplote in večje neučinkovitosti.

PWM ojačevalni koncept v nasprotju s tem omogočajo, da te naprave delujejo tako, da jih popolnoma vklopijo ali popolnoma izklopijo, brez vmesnih nedefiniranih potencialov. Zaradi tega naprave ne oddajajo toplote, ojačevanje zvoka pa je zagotovljeno z visoko učinkovitostjo in minimalnimi izgubami.

Prednosti digitalnega ojačevalnika v primerjavi z linearnim ojačevalnikom

• Digitalni ali PWM ojačevalniki uporabljajo PWM obdelavo, zato izhodne naprave ojačajo signale z minimalnim odvajanjem toplote. Linearni ojačevalniki uporabljajo zasnovo oddajnika in odvajajo veliko toplote med ojačevanjem zvoka.
• Digitalni ojačevalniki lahko delujejo z manjšim številom naprav z izhodno močjo v primerjavi z linearnimi ojačevalniki.
• Zaradi minimalnega odvajanja toplote ni potreben hladilnik ali manjši hladilniki v primerjavi z linearnimi ojačevalniki, ki so odvisni od velikih hladilnikov.
• Digitalni PWM ojačevalniki so cenejši, lažji in zelo učinkoviti v primerjavi z linearnimi ojačevalniki.
• Digitalni ojačevalniki lahko delujejo z manjšimi vhodi za napajanje kot linearni ojačevalniki.

V tem prispevku prvi spodnji ojačevalnik moči PWM deluje s 6 V baterijo in ustvarja do 5 W izhodne moči. Ojačevalnik PWM je zaradi očitne izhodne zmogljivosti pogosto v megafonih.

Pogosta težava pri mobilnih ojačevalnikih AF je, da je zaradi njihovih nizko učinkovitih lastnosti težko proizvesti visoko moč iz nizke napajalne napetosti.

Vendar ima ojačevalec PWM v naši razpravi skoraj 100-odstotno učinkovitost pri stopnji popačenja, ki je sprejemljiva za megafone in s tem povezane P.A. naprav. Nekaj ​​dejavnikov, ki prispevajo k oblikovanju, je pojasnjenih spodaj:

Modulacija širine impulza

Načelo impulzne širinske modulacije (PWM) je predstavljeno na spodnji sliki 1.

Koncept je preprost: delovni cikel pravokotnega signala višje frekvence nadzira vhodni signal. Čas vklopa impulza je odvisen od trenutne amplitude vhodnega signala.

Znesek vklopa in izklopa poleg frekvence je konstanten. Ko torej manjka vhodni signal, nastane simetričen kvadratni val.

Za doseganje razmeroma dobre kakovosti zvoka mora biti frekvenca pravokotnega signala dvojna od najvišje frekvence vhodnega signala.

Nastali signal se lahko uporablja za napajanje zvočnika. Slika 4 prikazuje jasno pretvorbo sledi osciloskopa.

Zgornja sled prikazuje izhodni signal po filtriranju in izmerjen po zvočniku. Amplituda preostalega Signal PWM ki se prekriva, sinusni val je majhen.

Elektronska stikala kot ojačevalniki

Slika 2 opisuje standardno delovanje ojačevalnika PWM s pomočjo blokovnega diagrama.

Predpostavimo, da je vhod kratkostičen, preklopite S_domoči kondenzator C_7.s trenutnim I_dva. To se zgodi, dokler ni dosežena ustrezna zgornja mejna stikalna napetost.

Nato poveže R_7.na tla. Po tem je C_7.se izprazni na spodnjo mejno stikalno napetost S_do. Kot rezultat, C_7.in R_7.proizvaja kvadratni val s frekvenco 50 kHz.

Ko se na vhod ojačevalnika odda AF signal, se doda dodatni tok I_1.relativno zmanjša ali poveča čas polnjenja ali poveča in zmanjša čas praznjenja.

Torej vhodni signal spreminja delovni faktor faktorja kvadratnega vala, ki je viden na izhodu zvočnika.

Za osnovno delovanje ojačevalnika PWM sta nujna dva zakona.

1. Prvo je stikalo S_bje nadzorovan v antifazi s S_domedtem ko držite drugi terminal zvočnika alternativno napetosti kot signal PWM.

Ta nastavitev daje rezultat preklopne stopnje izhodne moči tipa most. Nato je pri vsaki polarnosti zvočnik prisiljen s polno napajalno napetostjo, tako da je dosežena največja poraba toka.

2. Drugič, preučimo induktorje L_1.in L_dva. Namen induktorjev je integriranje pravokotnega signala in njihovo pretvorbo v sinusoidno, kot je prikazano v sledenju obsega prej. Poleg tega delujejo tudi kot dušilec harmonikov pravokotnega signala 50 kHz.

Visoka glasnost iz skromne zasnove

Iz sheme na zgornji sliki lahko enostavno prepoznate elektronske komponente, uporabljene v blokovnem diagramu.

Peščica delov, kot so upor R1, sklopni kondenzatorji C_1.in C._4., nadzor glasnosti P_1.in ojačevalnik, ki temelji na opampu A_1.naredi pristransko delo za kondenzatorski (ali elektrostatični) mikrofon.

Ta celotna operacija ustvari vhodni segment ojačevalnika PWM. Kot smo že omenili, stikala S_doin S_bso zgrajena z elektronskimi stikali ES_1.do ES_4.in tranzistorski pari T_1.-T_3.in T_dva-T_4..

Oznake delov za elektronske komponente, ki tvorijo PWM generator, se nanašajo na tiste, opisane v blokovnem diagramu.

Verjetno je ojačevalnik PWM neobičajno učinkovit, ker se izhodni tranzistorji ne segrejejo, tudi če so prisiljeni v stanju pogona. Skratka, v stopnji izhodne moči je praktično nič razpršitve.

Najpomembnejši dejavnik, ki ga morate upoštevati, preden izberete induktorje L_1.in L_dvaje, da morajo biti sposobni usmeriti 3 A, ne da bi se nasičili.

Dejansko upoštevanje induktivnosti je na drugem mestu. Na primer, induktorji, uporabljeni v tem projektu, so bili pridobljeni iz zatemnitve svetlobe.

Namen diod D_3.do D_6.je, da zadrži EMF, ki ga tvorijo induktorji, na razmeroma varno vrednost.

Poleg tega neinvertirajoči vhod opampa A_1.tvori D_1., C_3., D_dvain R_3.. Ta vhodna napetost, učinkovito filtrirana, je enaka polovici napajalne napetosti.

Pri uporabi tradicionalnega ojačevalnika opamp se ojačanje napetosti dodeli z negativno povratno zanko. R_4.in R_5.bo ojačanje postavil na 83, da bo zagotovil zadostno občutljivost mikrofona.

Če uporabljate vire signala z visoko impedanco, R_4.se lahko po potrebi ojača.

L_1.in L_dvapovzroči fazni zamik in zaradi tega so povratne informacije možne s pomočjo kvadratnega valovnega signala na kolektorju T_1.v primerjavi s sinusnim signalom zvočnika.

V kombinaciji s C_5.opamp zagotavlja pomembno integracijo povratnega signala PWM.

Sistem povratnih informacij zmanjša izkrivljanje ojačevalnika, vendar ne tako močno, da bi ga lahko uporabili za druge namene poleg javnega naslova.

Običajno bi bila za ojačevalnik razreda D z nizkim popačenjem potrebna znatno večja količina napajalne napetosti in zapletena zasnova vezja.

Izvajanje te nastavitve bi oviralo splošno učinkovitost vezja. Bodite pozorni pri izbiri elektronskih stikal v ojačevalniku, saj so tipi HCMOS primerni.

Tipičen CMOS tipa 4066 je zelo počasen in neprimeren za sprožitev 'kratkega stika' čez T_1.-T_3.in T_dva-T_4.. Ne samo to, ampak obstaja tudi povečana nevarnost preobremenitve ali celo trajne poškodbe ojačevalnika.

Ojačevalnik PWM za uporabo na megafonu

Navdušenci nad elektroniko raje uporabljajo ojačevalnik razreda D za napajanje zvočnika tipa hupe, ker lahko oddaja najglasnejši zvok za izbrano raven moči.

Model ojačevalnika je bil enostavno sestavljen z uporabo 6 V akumulatorja in zvočnika v tlačni komori.

Obstoječih 4 W izhodne moči je bilo mogoče izmeriti v megafonu z dostojnim zvočnim dosegom.

Za napajanje megafona so bile zaporedno priključene štiri 1,5 V suhe baterije ali alkalne monocelice. Če želite to nastavitev uporabljati pogosto, se odločite za NiCd ali gelno (Dryfit) baterijo, ki jo je mogoče ponovno napolniti.

Ker je največja trenutna poraba megafona 0,7 A, je primeren standardni alkalni sistem, ki podpira delovanje 24 ur pri polni izhodni moči.

Če načrtujete neprekinjeno uporabo, bo izbira kompleta suhih celic več kot dovolj.

Upoštevajte, da ne glede na vir energije, ki ga uporabljate, ne sme preseči več kot 7 V.

Razlog so stikala HCMOS v IC_1.ne bi pravilno deloval pri tej napetosti ali več.

Na srečo je pri ojačevalniku največji prag napajalne napetosti večji od 11 V.

Zasnova PCB za zgoraj pojasnjeni ojačevalnik PWM razreda D je spodaj:

Še en dober ojačevalec PWM

Dobro zasnovan ojačevalnik PWM bo vseboval simetričen pravokotni generator valov.

Delovni cikel tega pravokotnega vala modulira zvočni signal.

Namesto da delujejo linearno, izhodni tranzistorji delujejo kot stikala, zato so popolnoma vklopljeni ali izklopljeni. V mirujočem stanju je delovni cikel valovne oblike 50%.

To pomeni, da je vsak izhodni tranzistor popolnoma nasičen ali znan tudi kot prevodni, za enako trajanje. Posledično je povprečna izhodna napetost enaka nič.

To pomeni, da bo eno od stikal zaprto malo dlje kot drugo, povprečna izhodna napetost bo negativna ali pozitivna, odvisno od polarnosti vhodnega signala.

Zato lahko opazimo, da je povprečna izhodna napetost odvisna od vhodnega signala. To je zato, ker izhodni tranzistorji v celoti delujejo kot stikala, zato je v izhodni fazi izjemno majhna izguba moči.

Dizajn

Slika 1 prikazuje celotno shemo ojačevalnika PWM razreda D. Vidimo, da ojačevalniku PWM ni treba biti preveč zapleten.

Vhodni zvočni signal se uporabi na op-amp IC1, ki deluje kot primerjalnik. Ta nastavitev vodi peščico Schmittovih sprožilcev, ki so povezani vzporedno z vezjem.

Tam so iz dveh razlogov. Prvič, mora biti 'kvadratna' valovna oblika in drugič, za izhodno stopnjo je potreben ustrezen osnovni pogonski tok. V tej fazi sta nameščena dva preprosta, a hitra tranzistorja (BD137 / 138).

Celoten ojačevalnik niha in ustvarja kvadratni val. Razlog je en vhod iz primerjalnika (IC1), ki je priključen na izhod prek RC omrežja.

Poleg tega sta oba vhoda IC1 pristranska na prvo polovico napajalne napetosti z uporabo napetostnega delilnika R3 / R4.

Vsakič, ko je izhod IC1 nizek in so oddajniki T1 / T2 visoki, se kondenzator C3 polni skozi upor R7. Hkrati bo prišlo do naraščanja napetosti na neinvertirajočem vhodu.

Ko ta stopnjujoča napetost prečka nivo invertiranja, se zunanji del IC1 zamenja z nizke na visoko.

Posledično se oddajniki T1 / T2 obračajo z visokih na nizke. Ta pogoj omogoča, da se C3 izprazni skozi R7 in napetost na plus vhodu pade pod napetost na minus vhodu.

Izhod IC1 se prav tako preklopi v nizko stanje. Na koncu nastane izhod kvadratnega vala s frekvenco, ki jo določita R7 in C3. Navedene vrednosti ustvarjajo nihanje pri 700 kHz.

Uporaba oscilator , lahko moduliramo frekvenco. Raven pretvorbe vhoda IC1, ki se običajno uporablja kot referenca, ne ostane nespremenjena, ampak jo določi zvočni signal.

Poleg tega amplituda določa natančno točko, kjer se začne primerjati izhodni rezultat primerjalnika. Posledično avdio signal redno modulira 'debelino' kvadratnih valov.

Za zagotovitev, da ojačevalnik ne deluje kot oddajnik 700 kHz, je treba na njegovem izhodu izvesti filtriranje. Omrežje LC / RC, ki vključuje L1 / C6 in C7 / R6, dobro deluje kot filter .

Tehnične specifikacije

• Ojačevalnik je opremljen z obremenitvijo 8 ohmov in 12 V napajalne napetosti.
• Pri uporabi 4 ohmov se je moč povečala na 3 W. Za tako majhno odvajanje toplote hlajenje izhodnih tranzistorjev ni potrebno.
• Dokazano je, da je za tako preprosto vezje harmonično popačenje nenavadno majhno.
• Skupna raven harmoničnega popačenja je bila izmerjena v območju od 20 Hz do 20 000 Hz pod 0,32%.

Na spodnji sliki si lahko ogledate tiskano vezje in razporeditev delov ojačevalnika. Čas in stroški gradnje tega vezja so zelo nizki, zato predstavlja odlično priložnost za vse, ki želijo bolje razumeti PWM.

Seznam delov

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

Razno:
L1 = 39μH Induktor

Enostavno 3 tranzistorsko ojačevalno vezje razreda D

Izjemna učinkovitost ojačevalnika PWM je taka, da je moč doseči 3 W z BC107, ki se uporablja kot izhodni tranzistor. Še bolje, ne potrebuje hladilnika.

Ojačevalnik vsebuje oscilator impulzne širine z nadzorovano napetostjo, ki deluje na približno 6 kHz in zagotavlja izhodno stopnjo razreda D.

Obstajata samo dva scenarija - vklopljen ali popolnoma izklopljen. Zaradi tega je disipacija neverjetno majhna in posledično daje visoko učinkovitost. Izhodna valovna oblika ni videti kot vhodna.

Vendar so integral izhodne in vhodne valovne oblike sorazmerni med seboj glede na čas.

Predstavljena tabela vrednosti komponent kaže, da je mogoče izdelati kateri koli ojačevalnik z močjo med 3 W in 100 W. Glede na to je mogoče doseči močnejše moči do 1 kW.

Pomanjkljivost je, da ustvarja približno 30% popačenja. Posledično lahko ojačevalnik uporabite samo za ojačanje zvoka. Primerna je za sisteme za obveščanje javnosti, ker je govor neverjetno razumljiv.

Digitalni ojačevalnik

Naslednji koncept prikazuje, kako uporabiti osnovno nastavitev flip flopa IC 4013, ki bi ga lahko uporabili za pretvorbo analognega zvočnega signala v ustrezni signal PWM, ki se lahko nadalje doda na stopnjo MOSFET za želeno ojačanje PWM.

Polovico paketa 4013 lahko uporabite kot ojačevalnik z digitalnim izhodom z delovnim ciklom, ki je sorazmeren želeni izhodni napetosti. Kadar koli potrebujete analogni izhod, bi to opravil preprost filter.

Upoštevati morate urne impulze, ki morajo biti bistveno višji od frekvence želene pasovne širine. Dobiček je R1 / R2, čas R1R2C / (R1 + R2) pa mora biti daljši od obdobja urnih impulzov.

Aplikacije

Vezje lahko uporabimo na veliko načinov. Nekateri so:

1. Pridobite impulze iz točke prehoda nič v omrežju in z izhodom aktivirajte triak. Kot rezultat, imate zdaj relacijski nadzor moči brez RFI.
2. S hitro uro preklopite gonilni tranzistor z izhodom. Rezultat je zelo učinkovit avdio ojačevalnik PWM.

30 W ojačevalnik PWM

Shemo vezja za 30W avdio ojačevalnik razreda -D lahko vidite v naslednji datoteki pdf.

Operacijski ojačevalnik IC1 ojača vhodni zvočni signal s potenciometrom VR1 s spremenljivo glasnostjo. Signal PWM (modulacija širine impulza) se ustvari s primerjavo zvočnega signala s 100 kHz valovitim trikotnikom. To dosežemo s primerjalnikom 1C6. Upor RI3 je uporabljen za zagotavljanje pozitivnih povratnih informacij, C6 pa je dejansko uveden za podaljšanje časa delovanja primerjalnika.

Izhod primerjalnika preklaplja med skrajnimi napetostmi ± 7,5 V. Povlečni upor R12 ponuja + 7,5 V, medtem ko -7,5 V napaja notranji odprt tranzistor oddajnika optičnega IC6 na zatiču 1. V času, ko se ta signal premakne na pozitivno raven, tranzistor TR1 deluje kot trenutni pomivalni terminal. Ta trenutni umivalnik povzroči povečanje padca napetosti na uporu R16, kar postane ravno dovolj, da vklopi MOSFET TR3.

Ko signal preklopi v negativno skrajnost. TR2 se spremeni v trenutni vir, ki vodi do padca napetosti na R17. Ta padec postane ravno dovolj za vklop TR4. V bistvu se MOSFET-a TR3 in TR4 sprožita izmenično in generirata signal PWM, ki preklopi med +/- 15V.

Na tej točki postane bistveno, da ta ojačeni signal PWM vrnete ali pretvorite v dobro reprodukcijo zvoka, ki je lahko ojačan ekvivalent vhodnega zvočnega signala.

To dosežemo z ustvarjanjem povprečja delovnega cikla PWM prek Butterworhovega nizkopasovnega filtra tretjega reda, ki ima mejno frekvenco (25 kHz) znatno pod osnovno frekvenco trikotnika.

To dejanje vodi do velikega oslabitve pri 100 kHz. Dobljeni končni izhod se pretvori v avdio izhod, ki je ojačana replikacija vhodnega zvočnega signala.

Trikotni generator valov skozi konfiguracijo vezja 1C2 in 1C5, kjer IC2 deluje kot generator kvadratnih valov s pozitivnimi povratnimi informacijami, dobavljenimi prek R7 in R11. Diode DI do D5 delujejo kot dvosmerna objemka. S tem je napetost določena na približno +/- 6V.

Popoln integrator je ustvarjen s prednastavljenimi VR2, kondenzatorjem C5 in IC5, ki pretvori kvadratni val v trikotni val. Prednastavljeni VR2 ponuja funkcijo freqeuncy adjutment.

Izhod 1C5 na (pin 6) daje povratne informacije 1C2, upor R14 in prednastavljena VR3 pa delujeta kot prilagodljiv dušilnik, ki omogoča nastavitev ravni trikotnega vala, kot je potrebno.

Po izdelavi celotnega kroga je treba VR2 in VR3 natančno nastaviti, da se omogoči najvišja kakovost zvoka. Nabor navadnih 741 op ojačevalnikov za 1C4 in IC3 lahko uporabite kot odjemnike ojačevalne enote za napajanje +/- 7,5 V.

Kondenzatorji C3, C4, C11 in C12 se uporabljajo za filtracijo, ostali kondenzatorji pa za ločevanje dovoda.

Vezje lahko eb napaja z dvojnim napajanjem +/- 15V enosmernega toka, ki bo lahko s pomočjo kondenzatorja C13 in induktorja L2 poganjal 30 W 8 ohmski zvočnik skozi LC stopnjo. Upoštevajte, da bodo za MOSFET TR3 in TR4 verjetno potrebni zmerni hladilniki.