4 Verimli PWM Amplifikatör Devresi Açıklaması

Analog bir ses sinyalini darbe genişlik modülasyonu veya PWM işleme yoluyla ve ayarlanabilir görev döngüsüyle yükseltmek için tasarlanmış ses amplifikatörleri, dijital amplifikatör, Sınıf-D amplifikatör, anahtarlamalı amplifikatör ve PWM amplifikatör gibi birçok isimle bilinir.

Yüksek verimlilikte performans gösterebildiği için, D Sınıfı amplifikatör distorsiyonun önemsiz olduğu mobil ve genel seslendirme uygulamaları için favori bir konsept haline geldi.

PWM Amplifikatörleri Neden Bu Kadar Verimli?

Bunun nedeni, analog ses sinyalini eşdeğer PWM modülasyonlu içeriğe dönüştürmeleridir. Bu modüle edilmiş PWM ses sinyali, MOSFET'ler veya BJT'ler gibi çıkış cihazları tarafından verimli bir şekilde güçlendirilir ve ardından bağlı hoparlörler boyunca özel indüktörler kullanılarak yüksek güçlü analog versiyona dönüştürülür.

Biz biliyoruz ki yarı iletken gibi cihazlar MOSFET'ler ve BJT'ler bir giriş sinyalinin tanımlanmamış bölgelerinde çalıştırılmaktan 'hoşlanmıyorum' ve ısınma eğilimindedir. Örneğin a MOSFET kapı sinyalleri 8V'nin altında olduğunda düzgün şekilde açılmayacaktır ve BJT'ler, 0,5 V temel sürücünün altında doğru şekilde yanıt vermeyerek vücut soğutucuları aracılığıyla yüksek miktarda ısı dağılımına neden olur.

Doğası gereği üstel olan analog sinyaller, yukarıdaki cihazları rahatsız edici ve elverişsiz yavaş yükselme ve yavaş düşme potansiyelleriyle çalışmaya zorlayarak yüksek ısı dağılımına ve daha büyük verimsizliklere neden olur.

PWM aksine amplifikasyon konsepti, bu cihazların ara tanımlanmamış potansiyeller olmadan tamamen AÇIK veya tamamen KAPALI konuma getirilerek çalışmasına izin verir. Bu sayede cihazlar herhangi bir ısı yaymaz ve ses amplifikasyonu yüksek verimlilik ve minimum kayıpla sağlanır.

Lineer Amplifikatöre Göre Dijital Amplifikatörün Avantajları

• Dijital veya PWM amplifikatörleri PWM işlemeyi kullanır ve bu nedenle çıkış cihazları sinyalleri minimum ısı dağılımı ile güçlendirir. Doğrusal amplifikatörler, yayıcı takipçi tasarımını kullanır ve ses amplifikasyonu sırasında yüksek miktarda ısıyı dağıtır.
• Dijital amplifikatörler, doğrusal amplifikatörlere kıyasla daha az sayıda çıkış gücü cihazıyla çalışabilir.
• Minimum ısı dağılımı nedeniyle, büyük soğutuculara bağlı olan doğrusal amplifikatörlere kıyasla herhangi bir soğutucu veya daha küçük soğutucu gerekmez.
• Dijital PWM amplifikatörleri, doğrusal amplifikatörlere kıyasla daha ucuz, daha hafif ve oldukça verimlidir.
• Dijital amplifikatörler, doğrusal amplifikatörlerden daha küçük güç kaynağı girişleriyle çalışabilir.

Bu yazıda, aşağıdaki ilk PWM güç amplifikatörü 6 V'luk bir pil ile çalıştırılır ve 5W'a kadar çıkış gücü üretir. Bariz çıkış kapasitesi göz önüne alındığında, PWM amplifikatörü genellikle megafonlarda bulunur.

Mobil AF amplifikatörleri ile ilgili yaygın bir sorun, düşük verimlilik özelliklerinden dolayı, düşük bir besleme voltajından yüksek güç üretmenin zor olmasıdır.

Bununla birlikte, tartışmamızdaki PWM amplifikatörü, megafonlar ve ilgili P.A. ile kabul edilebilir bir distorsiyon seviyesinde neredeyse% 100 verimliliğe sahiptir. cihazlar. Tasarıma katkıda bulunan birkaç faktör aşağıda açıklanmıştır:

Darbe genişliği modülasyonu

Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) ilkesi aşağıdaki Şekil 1'de gösterilmektedir.

Konsept basittir: Daha yüksek frekanslı dikdörtgen bir sinyalin görev döngüsü bir giriş sinyali tarafından kontrol edilir. Darbenin açılma süresi, giriş sinyalinin anlık genliğine bağlıdır.

Frekansa ek olarak açma ve kapama zamanlarının miktarı sabittir. Bu nedenle, bir giriş sinyali eksik olduğunda simetrik bir kare dalga sinyali üretilir.

Nispeten iyi bir ses kalitesi elde etmek için, dikdörtgen sinyalin frekansı, giriş sinyalindeki en yüksek frekansın iki katı olmalıdır.

Elde edilen sinyal bir hoparlöre güç sağlamak için kullanılabilir. Şekil 4, osiloskop izinde net bir dönüşümü göstermektedir.

Üstteki iz, son filtreleme çıkış sinyalini gösterir ve hoparlörden ölçülür. Kalan genliğin genliği PWM sinyali üst üste gelen sinüs dalgası küçüktür.

Amplifikatör Olarak Elektronik Anahtarlar

Şekil 2, blok diyagram yardımıyla PWM amplifikatörünün standart çalışmasını açıklamaktadır.

Girişin kısa devre yaptığını varsayalım, S anahtarını_-egüç kondansatörü C₇akım ben ile_iki. Bu, uygun bir üst limit anahtarlama gerilimi elde edilene kadar devam eder.

Ardından, R'yi bağlar₇yere. Bundan sonra, C₇S'nin alt limit anahtarlama gerilimine boşaltılır_-e. Sonuç olarak, C₇ve R₇50 kHz frekanslı bir kare dalga üretir.

Amplifikatörün girişine bir AF sinyali etkilendiğinde, ek akım I₁nispeten şarj süresini kısaltır veya arttırır veya boşaltma süresini artırır veya azaltır.

Dolayısıyla, giriş sinyali, hoparlörün çıkışında görülen kare dalga sinyalinin görev faktörünü değiştirir.

PWM amplifikatörünün temel çalışması için gerekli olan iki yasa vardır.

1. İlki S anahtarı_bS ile anti-fazda kontrol edilir_-ediğer hoparlör terminalini PWM sinyalininkine alternatif bir voltaj olarak tutarken.

Bu kurulum, anahtarlamalı köprü tipi güç çıkış aşamasının bir sonucunu üretir. Daha sonra, her bir polaritede, hoparlör tam besleme gerilimi ile zorlanır, böylece maksimum akım tüketimi elde edilir.

2. İkincisi, L indüktörlerine bakıyoruz₁ve ben_iki. İndüktörlerin amacı, dikdörtgen sinyali entegre etmek ve bunları daha önce kapsam izinde gösterildiği gibi sinüzoidal hale getirmektir. Ayrıca, 50 kHz dikdörtgen sinyalin işlevini ve harmonik baskılamasını da yaparlar.

Mütevazı Bir Tasarımdan Yüksek Ses Çıkışı

Yukarıdaki şekildeki şemadan, blok diyagramda kullanılan elektronik bileşenleri kolayca tanımlayabilirsiniz.

Rezistör R1, kaplin kapasitörleri C gibi bir avuç parça₁ve C₄, ses seviyesi kontrolü P₁ve opamp A temelli bir amplifikatör₁bir kapasitör (veya elektrostatik) mikrofon için polarlama işini yapar.

Tüm bu işlem, PWM amplifikatörünün giriş bölümünü oluşturur. Daha önce tartışıldığı gibi, S anahtarları_-eve S_belektronik anahtarlar ES ile üretilmiştir₁ayak parmakları₄ve transistör çiftleri T₁-T₃ve T_iki-T₄.

PWM jeneratörünü oluşturan elektronik bileşenlere yönelik parça göstergeleri, blok diyagramda açıklananlarla ilgilidir.

Muhtemelen PWM amplifikatörü alışılmadık derecede verimlidir çünkü çıkış transistörleri, tüm sürücü koşullarında zorlandığında bile ısıtılmaz. Kısacası, güç çıkış aşamasında neredeyse sıfır dağılım vardır.

L indüktörlerini seçmeden önce göz önünde bulundurmanız gereken en hayati faktör₁ve ben_ikidoygun hale gelmeden kanal 3 A'yı alabilmeleri gerektiğidir.

Gerçek endüktans değerlendirmesi yalnızca ikinci sırada gelir. Örneğin, bu projede kullanılan indüktörler bir ışık kısıcıdan elde edildi.

D diyotlarının amacı₃D'ye₆indüktörler tarafından üretilen arka EMF'yi makul derecede güvenli bir değerde tutmaktır.

Dahası, opamp A'nın ters çevirmeyen girişi₁D tarafından oluşturulur₁, C₃, D_ikive R₃. Etkili bir şekilde filtrelenen bu giriş voltajı, besleme voltajının yarısına eşittir.

Geleneksel bir opamp amplifikatörü kullanırken, voltaj kazancı bir negatif geri besleme döngüsü tarafından atanır. R₄ve R₅yeterli mikrofon hassasiyetinden emin olmak için kazancı 83'e ayarlayacaktır.

Yüksek empedanslı sinyal kaynakları kullanıyorsanız, R₄gerektiği gibi güçlendirilebilir.

L₁ve ben_ikifaz kaymasına neden olur ve bu nedenle T kollektöründeki kare dalga sinyalinin yardımıyla geri besleme mümkündür.₁sinüzoidal hoparlör sinyaline kıyasla.

C ile birleştirildi₅opamp, PWM geri bildirim sinyalinin önemli entegrasyonunu sağlar.

Geri bildirim sistemi amplifikatörün distorsiyonunu azaltır, ancak onu genel seslendirme dışında başka bir uygulama için kullanabileceğiniz kadar kapsamlı değildir.

Normalde, düşük distorsiyonlu bir D Sınıfı amplifikatör için önemli ölçüde artırılmış bir besleme voltajı miktarı ve karmaşık bir devre tasarımı gerekli olacaktır.

Bu kurulumun uygulanması, devrenin genel verimliliğini engelleyecektir. HCMOS tipleri uygun olduğu için amplifikatörde elektronik anahtar seçerken dikkatli olun.

Tipik bir CMOS Type 4066 son derece yavaş ve T boyunca bir 'kısa devre' tetiklemek için uygun değil₁-T₃ve T_iki-T₄. Sadece bu da değil, aynı zamanda yükseltilmiş aşırı çalışma ve hatta amplifikatöre kalıcı hasar verme riski de var.

Megafon Uygulaması için PWM Amplifikatörü

Elektronik meraklıları, korna tipi bir hoparlörü güçlendirmek için D sınıfı amplifikatörü kullanmayı tercih eder, çünkü seçilen bir güç seviyesi için en yüksek sesi üretebilir.

Amplifikatör modeli, 6 V'luk bir pil takımı ve bir basınç odası hoparlörü kullanılarak kolayca inşa edildi.

Mevcut 4 W çıkış gücü, iyi bir ses aralığına sahip bir megafonda ölçülebilirdi.

Megafon için voltaj sağlamak için dört adet 1,5 V kuru pil veya alkalin monocell seri olarak bağlanmıştır. Bu kurulumu sık kullanmak istemeniz durumunda, şarj edilebilir bir NiCd veya jel tipi (Dryfit) pil seçin.

Megafonun maksimum akım tüketimi 0,7 A olduğu için, tam çıkış gücünde 24 saat çalışmayı desteklemek için standart bir alkalin uygundur.

Sürekli olmayan kullanım planlıyorsanız, bir dizi kuru hücre seçmek fazlasıyla yeterli olacaktır.

Hangi güç kaynağını kullanırsanız kullanın, asla 7 V'tan fazla geçmemesi gerektiğini unutmayın.

Nedeni, IC'deki HCMOS anahtarlarıdır₁bu voltaj seviyesinde veya daha fazla düzgün çalışmayacaktır.

Neyse ki, amplifikatör için, besleme voltajı için maksimum eşik 11 V'tan büyüktür.

Yukarıda açıklanan PWM D sınıfı amplifikatör için PCB tasarımı aşağıda verilmiştir:

Başka Bir İyi PWM Amplifikatörü

İyi tasarlanmış bir PWM amplifikatörü, simetrik bir dikdörtgen dalga üretecinden oluşacaktır.

Bu dikdörtgen dalganın görev döngüsü, ses sinyali tarafından modüle edilir.

Doğrusal olarak çalışmak yerine, çıkış transistörleri anahtarlar olarak çalışır, bu nedenle ya tamamen açık ya da kapalı olurlar. Hareketsiz bir durumda, dalga formunun görev döngüsü% 50'dir.

Bu, her çıkış transistörünün aynı süre boyunca tamamen doygun olduğu veya aynı zamanda iletken olarak da bilindiği anlamına gelir. Sonuç olarak, ortalama çıkış voltajı sıfırdır.

Bu, anahtarlardan biri diğerinden biraz daha uzun süre kapalı kalırsa, ortalama çıkış voltajının giriş sinyalinin polaritesine bağlı olarak negatif veya pozitif olacağı anlamına gelir.

Bu nedenle, ortalama çıkış voltajının giriş sinyaliyle ilişkili olduğunu gözlemleyebiliriz. Bunun nedeni, çıkış transistörlerinin tamamen anahtarlar olarak çalışması, dolayısıyla çıkış aşamasında çok düşük güç kaybı olmasıdır.

Dizayn

Şekil 1, D sınıfı PWM amplifikatörünün tüm şemasını göstermektedir. PWM amplifikatörünün çok karmaşık olmasına gerek olmadığını görebiliyoruz.

Giriş ses sinyali, karşılaştırıcı olarak işlev gören bir op-amp IC1'e uygulanır. Bu kurulum, devreye paralel olarak bağlanan bir avuç Schmitt tetikleyicisine yol açar.

İki nedenden dolayı oradalar. İlk olarak, bir 'kare' dalga formu olmalıdır ve ikincisi, çıkış aşaması için yeterli temel tahrik akımı gereklidir. Bu aşamada iki basit ama hızlı transistör (BD137 / 138) takılıdır.

Tüm amplifikatör salınır ve kare bir dalga oluşturur. Bunun nedeni, karşılaştırıcıdan (IC1) bir girişin, bir RC ağı aracılığıyla çıkışa eklenmesidir.

Ayrıca, bir voltaj bölücü R3 / R4 kullanarak, IC1'in her iki girişi de besleme voltajının ilk yarısına eğilimlidir.

IC1’in çıkışı her düşük olduğunda ve T1 / T2 emitörleri yüksek olduğunda, C3 kapasitörünün şarjı R7 direnci aracılığıyla gerçekleşir. Aynı zamanda, ters çevirmeyen girişte voltajda bir artış olacaktır.

Bu artan voltaj, ters çevirme seviyesini geçtiğinde, IC1'in çıkışı düşükten yükseğe değişir.

Sonuç olarak, T1 / T2 emitörleri yüksekten alçağa döner. Bu durum, C3'ün R7 üzerinden deşarj olmasını sağlar ve artı girişteki voltaj, eksi girişteki voltajın altına düşer.

IC1'in çıkışı da düşük bir duruma geri döner. Sonunda, R7 ve C3 tarafından belirlenen bir frekansta kare dalga çıkışı üretilir. Sağlanan değerler 700 kHz'de bir salınım oluşturur.

Bir osilatör , frekansı modüle edebiliriz. Genellikle referans olarak kullanılan ters çevirme girişinin IC1 seviyesi sabit kalmaz, ancak ses sinyali tarafından karar verilir.

Ayrıca, genlik, karşılaştırıcının çıktısının değişmeye başladığı tam noktayı belirler. Sonuç olarak, kare dalgaların 'kalınlığı', ses sinyali tarafından düzenli olarak modüle edilir.

Amplifikatörün 700 kHz'lik bir verici olarak çalışmadığından emin olmak için, çıkışında filtreleme yapılmalıdır. L1 / C6 ve C7 / R6'yı içeren bir LC / RC ağı, bir filtre .

Teknik özellikler

• 8 ohm'luk bir yük ve 12 V besleme voltajı ile donatılmış olan amplifikatör 1,6 W üretti.
• 4 ohm kullanıldığında, güç 3 W'a yükseldi. Bu kadar küçük dağılan ısı için, çıkış transistörlerinin soğutulması gerekli değildir.
• Böyle basit bir devre için harmonik distorsiyonun alışılmadık derecede düşük olduğu kanıtlanmıştır.
• Toplam harmonik bozulma seviyesi, ölçülen 20 Hz ila 20.000 Hz aralığından% 0,32'den düşüktür.

Aşağıdaki şekilde, amplifikatör için PCB ve parçaların düzenini görebilirsiniz. Bu devreyi kurmanın süresi ve maliyeti çok düşüktür, bu nedenle PWM'yi daha iyi anlamak isteyen herkes için mükemmel bir şans sunar.

Parça listesi

Dirençler:
R1 - 22k
R2, R7 - 1 milyon
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8.2 Ohm
P1 = 100k logaritmik Potansiyometre
Kondansatör;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Yarıiletkenler:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Çeşitli:
L1 = 39μH İndüktör

Basit 3 Transistör D Sınıfı Amplifikatör Devresi

PWM amplifikatörünün olağanüstü verimliliği, çıkış transistörü olarak kullanılan bir BC107 ile 3 W'lık bir çıkış üretilebilecek şekildedir. Daha da iyisi, soğutucu gerektirmez.

Amplifikatör, yaklaşık 6 kHz'de çalışan ve bir D sınıfı çıkış aşaması uygulayan voltaj kontrollü bir darbe genişlikli osilatör içerir.

Yalnızca iki senaryo vardır - tam açık veya tamamen kapalı. Bundan dolayı, dağıtım inanılmaz derecede küçüktür ve sonuç olarak yüksek verimlilik sağlar. Çıkış dalga formu girişe benzemiyor.

Bununla birlikte, çıkış ve giriş dalga formlarının integrali, zamana göre birbiriyle orantılıdır.

Sunulan bileşen değerleri tablosu, 3 W ila 100 W arasında çıkışlara sahip herhangi bir amplifikatörün imal edilebileceğini göstermektedir. Bu göz önüne alındığında, 1 kW'a kadar daha güçlü güçler elde edilebilir.

Dezavantajı ise yaklaşık% 30 oranında bozulma yaratmasıdır. Sonuç olarak, amplifikatör yalnızca ses amplifikasyonu için kullanılabilir. Konuşmanın inanılmaz derecede anlaşılır olması nedeniyle genel seslendirme sistemlerine uygundur.

Dijital Op-Amp

Aşağıdaki konsept, analog ses sinyalini karşılık gelen PWM sinyaline dönüştürmek için temel bir set sıfırlama flip flop IC 4013'ün nasıl kullanılacağını gösterir, bu da istenen PWM amplifikasyonu için bir MOSFET aşamasına daha da beslenebilir.

4013 paketinin yarısını, istenen çıkış voltajı ile orantılı bir görev döngüsüne sahip bir dijital çıkış sağlayan bir amplifikatör olarak kullanabilirsiniz. Bir analog çıkışa ihtiyacınız olduğunda, işi basit bir filtre yapar.

Saat darbelerini belirtildiği gibi izlemelisiniz ve bunlar frekans olarak istenen bant genişliğinden önemli ölçüde daha yüksek olmalıdır. Kazanç R1 / R2 iken, R1R2C / (R1 + R2) süresi saat darbelerinin süresinden daha uzun olmalıdır.

Başvurular

Devrenin kullanılmasının birçok yolu vardır. Bazıları:

1. Şebekenin sıfır geçiş noktasından darbeler alın ve çıkışla bir triyak uygulayın. Sonuç olarak, artık RFI olmadan ilişkisel güç kontrolüne sahipsiniz.
2. Hızlı bir saat kullanarak sürücü transistörlerini çıkışla değiştirin. Sonuç, yüksek verimli bir PWM ses amplifikatörüdür.

30 watt PWM Amplifikatör

30W Sınıf-D Ses Amplifikatörü için bir devre şeması aşağıdaki pdf dosyasında görülebilir.

İşlemsel amplifikatör IC1, giriş ses sinyalini değişken hacim kontrollü potansiyometre VR1 aracılığıyla güçlendirir. Ses sinyalini 100kHz üçgen wale ile karşılaştırarak bir PWM (darbe genişlik modülasyonu) sinyali üretilir. Bu, karşılaştırıcı 1C6 ile gerçekleştirilir. Direnç RI3, pozitif geri besleme sağlamak için kullanılır ve C6, karşılaştırıcının çalışma süresini iyileştirmek için kullanılır.

Karşılaştırıcı çıkışı, aşırı ± 7,5 V voltaj arasında geçiş yapar. Çekme direnci R12 + 7.5V sunarken, -7.5V op amp IC6'nın pim 1'deki dahili açık verici transistörü tarafından sağlanır. Bu sinyal pozitif seviyeye hareket ederken, transistör TR1 bir akım alıcı terminali gibi çalışır. Bu akım düşümü, direnç R16 boyunca voltaj düşüşünde bir artışa neden olur ve bu da MOSFET TR3'ü açmak için yeterli hale gelir.

Sinyal negatif aşırıya geçtiğinde. TR2, R17 boyunca voltaj düşüşüne yol açan bir akım kaynağına dönüşür. Bu düşüş TR4'ü AÇMAK için yeterlidir. Temel olarak, MOSFET'ler TR3 ve TR4, dönüşümlü olarak +/- 15V arasında geçiş yapan bir PWM sinyali oluşturarak tetiklenir.

Bu noktada, bu güçlendirilmiş PWM sinyalini geri getirmek veya giriş ses sinyalinin güçlendirilmiş bir eşdeğeri olabilen iyi ses reprodüksiyonuna dönüştürmek gerekli hale gelir.

Bu, üçgen temel frekansının önemli ölçüde altında bir kesme frekansına (25 kHz) sahip bir 3. dereceden Butterworh düşük geçişli filtre aracılığıyla PWM görev döngüsünün bir ortalamasını oluşturarak gerçekleştirilir.

Bu eylem, 100 kHz'de büyük bir zayıflamaya yol açar. Elde edilen son çıktı, giriş ses sinyalinin güçlendirilmiş bir kopyası olan bir ses çıkışına dönüşür.

IC2'nin R7 ve R11 aracılığıyla sağlanan pozitif geri beslemeli bir kare dalga üreteci gibi çalıştığı devre konfigürasyonu 1C2 ve 1C5 aracılığıyla üçgen dalga üreteci. DI - D5 diyotları çift yönlü kelepçe gibi çalışır. Bu, voltajı yaklaşık +/- 6V'a sabitler.

Kare dalgayı üçgen dalgaya dönüştüren önceden ayarlanmış VR2, kapasitör C5 ve IC5 aracılığıyla mükemmel bir entegratör oluşturulur. Ön ayar VR2, frekans ayarlama özelliğini sağlar.

(Pin 6) 'daki 1C5 çıkışı, 1C2'ye geri besleme sağlar ve direnç R14 ve önceden ayarlanmış VR3, üçgen dalga seviyesinin gerektiği gibi ayarlanmasına izin veren esnek zayıflatıcı olarak işlev görür.

Tam devreyi yaptıktan sonra, en yüksek kalitede ses çıkışını sağlamak için VR2 ve VR3'ün ince ayarlanması gerekir. 1C4 ve IC3 için bir dizi sıradan 741 op amfi, +/- 7,5V güç sağlamak için birlik kazanç tamponları olarak kullanılabilir.

Kondansatörler C3, C4, C11 ve C12 filtrasyon için kullanılırken, kapasitörlerin geri kalanı beslemeyi ayırmak için kullanılır.

Devre, kapasitör C13 ve indüktör L2 kullanarak LC aşamasından 30W 8 ohm'luk bir hoparlörü sürebilecek çift +/- 15V DC güç kaynağıyla güç sağlayabilir. Mütevazı soğutucuların muhtemelen MOSFET TR3 ve TR4 için gerekli olabileceğini unutmayın.