4 circuite de amplificator PWM eficiente explicate

Amplificatoarele audio care sunt proiectate pentru a amplifica un semnal audio analogic prin modulația lățimii pulsului sau prin procesarea PWM și cu ciclu de funcționare reglabil sunt cunoscute sub multe nume, inclusiv amplificator digital, amplificator de clasă D, amplificator comutat și amplificator PWM.

Deoarece poate avea performanțe ridicate, a Amplificator clasa-D a devenit un concept preferat pentru aplicațiile de adresare mobilă și publică în care distorsiunea este neglijabilă.

De ce sunt atât de eficiente amplificatoarele PWM

Acest lucru se datorează faptului că convertesc semnalul audio analogic în conținut echivalent PWM modulat. Acest semnal audio PWM modulat este amplificat eficient de dispozitivele de ieșire, cum ar fi MOSFET-uri sau BJT-uri și apoi convertit înapoi în versiune analogică de mare putere utilizând inductoare speciale în difuzoarele conectate.

Noi stim aia semiconductor dispozitive precum MOSFET-uri și BJT-uri „nu-mi place” să fie operat în regiuni nedefinite ale unui semnal de intrare și tind să devină fierbinți. De exemplu a MOSFET nu se va porni corect când semnalele porții sunt sub 8V, iar BJT-urile nu vor răspunde corect la unitatea de bază sub 0,5 V, rezultând o cantitate mare de disipare a căldurii prin radiator.

Semnalele analogice fiind exponențiale prin natură forțează dispozitivele de mai sus să funcționeze cu potențiale incomode și nefavorabile de creștere lentă și cădere lentă, provocând o disipare ridicată a căldurii și ineficiențe mai mari.

PWM prin contrast, conceptul de amplificare permite acestor dispozitive să funcționeze fie pornindu-le complet, fie oprindu-le complet, fără potențiale intermediare nedefinite. Datorită acestui fapt, dispozitivele nu radiază nicio căldură și amplificarea audio este redată cu randament ridicat și pierderi minime.

Avantajele amplificatorului digital în comparație cu amplificatorul liniar

• Amplificatoarele digitale sau PWM utilizează procesarea PWM și, prin urmare, dispozitivele de ieșire amplifică semnalele cu o disipare minimă a căldurii. Amplificatoarele liniare utilizează designul emițătorului și disipă o cantitate mare de căldură în timpul amplificării sunetului.
• Amplificatoarele digitale pot funcționa cu un număr mai mic de dispozitive de putere de ieșire comparativ cu amplificatoarele liniare.
• Datorită disipării minime a căldurii, nu sunt necesare radiatoare sau radiatoare mai mici, comparativ cu amplificatorii liniari care depind de radiatoarele mari.
• Amplificatoarele digitale PWM sunt mai ieftine, mai ușoare și extrem de eficiente în comparație cu amplificatoarele liniare.
• Amplificatoarele digitale pot funcționa cu intrări de alimentare mai mici decât amplificatoarele liniare.

În acest post, primul amplificator de putere PWM de mai jos este acționat de o baterie de 6 V și generează o putere de ieșire de până la 5W. Având în vedere capacitatea sa de ieșire flagrantă, amplificatorul PWM se găsește adesea în megafoane.

O problemă obișnuită cu amplificatoarele AF mobile este că, datorită proprietății lor de eficiență scăzută, este dificil să se producă o putere mare dintr-o tensiune de alimentare scăzută.

Cu toate acestea, amplificatorul PWM din discuția noastră are o eficiență de aproape 100% la un nivel de distorsiune care este acceptabil cu megafoane și P.A. dispozitive. Câțiva factori care contribuie la proiectare sunt explicați mai jos:

Modulația lățimii impulsurilor

Principiul modulării lățimii impulsurilor (PWM) este reprezentat în figura 1 de mai jos.

Conceptul este simplu: ciclul de funcționare al unui semnal dreptunghiular cu frecvență mai mare este controlat de un semnal de intrare. Timpul de pornire al impulsului este relativ la amplitudinea instantanee a semnalului de intrare.

Cantitatea de timp de oprire și de oprire în plus față de frecvență este constantă. Prin urmare, atunci când lipsește un semnal de intrare, se produce un semnal de undă pătrată simetric.

Pentru a obține o calitate a sunetului relativ bună, frecvența semnalului dreptunghiular trebuie să fie dublă față de cea mai mare frecvență din semnalul de intrare.

Semnalul rezultat poate fi utilizat pentru alimentarea unui difuzor. Figura 4 prezintă o conversie clară în urmele osciloscopului.

Trasa superioară arată semnalul de ieșire post-filtrare și măsurat pe difuzor. Amplitudinea celor rămase Semnal PWM care se suprapune unde sinusoidale este mic.

Comutatoare electronice ca amplificatoare

Figura 2 descrie funcționarea standard a amplificatorului PWM cu ajutorul diagramei bloc.

Să presupunem că când intrarea este scurtcircuitată, comutați S_laalimentează condensatorul C₇cu un I curent_Două. Acest lucru se întâmplă până când se atinge o tensiune de comutare limită superioară adecvată.

Apoi, conectează R₇la pamant. După aceea, C₇este descărcat la tensiunea de comutare limită inferioară de S_la. Ca urmare, C₇și R₇produce o undă pătrată cu o frecvență de 50 kHz.

Când un semnal AF este efectuat la intrarea amplificatorului, curentul suplimentar I₁reduce sau crește relativ timpul de încărcare sau crește și scade timpul de descărcare.

Deci, semnalul de intrare modifică factorul de funcționare al semnalului de undă pătrată care se vede la ieșirea difuzorului.

Există două legi care sunt esențiale pentru funcționarea de bază a amplificatorului PWM.

1. Primul este comutatorul S_beste controlat în antifază cu S_laîn timp ce țineți celălalt terminal al difuzorului ca o tensiune alternativă la cea a semnalului PWM.

Această configurare produce un rezultat al etapei de ieșire a puterii de tip punte de comutare. Apoi, la fiecare polaritate, difuzorul este forțat cu tensiunea de alimentare completă, astfel încât să se realizeze un consum maxim de curent.

2. În al doilea rând, ne uităm la inductori L₁și eu_Două. Scopul inductoarelor este de a integra semnalul dreptunghiular și de a le converti în sinusoidale așa cum se arată în urmărirea scopului anterior. În plus, funcționează și suprimă armonica semnalului dreptunghiular de 50 kHz.

Ieșire sonoră ridicată dintr-un design modest

Din schema din figura de mai sus, puteți identifica cu ușurință componentele electronice utilizate în diagrama bloc.

O mână de piese precum rezistorul R1, cuplarea condensatoarelor C.₁și C₄, controlul volumului P₁și un amplificator bazat în jurul opamp A₁face treaba de polarizare pentru un microfon condensator (sau electrostatic).

Această întreagă operație creează segmentul de intrare al amplificatorului PWM. După cum sa discutat mai devreme, comutatoarele S_lași S_bsunt construite prin comutatoare electronice ES₁la ES₄și perechi de tranzistori T₁-T₃Si t_Două-T₄.

Indicațiile pieselor pentru componentele electronice care construiesc generatorul PWM se referă la cele descrise în diagrama bloc.

Probabil că amplificatorul PWM este neobișnuit de eficient, deoarece tranzistoarele de ieșire nu sunt încălzite chiar și atunci când sunt forțate cu o condiție completă de acționare. Pe scurt, există practic o disipare zero în stadiul de putere.

Cel mai important factor pe care trebuie să îl luați în considerare înainte de a selecta inductoarele L₁și eu_Douăeste că trebuie să fie capabili să canalizeze 3 A fără să se satureze.

Considerentul efectiv de inductanță vine doar pe al doilea. De exemplu, inductoarele utilizate în acest proiect au fost obținute de la un dimmer ușor.

Scopul diodelor D₃la D₆este să conțină EMF din spate produsă de inductori la o valoare rezonabilă de siguranță.

Mai mult, intrarea non-inversantă a opamp A₁este format din D₁, C₃, D_Douăși R₃. Această tensiune de intrare, filtrată eficient, este egală cu jumătate din tensiunea de alimentare.

Când utilizați un amplificator tradițional opamp, câștigul de tensiune este atribuit de o buclă de feedback negativ. R₄și R₅va seta câștigul la 83 pentru a vă asigura o sensibilitate suficientă a microfonului.

În cazul în care utilizați surse de semnal cu impedanță ridicată, R₄poate fi amplificat la nevoie.

L₁și eu_Douăcauzează schimbarea de fază și, din acest motiv, feedback-ul este posibil cu ajutorul semnalului de undă pătrată de la colectorul T₁comparativ cu semnalul difuzorului sinusoidal.

Combinat cu C₅opamp oferă integrarea semnificativă a semnalului de feedback PWM.

Sistemul de feedback reduce distorsiunea amplificatorului, dar nu atât de extins încât s-ar putea să-l utilizați pentru alte aplicații în afară de adresa publică.

În mod normal, ar fi necesară o cantitate semnificativ crescută de tensiune de alimentare și un design complicat al circuitului pentru un amplificator de clasă D cu distorsiuni reduse.

Implementarea acestei configurări ar împiedica eficiența generală a circuitului. Acordați atenție atunci când alegeți întrerupătoare electronice în amplificator, deoarece tipurile HCMOS sunt potrivite.

Un CMOS tipic tip 4066 este extrem de lent și inadecvat pentru a declanșa un „scurtcircuit” în T₁-T₃Si t_Două-T₄. Nu numai asta, dar există și un risc crescut de suprasolicitare sau chiar de deteriorare permanentă a amplificatorului.

Amplificator PWM pentru aplicația de megafon

Pasionații de electronice preferă să utilizeze amplificatorul clasa D pentru alimentarea unui difuzor de tip claxon, deoarece acesta poate produce cel mai puternic sunet pentru un nivel de putere selectat.

Folosind un acumulator de 6 V și un difuzor cu cameră de presiune, modelul amplificatorului a fost ușor de construit.

Puterea de ieșire existentă de 4 W a fost măsurabilă într-un megafon cu o gamă audio decentă.

Patru baterii uscate de 1,5 V sau monocelule alcaline au fost conectate în serie pentru a alimenta tensiunea megafonului. În cazul în care doriți să utilizați frecvent această configurație, optați pentru o baterie reîncărcabilă NiCd sau tip gel (Dryfit).

Deoarece consumul maxim de curent al megafonului este de 0,7 A, un alcalin standard este potrivit pentru a susține funcționarea timp de 24 de ore la puterea maximă de ieșire.

Dacă intenționați o utilizare non-continuă, alegerea unui set de celule uscate va fi mai mult decât suficientă.

Rețineți că, indiferent de sursa de energie pe care o folosiți, aceasta nu trebuie să traverseze niciodată mai mult de 7 V.

Motivul este comutatoarele HCMOS din IC₁nu ar funcționa corect la acel nivel de tensiune sau mai mult.

Din fericire, pentru amplificator, pragul maxim pentru tensiunea de alimentare este mai mare de 11 V.

Proiectarea PCB pentru amplificatorul PWM clasa-D explicat mai sus este prezentată mai jos:

Un alt amplificator PWM bun

Un amplificator PWM bine proiectat va cuprinde un generator de unde dreptunghiulare simetric.

Ciclul de funcționare al acestei unde dreptunghiulare este modulat de semnalul audio.

În loc să funcționeze liniar, tranzistoarele de ieșire funcționează ca întrerupătoare, deci sunt fie complet activate, fie oprite. Într-o stare inactivă, ciclul de funcționare al formei de undă este de 50%.

Asta înseamnă că fiecare tranzistor de ieșire este complet saturat sau, de asemenea, cunoscut sub numele de conductor, pentru aceeași durată. Ca urmare, tensiunea medie de ieșire este zero.

Aceasta înseamnă că dacă unul dintre comutatoare rămâne închis puțin mai mult decât celălalt, tensiunea medie de ieșire va fi fie negativă, fie pozitivă, în funcție de polaritatea semnalului de intrare.

Prin urmare, putem observa că tensiunea medie de ieșire este relațională cu semnalul de intrare. Acest lucru se datorează faptului că tranzistoarele de ieșire funcționează în întregime ca întrerupătoare, prin urmare există o pierdere de putere extrem de mică în etapa de ieșire.

Design-ul

Figura 1 descrie întreaga schemă a amplificatorului PWM de clasă-D. Putem vedea că amplificatorul PWM nu trebuie să fie prea complex.

Semnalul audio de intrare este aplicat unui amplificator opțional IC1 care funcționează ca un comparator. Această configurare conduce o mână de declanșatoare Schmitt care sunt conectate în paralel cu circuitul.

Sunt acolo din două motive. În primul rând, trebuie să existe o formă de undă „pătrată” și, în al doilea rând, este necesar curentul de acționare de bază adecvat pentru etapa de ieșire. În această etapă, sunt instalați doi tranzistori simpli, dar rapizi (BD137 / 138).

Întreg amplificatorul oscilează și generează o undă pătrată. Motivul este că o intrare de la comparator (IC1) este atașată la ieșire printr-o rețea RC.

În plus, ambele intrări ale IC1 sunt polarizate în prima jumătate a tensiunii de alimentare prin utilizarea unui divizor de tensiune R3 / R4.

De fiecare dată când ieșirea IC1 este scăzută și emițătorii T1 / T2 sunt mari, încărcarea condensatorului C3 are loc prin rezistorul R7. În același timp, va exista o creștere a tensiunii la intrarea care nu inversează.

Odată ce această tensiune în creștere depășește nivelul puterii de inversare, ieșirea din IC1 trece de la scăzut la înalt.

În consecință, emițătorii de T1 / T2 se transformă de la mare la mic. Această condiție permite C3 să se descarce prin R7 și tensiunea la intrarea plus scade sub tensiunea la intrarea minus.

Ieșirea IC1 revine, de asemenea, la o stare scăzută. În cele din urmă, o ieșire de undă pătrată este produsă la o frecvență stabilită de R7 și C3. Valorile furnizate generează o oscilație la 700 kHz.

Folosind un oscilator , putem modula frecvența. Nivelul intrării inversoare de IC1, care este de obicei utilizat ca referință, nu rămâne constant, ci este decis de semnalul audio.

Mai mult, amplitudinea determină punctul exact în care ieșirea comparatorului începe să se schimbe. În consecință, „grosimea” undelor pătrate este modulată în mod regulat de semnalul audio.

Pentru a vă asigura că amplificatorul nu funcționează ca un transmițător de 700 kHz, filtrarea trebuie exercitată la ieșirea sa. O rețea LC / RC care conține L1 / C6 și C7 / R6 face o treabă bună ca filtru .

Specificatii tehnice

• Echipat cu o sarcină de 8 ohmi și tensiune de alimentare de 12 V, amplificatorul a generat 1,6 W.
• Când se utilizează 4 ohmi, puterea a crescut la 3 W. Pentru o căldură disipată atât de mică, nu sunt necesare răcirea tranzistoarelor de ieșire.
• Este dovedit că distorsiunea armonică este neobișnuit de scăzută pentru un circuit simplu ca acesta.
• Nivelul total de distorsiune armonică a fost mai mic de 0,32%, în intervalul măsurat de la 20 Hz la 20 000 Hz.

În figura de mai jos, puteți vedea PCB-ul și aspectul pieselor pentru amplificator. Timpul și costul construirii acestui circuit sunt foarte mici, așa că prezintă o șansă excelentă pentru oricine dorește să înțeleagă mai bine PWM.

Lista de componente

Rezistențe:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohmi
P1 = 100k potențiometru logaritmic
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Semiconductori:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Diverse:
L1 = 39μH Inductor

Circuit amplificator simplu cu 3 tranzistori clasa D

Eficiența remarcabilă a amplificatorului PWM este de așa natură încât o ieșire de 3 W poate fi produsă cu un BC107 folosit ca tranzistor de ieșire. Chiar mai bine, nu necesită radiator.

Amplificatorul cuprinde un oscilator cu lățime a impulsului controlat de tensiune, care funcționează la aproximativ 6 kHz și impune o etapă de ieșire de clasă D.

Există doar două scenarii - complet activat sau complet dezactivat. Datorită acestui fapt, disiparea este incredibil de mică și, prin urmare, produce o eficiență ridicată. Forma de undă de ieșire nu arată ca intrarea.

Cu toate acestea, integralul formelor de undă de ieșire și de intrare sunt proporționale între ele în raport cu timpul.

Tabelul prezentat al valorilor componentelor arată că orice amplificator cu ieșiri cuprinse între 3 W și 100 W poate fi fabricat. Având în vedere că se pot obține puteri mai puternice de până la 1 kW.

Dezavantajul este că creează aproximativ 30% distorsiuni. Ca urmare, amplificatorul poate fi utilizat numai pentru amplificarea sunetului. Este potrivit pentru sistemele de adresare publică, deoarece discursul este incredibil de înțeles.

Amplificator digital op

Următorul concept arată cum să utilizați un flip flop de resetare a setului de bază IC 4013 ar putea fi aplicat pentru conversia semnalului audio analogic în semnal PWM corespunzător, care poate fi alimentat în continuare la un stadiu MOSFET pentru amplificarea PWM dorită.

Puteți utiliza jumătate din pachetul 4013 ca amplificator cu condiția unei ieșiri digitale cu un ciclu de funcționare proporțional cu tensiunea de ieșire dorită. Ori de câte ori aveți nevoie de o ieșire analogică, un filtru simplu ar face treaba.

Trebuie să urmați impulsurile ceasului așa cum este specificat și acestea trebuie să aibă o frecvență semnificativ mai mare decât lățimea de bandă dorită. Câștigul este R1 / R2, în timp ce timpul R1R2C / (R1 + R2) trebuie să fie mai lung decât perioada impulsurilor de ceas.

Aplicații

Există mai multe moduri în care circuitul poate fi utilizat. Unii sunt:

1. Achiziționați impulsuri de la punctul de trecere zero al rețelei și aplicați un triac cu ieșirea. Ca urmare, aveți acum controlul puterii relaționale fără RFI.
2. Folosind un ceas rapid, comutați tranzistoarele driverului cu ieșirea. Rezultatul este un amplificator audio PWM extrem de eficient.

Amplificator PWM de 30 wați

O schemă de circuit pentru un amplificator audio de clasă-D de 30W poate fi văzută în fișierul pdf următor.

Amplificatorul operațional IC1 amplifică semnalul audio de intrare prin potențiometrul VR1 cu volum variabil. Un semnal PWM (modul de lățime a impulsului) este generat prin compararea semnalului audio cu un triunghi de 100kHz. Acest lucru se realizează prin intermediul comparatorului 1C6. Rezistorul RI3 este utilizat pentru a furniza feedback pozitiv, iar C6 este introdus pentru a spori timpul de funcționare al comparatorului.

Ieșirea comparatorului comută între o tensiune extremă de ± 7,5V. Rezistorul de tracțiune R12 oferă + 7,5 V, în timp ce -7,5 V este furnizat de tranzistorul emițătorului deschis intern al amplificatorului opțional IC6 la pinul 1. În timpul în care acest semnal trece la un nivel pozitiv, tranzistorul TR1 funcționează ca un terminal de chiuvetă curent. Această chiuvetă de curent determină o creștere a căderii de tensiune pe rezistorul R16, care devine suficient pentru a porni MOSFET TR3.

Când semnalul trece la extrem negativ. TR2 se transformă într-o sursă de curent care duce la o cădere de tensiune pe R17. Această scădere devine suficientă pentru a porni TR4. Practic, MOSFET-urile TR3 și TR4 sunt declanșate alternativ generând un semnal PWM care comută între +/- 15V.

În acest moment devine esențial să readuceți sau să convertiți acest semnal PWM amplificat într-o bună reproducere audio, care poate fi un echivalent amplificat al semnalului audio de intrare.

Acest lucru se realizează prin crearea unei medii a ciclului de funcționare PWM printr-un filtru trece-jos Butterworh de ordinul 3 având o frecvență de întrerupere (25 kHz) semnificativ sub frecvența de bază a triunghiului.

Această acțiune duce la o atenuare imensă la 100kHz. Ieșirea finală obținută se transformă într-o ieșire audio care este o replicare amplificată a semnalului audio de intrare.

Generatorul de unde triunghiulare prin configurația circuitului 1C2 și 1C5, unde IC2 funcționează ca un generator de unde pătrate cu feedback pozitiv furnizat prin R7 și R11. Diodele DI la D5 funcționează ca o clemă bidirecțională. Aceasta fixează tensiunea la aproximativ +/- 6V.

Un integrator perfect este creat prin VR2 prestabilit, condensatorul C5 și IC5 care transformă o undă pătrată într-o undă triunghiulară. Presetarea VR2 oferă funcția de ajustare a frecvenței.

Ieșirea 1C5 de la (pinul 6) furnizează feedback la 1C2, iar rezistorul R14 și VR3 presetate funcționează ca atenuator flexibil care permite ajustarea nivelului undei triunghiului, după cum este necesar.

După realizarea circuitului complet, VR2 și VR3 trebuie reglate fin pentru a permite ieșirea audio de cea mai înaltă calitate. Un set de 741 amplificatori operaționali obișnuiți pentru 1C4 și IC3 poate fi folosit ca tampoane de câștig de unitate pentru a furniza puterea +/- 7,5V.

Condensatoarele C3, C4, C11 și C12 sunt utilizate pentru filtrare, în timp ce restul condensatoarelor sunt utilizate pentru decuplarea alimentării.

Circuitul poate scădea cu o sursă de alimentare dublă +/- 15V DC, care va putea conduce un difuzor de 30W 8 ohmi prin etapa LC folosind condensatorul C13 și inductor L2. Rețineți că radiatoarele modeste ar putea fi probabil necesare pentru MOSFET TR3 și TR4.