Обяснени 4 ефективни PWM усилвателни вериги

Аудио усилвателите, които са проектирани да усилват аналогов аудио сигнал чрез импулсно широчинна модулация или ШИМ обработка и с регулируем работен цикъл, са известни с много имена, включително цифров усилвател, усилвател от клас D, превключващ усилвател и усилвател с ШИМ.

Тъй като може да работи с висока ефективност, a Усилвател клас D се превърна в любима концепция за мобилни и публични приложения, където изкривяването е незначително.

Защо усилвателите с ШИМ са толкова ефективни

Това е така, защото те преобразуват аналоговия аудио сигнал в еквивалентно ШИМ модулирано съдържание. Този модулиран PWM аудио сигнал се усилва ефективно от изходните устройства като MOSFET или BJT и след това се преобразува обратно в аналогова версия с висока мощност, използвайки специални индуктори през свързаните високоговорители.

Ние знаем това полупроводник устройства като MOSFET и BJT „не ми харесва“ да се експлоатира в недефинирани области на входния сигнал и има тенденция да се нагрява. Например a MOSFET няма да се включи правилно, когато сигналите на порта са под 8V и BJT няма да реагират правилно при базово устройство под 0,5 V, което води до голямо количество разсейване на топлината през радиатора на тялото им.

Експоненциалните по природа аналогови сигнали принуждават горните устройства да работят с неудобни и неблагоприятни потенциали за бавно нарастване и бавно падане, причинявайки голямо разсейване на топлината и по-голяма неефективност.

ШИМ концепция за усилване, за разлика от това, позволявайте на тези устройства да работят, като ги включите напълно или ги изключите напълно, без междинни недефинирани потенциали. Поради това устройствата не излъчват топлина и аудио усилването се извършва с висока ефективност и минимални загуби.

Предимства на цифровия усилвател в сравнение с линейния усилвател

• Цифровите или ШИМ усилвателите използват ШИМ обработка и следователно изходните устройства усилват сигналите с минимално разсейване на топлината. Линейните усилватели използват дизайн на излъчвател и разсейват голямо количество топлина по време на усилването на звука.
• Цифровите усилватели могат да работят с по-малък брой устройства с изходна мощност в сравнение с линейните усилватели.
• Поради минималното разсейване на топлината не са необходими радиатор или по-малки радиатори в сравнение с линейни усилватели, които зависят от големи радиатори.
• Цифровите ШИМ усилватели са по-евтини, по-леки и високоефективни в сравнение с линейните усилватели.
• Цифровите усилватели могат да работят с по-малки входове за захранване от линейните усилватели.

В този пост първият PWM усилвател на мощност по-долу се управлява от 6 V батерия и генерира до 5 W изходна мощност. Предвид очевидния си изходен капацитет, PWM усилвателят често се среща в мегафони.

Често срещан проблем с мобилните AF усилватели е, че поради тяхното свойство с ниска ефективност е трудно да се произведе висока мощност от ниско захранващо напрежение.

Въпреки това, ШИМ усилвателят в нашата дискусия има почти 100% ефективност при ниво на изкривяване, което е приемливо за мегафоните и свързаните с тях П.А. устройства. Няколко фактора, които допринасят за дизайна, са обяснени по-долу:

Широчинно импулсна модулация

Принципът на импулсно-широчинната модулация (ШИМ) е представен на фигура 1 по-долу.

Концепцията е проста: работният цикъл на правоъгълен сигнал с по-висока честота се управлява от входен сигнал. Времето за включване на импулса е спрямо моментната амплитуда на входния сигнал.

Размерът на времето за включване и изключване в допълнение към честотата е постоянен. Следователно, когато липсва входен сигнал, се получава симетричен квадратно-вълнов сигнал.

За да се постигне относително добро качество на звука, честотата на правоъгълния сигнал трябва да е двойна от най-високата честота във входния сигнал.

Полученият сигнал може да се използва за захранване на високоговорител. Фигура 4 показва ясно преобразуване в осцилоскопната следа.

Горната следа показва изходния сигнал след филтриране и измерен през високоговорителя. Амплитудата на останалите ШИМ сигнал което се припокрива синусоида е малка.

Електронни превключватели като усилватели

Фигура 2 описва стандартната работа на ШИМ усилвателя с помощта на блоковата схема.

Да приемем, че когато входът е на късо съединение, превключете S_{да се}мощности кондензатор C₇с ток I_две. Това става, докато се постигне подходящо напрежение на превключване на горната граница.

След това свързва R₇към земята. След това C₇се разрежда до долната граница на превключващото напрежение на S_{да се}. В резултат на това C₇и R₇произвежда квадратна вълна с честота 50 kHz.

Когато се подава AF сигнал към входа на усилвателя, допълнителният ток I₁относително намалява или увеличава времето за зареждане, или увеличава и намалява времето за разреждане.

И така, входният сигнал променя коефициента на запълване на сигнала с квадратна вълна, който се вижда на изхода на високоговорителя.

Има два закона, които са от съществено значение за основната работа на ШИМ усилвателя.

1. Първият е превключвател S_бсе контролира в антифаза със S_{да се}докато държите другата клема на високоговорителя като алтернативно напрежение на това на ШИМ сигнала.

Тази настройка произвежда резултат от превключващия мостов тип изходна мощност. След това при всяка полярност високоговорителят се принуждава с пълното захранващо напрежение, така че да се постигне максимална консумация на ток.

2. Второ, разглеждаме индуктори L₁и L_две. Целта на индукторите е да интегрират правоъгълния сигнал и да ги преобразуват в синусоидални, както е показано в обхвата по-рано. Освен това те също функционират и потискат хармониците на 50 kHz правоъгълен сигнал.

Висока звукова мощност от скромен дизайн

От схемата на горната фигура можете лесно да идентифицирате електронните компоненти, използвани в блоковата схема.

Няколко части като резистор R1, свързващи кондензатори C₁и С₄, контрол на силата на звука P₁и усилвател, базиран около opamp A₁върши пристрастната работа за кондензатор (или електростатичен) микрофон.

Цялата тази операция създава входния сегмент на PWM усилвателя. Както беше обсъдено по-рано, превключвателите S_{да се}и S_бса изградени от електронни ключове ES₁пръсти на краката₄и транзисторни двойки T₁-Т₃и Т_две-Т₄.

Индикациите на частите за електронните компоненти, които изграждат PWM генератора, се отнасят до тези, описани в блоковата схема.

Вероятно PWM усилвателят е необичайно ефективен, тъй като изходните транзистори не се загряват, дори когато са принудени в състояние на задвижване. Накратко, на практика има нулево разсейване в изходната мощност.

Най-важният фактор, който трябва да имате предвид, преди да изберете индуктори L₁и L_двее, че те трябва да могат да канализират 3 А, без да се насищат.

Действителното разглеждане на индуктивността е само на второ място. Например, индукторите, използвани в този проект, са получени от светлинен димер.

Целта на диодите D₃до D₆е да съдържа обратната ЕМП, произведена от индукторите, на разумно безопасна стойност.

Освен това неинвертиращият вход на opamp A₁се образува от D₁, ° С₃, Д_двеи R₃. Това входно напрежение, ефективно филтрирано, е равно на половината захранващо напрежение.

Когато се използва традиционен усилвател на усилвател, усилването на напрежението се определя от контур за отрицателна обратна връзка. R₄и R₅ще настрои усилването на 83, за да се увери, че има достатъчна чувствителност на микрофона.

В случай, че използвате източници на сигнал с висок импеданс, R₄може да се усилва при необходимост.

L₁и L_двепричиняват фазово изместване и поради това е възможна обратна връзка с помощта на квадратния вълнов сигнал в колектора на Т₁в сравнение със синусоидалния сигнал на високоговорителя.

В комбинация с C₅opamp осигурява значителната интеграция на PWM сигнала за обратна връзка.

Системата за обратна връзка намалява изкривяванията на усилвателя, но не толкова широко, че да можете да го използвате за друго приложение освен публичния адрес.

Обикновено за усилвател от клас D с ниско изкривяване ще са необходими значително увеличено количество захранващо напрежение и сложен дизайн на веригата.

Прилагането на тази настройка би затруднило цялостната ефективност на веригата. Обърнете внимание при избора на електронни превключватели в усилвателя, тъй като типовете HCMOS са подходящи.

Типичният CMOS тип 4066 е изключително бавен и неподходящ за задействане на „късо съединение“ през Т₁-Т₃и Т_две-Т₄. Не само това, но има и повишен риск от претоварване или дори трайно увреждане на усилвателя.

PWM усилвател за приложение на мегафон

Електронните ентусиасти предпочитат да използват усилвател клас D за захранване на високоговорител от рог, тъй като той може да произведе най-силния звук за избрано ниво на мощност.

Използвайки 6 V батерия и високоговорител с барокамера, моделът на усилвателя беше лесно конструиран.

Съществуващите 4 W изходна мощност бяха измерими в мегафон с приличен звуков обхват.

Четири 1,5 V сухи батерии или алкални моноклетки бяха свързани последователно за захранващо напрежение на мегафона. В случай че искате да използвате тази настройка често, изберете акумулаторна NiCd или гел (Dryfit) батерия.

Тъй като максималната консумация на ток на мегафона е 0,7 A, стандартен алкален е подходящ, за да поддържа операцията в продължение на 24 часа при пълна изходна мощност.

Ако планирате да използвате непрекъснато, изборът на сухи клетки ще бъде повече от достатъчен.

Имайте предвид, че какъвто и източник на енергия да използвате, той никога не трябва да пресича повече от 7 V.

Причината е HCMOS превключвателите в IC₁няма да функционира правилно при това ниво на напрежение или повече.

За щастие, за усилвателя максималният праг за захранващо напрежение е по-голям от 11 V.

Дизайнът на печатни платки за обяснения по-горе PWM усилвател клас D е даден по-долу:

Още един добър PWM усилвател

Добре проектиран PWM усилвател ще включва симетричен правоъгълен генератор на вълни.

Работният цикъл на тази правоъгълна вълна се модулира от аудио сигнала.

Вместо да работят линейно, изходните транзистори работят като превключватели, така че те са или напълно включени или изключени. В неактивно състояние работният цикъл на формата на вълната е 50%.

Това означава, че всеки изходен транзистор е напълно наситен или известен също като проводящ, за същото времетраене. В резултат на това средното изходно напрежение е нула.

Това означава, че ако един от превключвателите остане затворен малко по-дълго от другия, средното изходно напрежение ще бъде отрицателно или положително в зависимост от полярността на входния сигнал.

Следователно можем да забележим, че средното изходно напрежение е свързано с входния сигнал. Това е така, защото изходните транзистори работят изцяло като превключватели, поради което има изключително ниски загуби на мощност в изходния етап.

Дизайнът

Фигура 1 изобразява цялата схема на усилвателя PWM от клас D. Виждаме, че PWM усилвателят не трябва да е твърде сложен.

Входният аудио сигнал се прилага към оп-усилвател IC1, който функционира като компаратор. Тази настройка води шепа тригери на Шмит, които са свързани паралелно на веригата.

Те са там по две причини. Първо, трябва да има 'квадратна' форма на вълната и второ, адекватният базов задвижващ ток се изисква за изходния етап. На този етап са инсталирани два прости, но бързи транзистора (BD137 / 138).

Целият усилвател се колебае и генерира квадратна вълна. Причината е, че един вход от компаратора (IC1) е прикрепен към изхода чрез RC мрежа.

Освен това, двата входа на IC1 са пристрастени към първата половина на захранващото напрежение чрез използване на делител на напрежение R3 / R4.

Всеки път, когато изходът на IC1 е нисък и емитерите на T1 / T2 са високи, зареждането на кондензатор C3 става чрез резистор R7. В същото време ще има повишаване на напрежението на неинвертиращия вход.

След като това ескалиращо напрежение премине нивото на инвертиращия пут, извън IC1 се сменя от ниско на високо.

В резултат излъчвателите на T1 / T2 се превръщат от високо в ниско. Това състояние позволява на C3 да се разрежда през R7 и напрежението на плюс входа се понижава под напрежението на минусовия вход.

Изходът на IC1 също се връща в ниско състояние. В крайна сметка се извежда квадратна вълна с честота, определена от R7 и C3. Предоставените стойности генерират трептене при 700 kHz.

Използване на осцилатор , можем да модулираме честотата. Нивото на инвертиращия вход на IC1, което обикновено се използва като еталон, не остава постоянно, а се определя от аудио сигнала.

Освен това амплитудата определя точната точка, в която изходът на компаратора започва да се променя. Следователно „дебелината“ на квадратните вълни редовно се модулира от аудио сигнала.

За да се гарантира, че усилвателят не работи като предавател 700 kHz, трябва да се извърши филтриране на изхода му. LC / RC мрежа, включваща L1 / C6 и C7 / R6, върши добра работа като a филтър .

Технически спецификации

• Оборудван с товар от 8 ома и 12 V захранващо напрежение, усилвателят генерира 1,6 W.
• Когато се използват 4 ома, мощността се увеличава до 3 W. За такава малка разсеяна топлина не се изисква охлаждане на изходните транзистори.
• Доказано е, че хармоничното изкривяване е необичайно ниско за проста верига като тази.
• Общото ниво на хармонично изкривяване е по-ниско от 0,32% от измерения обхват от 20 Hz до 20 000 Hz.

На фигурата по-долу можете да видите печатната платка и оформлението на частите за усилвателя. Времето и разходите за изграждане на тази верига са много ниски, така че това е отличен шанс за всеки, който иска да се подобри в разбирането на ШИМ.

Списък с части

Резистори:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8.2 ома
P1 = 100k логаритмичен потенциометър
Съпоставител;
С1, С2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p/10 V
C9 - 2n2
Полупроводници:
IC1 - CA3130
IC2-00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Разни:
L1 = 39μH индуктор

Обикновена 3 транзисторна схема усилвател клас-D

Изключителната ефективност на PWM усилвателя е такава, че мощност от 3 W може да се получи с BC107, използван като изходен транзистор. Дори по-добре, не изисква радиатор.

Усилвателят включва осцилатор с широчина на импулса с контролирано напрежение, работещ на около 6 kHz и налагащ изходен етап от клас D.

Има само два сценария - пълен включен или напълно изключен. Поради това разсейването е невероятно малко и следователно дава висока ефективност. Изходната форма на вълната не изглежда като входната.

Интегралът на изходните и входните форми на вълните обаче са пропорционални един на друг по отношение на времето.

Представената таблица на стойностите на компонентите показва, че всеки усилвател с мощности между 3 W и 100 W може да бъде произведен. Като се има предвид, че могат да се постигнат по-силни мощности до 1 kW.

Недостатъкът е, че създава около 30% от изкривяванията. В резултат на това усилвателят може да се използва само за усилване на звука. Той е подходящ за системи за публичен разговор, тъй като речта е невероятно разбираема.

Цифров Op-Amp

Следващата концепция показва как да се използва основният набор за нулиране на флип флоп IC 4013 може да се приложи за преобразуване на аналогов аудио сигнал в съответстващ ШИМ сигнал, който може допълнително да бъде подаден на MOSFET етап за желаното усилване на ШИМ.

Можете да използвате половината от пакета 4013 като усилвател, осигурен с цифров изход с работен цикъл, който е пропорционален на желаното изходно напрежение. Винаги, когато имате нужда от аналогов изход, обикновен филтър би свършил работа.

Трябва да следвате тактовите импулси, както е посочено и те трябва да бъдат значително по-високи по честота от желаната честотна лента. Коефициентът на усилване е R1 / R2, докато времето R1R2C / (R1 + R2) трябва да е по-дълго от периода на импулсите на часовника.

Приложения

Има много начини веригата може да се използва. Някои са:

1. Придобивайте импулси от точката на пресичане на нулата на мрежата и задействайте триак с изхода. В резултат на това вече имате релационен контрол на мощността без RFI.
2. С помощта на бърз часовник превключете драйвера на транзисторите с изхода. Резултатът е високоефективен PWM аудио усилвател.

30 ватов PWM усилвател

Електрическа схема за 30W клас -D аудио усилвател може да се види в следния pdf файл.

Оперативният усилвател IC1 усилва входния аудио сигнал чрез потенциометър VR1 с регулируем обем. Сигнал PWM (модулация с широчина на импулса) се генерира чрез сравняване на аудио сигнала с 100kHz триъгълник wale. Това се постига чрез компаратора 1С6. Резисторът RI3 се използва за осигуряване на положителна обратна връзка и C6 всъщност се въвежда, за да се удължи времето за работа на компаратора.

Изходът на компаратора превключва между крайни напрежения от ± 7,5V. Издърпващият резистор R12 предлага + 7.5V, докато -7.5V се захранва от вътрешния транзистор на отворен емитер на операционния усилвател IC6 на щифт 1. По време на преминаването на този сигнал на положително ниво, транзисторът TR1 работи като ток на мивка. Тази мивка на тока причинява увеличаване на спада на напрежението на резистора R16, което става точно достатъчно, за да включи MOSFET TR3.

Когато сигналът превключи в отрицателна крайност. TR2 се превръща в източник на ток, което води до спад на напрежението в R17. Този спад става точно достатъчен за включване на TR4. По принцип MOSFETs TR3 и TR4 се задействат последователно, генерирайки PWM сигнал, който превключва между +/- 15V.

В този момент става изключително важно да се върне или преобразува този усилен ШИМ сигнал в доброто възпроизвеждане на звука, което може да бъде усилен еквивалент на входния аудио сигнал.

Това се постига чрез създаване на средна стойност на работния цикъл на ШИМ чрез нискочестотен филтър на Butterworh от 3-ти ред, имащ гранична честота (25kHz) значително под основната честота на триъгълника.

Това действие води до огромно затихване при 100kHz. Полученият краен изход се преобразува в аудио изход, който е усилена репликация на входния аудио сигнал.

Генераторът на триъгълни вълни през конфигурацията на веригата 1C2 и 1C5, където IC2 работи като генератор на квадратни вълни с положителна обратна връзка, подавана през R7 и R11. Диодите DI до D5 работят като двупосочна скоба. Това фиксира напрежението приблизително +/- 6V.

Създаден е перфектен интегратор чрез предварително зададени VR2, кондензатор C5 и IC5, който трансформира квадратна вълна в триъгълна вълна. Предварително зададената VR2 предоставя функцията за честотна настройка.

Изходът 1C5 на (щифт 6) доставя обратна връзка към 1C2, а резисторът R14 и предварително зададената VR3 функционират като гъвкав атенюатор, позволяващ нивото на триъгълната вълна да бъде променено според изискванията.

След направата на пълната верига VR2 и VR3 трябва да бъдат фино настроени, за да се даде възможност за най-високо качество на аудио изхода. Набор от обикновени 741 операционни усилватели за 1C4 и IC3 могат да се използват като буфери за усилване на единството за захранване на +/- 7.5V мощност.

Кондензаторите C3, C4, C11 и C12 се използват за филтриране, докато останалите кондензатори се използват за отделяне на захранването.

Веригата може да се захранва с двойно +/- 15V DC захранване, което ще може да задвижва 30 W 8 ома високоговорител през LC етап, използвайки кондензатор C13 и индуктор L2. Имайте предвид, че скромни радиатори може да са необходими за MOSFET TR3 и TR4.