Vysvětleny 4 efektivní obvody zesilovače PWM

Zvukové zesilovače, které jsou navrženy k zesílení analogového zvukového signálu prostřednictvím pulzní šířkové modulace nebo zpracování PWM a s nastavitelným pracovním cyklem, jsou známy pod mnoha názvy, včetně digitálního zesilovače, zesilovače třídy D, spínaného zesilovače a zesilovače PWM.

Protože může fungovat s vysokou účinností, a Zesilovač třídy D. se stal oblíbeným konceptem pro mobilní a veřejné aplikace, kde je zkreslení zanedbatelné.

Proč jsou zesilovače PWM tak účinné

Je to proto, že převádějí analogový zvukový signál na ekvivalentní obsah modulovaný PWM. Tento modulovaný zvukový signál PWM je účinně zesílen výstupními zařízeními, jako jsou MOSFET nebo BJT, a poté převeden zpět do vysoce výkonné analogové verze pomocí speciálních induktorů přes připojené reproduktory.

Víme, že polovodič zařízení jako MOSFET a BJT „Nelíbí se mi“, aby byly provozovány v nedefinovaných oblastech vstupního signálu a mají tendenci být horké. Například a MOSFET se řádně nezapne, když je signál brány pod 8V, a BJT nebudou správně reagovat při základním pohonu pod 0,5 V, což bude mít za následek vysoký odvod tepla chladičem těla.

Analogové signály, které jsou přirozeně exponenciální, nutí výše uvedená zařízení pracovat s nepohodlným a nepříznivým potenciálem pomalého a pomalého poklesu, což způsobuje vysoký odvod tepla a větší neúčinnost.

PWM koncept zesílení naopak umožňuje těmto zařízením pracovat buď jejich úplným zapnutím, nebo úplným vypnutím bez mezilehlých nedefinovaných potenciálů. Díky tomu zařízení nevyzařují žádné teplo a zvukové zesílení je vykreslováno s vysokou účinností a minimálními ztrátami.

Výhody digitálního zesilovače ve srovnání s lineárním zesilovačem

• Digitální nebo PWM zesilovače využívají zpracování PWM, a proto výstupní zařízení zesilují signály s minimálním odvodem tepla. Lineární zesilovače používají design sledovače emitoru a během zesílení zvuku odvádějí vysoké množství tepla.
• Digitální zesilovače mohou pracovat s menším počtem zařízení výstupního výkonu ve srovnání s lineárními zesilovači.
• Vzhledem k minimálnímu rozptylu tepla není vyžadován žádný chladič nebo menší chladiče, ve srovnání s lineárními zesilovači, které jsou závislé na velkých chladičích.
• Digitální PWM zesilovače jsou levnější, lehčí a vysoce účinné ve srovnání s lineárními zesilovači.
• Digitální zesilovače mohou pracovat s menšími vstupy napájení než lineární zesilovače.

V tomto příspěvku je první výkonový zesilovač PWM níže napájen baterií 6 V a generuje výstupní výkon až 5 W. Vzhledem ke své zjevné výstupní kapacitě se zesilovač PWM často nachází v megafonech.

Běžným problémem u mobilních AF zesilovačů je, že vzhledem k jejich nízké účinnosti je obtížné produkovat vysoký výkon z nízkého napájecího napětí.

Zesilovač PWM má však v naší diskusi téměř 100% účinnost na úrovni zkreslení, která je přijatelná pro megafony a související P.A. zařízení. Níže je vysvětleno několik faktorů, které přispívají k návrhu:

Pulzní šířková modulace

Princip pulzní šířkové modulace (PWM) je znázorněn na obrázku 1 níže.

Koncept je jednoduchý: pracovní cyklus obdélníkového signálu vyšší frekvence je řízen vstupním signálem. Čas zapnutí impulzu je relativní k okamžité amplitudě vstupního signálu.

Množství doby zapnutí a vypnutí mimo frekvenci je konstantní. Proto, když chybí vstupní signál, je produkován symetrický obdélníkový signál.

K dosažení relativně dobré kvality zvuku musí být frekvence obdélníkového signálu dvojnásobná než nejvyšší frekvence ve vstupním signálu.

Výsledný signál lze použít k napájení reproduktoru. Obrázek 4 ukazuje jasnou konverzi ve stopě osciloskopu.

Horní stopa ukazuje dodatečné filtrování výstupního signálu a měří se přes reproduktor. Amplituda zbývajících Signál PWM která překrývá sinusovou vlnu, je malá.

Elektronické přepínače jako zesilovače

Obrázek 2 popisuje standardní provoz zesilovače PWM pomocí blokového diagramu.

Předpokládejme, že když je vstup zkratován, přepněte S_nanapájí kondenzátor C.₇s proudem I_dva. Toto následuje, dokud není dosaženo vhodné horní meze spínacího napětí.

Poté spojí R.₇do země. Poté, C₇je vybita na spodní mez spínacího napětí S_na. Výsledkem je, že C₇a R.₇vytváří obdélníkovou vlnu s frekvencí 50 kHz.

Když je na vstup zesilovače přiváděn signál AF, přídavný proud I₁relativně snižuje nebo zvyšuje dobu nabíjení nebo zvyšuje a snižuje dobu vybíjení.

Vstupní signál tedy mění činitel činitele signálu obdélníkové vlny, který je vidět na výstupu z reproduktoru.

Existují dva zákony, které jsou zásadní pro základní provoz zesilovače PWM.

1. První je přepínač S._bje řízen v antifázi pomocí S_nazatímco držíte druhý terminál reproduktoru jako alternativní napětí k napětí PWM signálu.

Toto nastavení vytváří výstup výkonového stupně spínacího můstku. Poté je reproduktor při každé polaritě vynucen s plným napájecím napětím, aby bylo dosaženo maximální spotřeby proudu.

2. Zadruhé se podíváme na induktory L₁a L._dva. Účelem induktorů je integrovat obdélníkový signál a převést je na sinusové signály, jak je ukázáno ve stopě rozsahu dříve. Dále také fungují a potlačují harmonické kmitočtový signál 50 kHz.

Vysoký zvukový výstup ze skromného designu

Ze schématu na výše uvedeném obrázku můžete snadno identifikovat elektronické součásti použité v blokovém schématu.

Několik částí, jako je odpor R1, vazební kondenzátory C₁a C.₄, ovládání hlasitosti P₁a zesilovač založený na operačním zesilovači A₁provádí předpětí pro kondenzátorový (nebo elektrostatický) mikrofon.

Celá tato operace vytváří vstupní segment zesilovače PWM. Jak již bylo řečeno, přepínače S_naa S._bjsou postaveny elektronickými spínači ES₁do ES₄a páry tranzistorů T₁-T₃a T_dva-T₄.

Indikace částí elektronických součástek, které vytvářejí generátor PWM, se vztahují k těm, které jsou popsány v blokovém schématu.

Pravděpodobně je zesilovač PWM neobvykle efektivní, protože výstupní tranzistory se nezahřívají, i když jsou vynuceny při stavu all-drive. Stručně řečeno, ve výkonovém stupni je prakticky nulový rozptyl.

Nejdůležitější faktor, který musíte vzít v úvahu před výběrem induktorů L₁a L._dvaje, že musí být schopni usměrnit 3 A, aniž by se nasytily.

Skutečná indukčnost je až na druhém místě. Například induktory použité v tomto projektu byly získány ze stmívače světla.

Účel diod D₃do D.₆má obsahovat zadní EMF produkovaný induktory na přiměřeně bezpečnou hodnotu.

Navíc neinvertující vstup operační zesilovač A₁je tvořen D₁, C.₃, D_dvaa R.₃. Toto vstupní napětí, účinně filtrované, se rovná polovině napájecího napětí.

Při použití tradičního zesilovače operační zesilovače je zisk napětí přiřazen smyčkou negativní zpětné vazby. R₄a R.₅nastaví zisk na 83, aby byla zajištěna dostatečná citlivost mikrofonu.

V případě, že používáte zdroje vysoké impedance, R₄lze podle potřeby zesílit.

L₁a L._dvazpůsobí fázový posun, a proto je možná zpětná vazba pomocí signálu obdélníkové vlny na kolektoru T₁ve srovnání se sinusovým reproduktorovým signálem.

V kombinaci s C.₅operační zesilovač poskytuje významnou integraci zpětnovazebního signálu PWM.

Zpětnovazební systém snižuje zkreslení zesilovače, ale ne tak rozsáhle, že byste jej mohli použít pro jiné aplikace kromě veřejné adresy.

Normálně by bylo pro zesilovač třídy D s nízkým zkreslením vyžadováno výrazně zvýšené množství napájecího napětí a komplikovaný návrh obvodu.

Implementace tohoto nastavení by omezila celkovou účinnost obvodu. Při výběru elektronických spínačů v zesilovači dávejte pozor, protože jsou vhodné typy HCMOS.

Typický CMOS typ 4066 je extrémně pomalý a nevhodný ke spuštění „zkratu“ přes T₁-T₃a T_dva-T₄. Nejen to, ale existuje také zvýšené riziko přepracování nebo dokonce trvalého poškození zesilovače.

Zesilovač PWM pro aplikaci megafonů

Elektroničtí nadšenci dávají přednost použití zesilovače třídy D pro napájení reproduktoru typu klakson, protože může produkovat nejhlasitější zvuk pro zvolenou úroveň výkonu.

Model zesilovače byl snadno sestaven pomocí 6V akumulátoru a reproduktoru s tlakovou komorou.

Stávající 4 W výstupního výkonu bylo měřitelné v megafonu se slušným zvukovým rozsahem.

K napájení megafonu byly sériově připojeny čtyři 1,5 V suché baterie nebo alkalické monočlánky. Pokud chcete toto nastavení používat často, rozhodněte se pro dobíjecí NiCd nebo gelovou baterii (Dryfit).

Protože maximální proudová spotřeba megafonu je 0,7 A, je vhodný standardní alkalický zdroj, který podporuje provoz po dobu 24 hodin při plném výstupním výkonu.

Pokud plánujete nepřetržité používání, výběr sady suchých buněk bude více než dost.

Pamatujte, že jakýkoli zdroj energie, který používáte, nesmí nikdy překročit více než 7 V.

Důvodem jsou přepínače HCMOS v IC₁by nefungoval správně na této úrovni napětí nebo více.

Naštěstí je pro zesilovač maximální prahová hodnota napájecího napětí větší než 11 V.

Návrh desky plošných spojů pro výše vysvětlený zesilovač třídy PWM třídy D je uveden níže:

Další dobrý PWM zesilovač

Dobře navržený PWM zesilovač bude obsahovat symetrický obdélníkový generátor vln.

Pracovní cyklus této obdélníkové vlny je modulován zvukovým signálem.

Spíše než pracovat lineárně, výstupní tranzistory fungují jako spínače, takže jsou buď úplně zapnuté, nebo vypnuté. V klidovém stavu je pracovní cyklus křivky 50%.

To znamená, že každý výstupní tranzistor je po stejnou dobu plně nasycený nebo také známý jako vodivý. Ve výsledku je průměrné výstupní napětí nulové.

To znamená, že pokud jeden ze spínačů zůstane sepnut o něco déle než druhý, bude průměrné výstupní napětí buď záporné, nebo kladné v závislosti na polaritě vstupního signálu.

Proto můžeme pozorovat, že průměrné výstupní napětí je ve vztahu ke vstupnímu signálu. Je to proto, že výstupní tranzistory fungují zcela jako přepínače, a proto ve výstupním stupni dochází k mimořádně nízké ztrátě energie.

Design

Obrázek 1 zobrazuje celé schéma zesilovače PWM třídy D. Vidíme, že zesilovač PWM nemusí být příliš složitý.

Vstupní audio signál je přiveden na operační zesilovač IC1, který funguje jako komparátor. Toto nastavení vede několik Schmittových spouští, které jsou připojeny paralelně k obvodu.

Jsou tam ze dvou důvodů. Zaprvé musí existovat „čtvercový“ tvar vlny a zadruhé je pro výstupní stupeň vyžadován odpovídající proud základního pohonu. V této fázi jsou nainstalovány dva jednoduché, ale rychlé tranzistory (BD137 / 138).

Celý zesilovač osciluje a generuje obdélníkovou vlnu. Důvodem je jeden vstup z komparátoru (IC1) připojený k výstupu přes RC síť.

Dále jsou oba vstupy IC1 předpjaty na první polovinu napájecího napětí pomocí děliče napětí R3 / R4.

Pokaždé, když je výstup IC1 nízký a emitory T1 / T2 vysoké, dojde k nabití kondenzátoru C3 přes rezistor R7. Současně dojde k nárůstu napětí na neinvertujícím vstupu.

Jakmile toto zvyšující se napětí překročí hladinu invertujícího napětí, přepne se ven z IC1 z nízké na vysokou.

Výsledkem je, že zářiče T1 / T2 se změní z vysoké na nízkou. Tato podmínka umožňuje C3 vybít se přes R7 a napětí na plusovém vstupu poklesne pod napětí na mínusovém vstupu.

Výstup IC1 se také vrátí do nízkého stavu. Nakonec je výstup obdélníkové vlny produkován na frekvenci určené R7 a C3. Poskytnuté hodnoty generují oscilaci při 700 kHz.

Pomocí oscilátor , můžeme modulovat frekvenci. Úroveň invertujícího vstupu IC1, která se obvykle používá jako reference, nezůstává konstantní, ale je určena zvukovým signálem.

Dále amplituda určuje přesný bod, kde se začíná měnit výstup komparátoru. V důsledku toho je „tloušťka“ čtvercových vln pravidelně modulována zvukovým signálem.

Aby bylo zajištěno, že zesilovač nebude fungovat jako vysílač 700 kHz, musí být na jeho výstupu prováděno filtrování. Síť LC / RC zahrnující L1 / C6 a C7 / R6 odvádí dobrou práci jako filtr .

Technické specifikace

• Zesilovač, vybavený zátěží 8 ohmů a napájecím napětím 12 V, generoval 1,6 W.
• Při použití 4 ohmů se výkon zvýšil na 3 W. U tak malého rozptýleného tepla není nutné chlazení výstupních tranzistorů.
• Je prokázáno, že harmonické zkreslení je u tak jednoduchého obvodu neobvykle nízké.
• Celková úroveň harmonického zkreslení byla nižší než 0,32% z měřeného rozsahu 20 Hz až 20 000 Hz.

Na obrázku níže vidíte desku plošných spojů a rozložení částí zesilovače. Čas a náklady na vybudování tohoto obvodu jsou velmi nízké, takže představuje vynikající šanci pro každého, kdo hledá lepší porozumění PWM.

Seznam dílů

Rezistory:
R1 - 22 tis
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohmů
P1 = 100k logaritmický potenciometr
Kondenzátor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100 μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Polovodiče:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Smíšený:
L1 = 39μH induktor

Jednoduchý 3 tranzistorový obvod zesilovače třídy D.

Vynikající účinnost zesilovače PWM je taková, že s výstupem BC107 použitým jako výstupní tranzistor lze dosáhnout výkonu 3 W. Ještě lepší je, že nevyžaduje chladič.

Zesilovač obsahuje napěťově řízený oscilátor šířky pulzu, který pracuje kolem 6 kHz a vynucuje výstupní stupeň třídy D.

Existují pouze dva scénáře - plný nebo úplně vypnutý. Díky tomu je rozptyl neuvěřitelně malý a následně přináší vysokou účinnost. Výstupní křivka nevypadá jako vstup.

Integrál výstupních a vstupních průběhů je však vzájemně úměrný času.

Prezentovaná tabulka hodnot komponent ukazuje, že lze vyrobit jakýkoli zesilovač s výstupy mezi 3 W a 100 W. Vzhledem k tomu lze dosáhnout silnějších výkonů až do 1 kW.

Nevýhodou je, že vytváří asi 30% zkreslení. Výsledkem je, že zesilovač lze použít pouze pro zesílení zvuku. Je vhodný pro systémy veřejného ozvučení, protože řeč je neuvěřitelně srozumitelná.

Digitální operační zesilovač

Následující koncept ukazuje, jak lze použít převáděcí klopný obvod IC 4013 pro reset analogového zvukového signálu na odpovídající PWM signál, který lze dále přivést do stupně MOSFET pro požadované zesílení PWM.

Polovinu balení 4013 můžete použít jako zesilovač poskytující digitální výstup s pracovním cyklem, který je úměrný požadovanému výstupnímu napětí. Kdykoli potřebujete analogový výstup, práci provede jednoduchý filtr.

Musíte sledovat hodinové impulzy, jak je uvedeno, a tyto musí mít výrazně vyšší frekvenci, než je požadovaná šířka pásma. Zisk je R1 / R2, zatímco čas R1R2C / (R1 + R2) musí být delší než perioda hodinových impulzů.

Aplikace

Existuje mnoho způsobů, jak lze obvod použít. Někteří jsou:

1. Sbírejte impulsy z bodu přechodu nuly do sítě a na výstupu vynucujte triak. Ve výsledku nyní máte relační řízení výkonu bez RFI.
2. Pomocí rychlých hodin přepněte tranzistory budiče s výstupem. Výsledkem je vysoce účinný audio zesilovač PWM.

30 wattový PWM zesilovač

Schéma zapojení pro 30W audio zesilovač třídy D je uveden v následujícím souboru PDF.

Operační zesilovač IC1 zesiluje vstupní zvukový signál prostřednictvím potenciometru VR1 s regulovaným objemem. Signál PWM (pulsně šířková modulace) je generován porovnáním zvukového signálu s trojúhelníkovým pásmem 100 kHz. Toho je dosaženo komparátorem 1C6. Rezistor RI3 se používá k napájení pozitivní zpětné vazby a C6 se skutečně zavádí, aby se prodloužila doba provozu komparátoru.

Výstup komparátoru přepíná mezi napěťovými extrémy ± 7,5V. Vytahovací rezistor R12 nabízí + 7,5 V, zatímco -7,5 V je napájen interním otevřeným tranzistorem OP6 zesilovače IC6 na pinu 1. Během doby, kdy se tento signál pohybuje na kladnou úroveň, funguje tranzistor TR1 jako svorka proudového jímky. Toto potopení proudu způsobí zvýšení úbytku napětí na rezistoru R16, které se stane dostatečným pro zapnutí MOSFET TR3.

Když se signál přepne do záporného extrému. TR2 se změní na zdroj proudu vedoucí k poklesu napětí na R17. Tento pokles je dostatečný k zapnutí TR4. V zásadě jsou MOSFETy TR3 a TR4 spouštěny střídavě a generují signál PWM, který přepíná mezi +/- 15V.

V tomto okamžiku je nezbytné přivést zpět nebo převést tento zesílený PWM signál na dobrou zvukovou reprodukci, která může být zesíleným ekvivalentem vstupního zvukového signálu.

Toho je dosaženo vytvořením průměru pracovního cyklu PWM prostřednictvím nízkoprůchodového filtru Butterworh 3. řádu s mezní frekvencí (25 kHz) výrazně pod základní frekvencí trojúhelníku.

Tato akce vede k obrovskému útlumu při 100 kHz. Získaný konečný výstup tanspiruje do zvukového výstupu, který je zesílenou replikací vstupního zvukového signálu.

Generátor trojúhelníkových vln přes konfiguraci obvodu 1C2 a 1C5, kde IC2 funguje jako generátor čtvercových vln s pozitivní zpětnou vazbou napájenou přes R7 a R11. Diody DI až D5 fungují jako obousměrná svorka. To fixuje napětí na přibližně +/- 6V.

Dokonalý integrátor je vytvořen pomocí přednastavených VR2, kondenzátorů C5 a IC5, které transformují čtvercovou vlnu na trojúhelníkovou vlnu. Přednastavená VR2 poskytuje funkci nastavení frekvence.

Výstup 1C5 na (pin 6) dodává zpětnou vazbu 1C2 a rezistor R14 a přednastavený VR3 fungují jako flexibilní tlumič, který umožňuje vyladit úroveň trojúhelníkové vlny podle potřeby.

Po provedení celého obvodu je třeba VR2 a VR3 doladit, aby umožňoval nejvyšší kvalitu zvukového výstupu. Sada běžných 741 operačních zesilovačů pro 1C4 a IC3 může být použita jako vyrovnávací paměť zisku jednoty pro napájení +/- 7,5V.

K filtraci se používají kondenzátory C3, C4, C11 a C12, zatímco ostatní kondenzátory se používají k oddělení napájení.

Obvod může napájet duální +/- 15V DC napájecí zdroj, který bude schopen řídit 30W 8 ohmový reproduktor přes LC fázi pomocí kondenzátoru C13 a induktoru L2. Pamatujte, že pro MOSFET TR3 a TR4 může být pravděpodobně zapotřebí mírných chladičů.