350 watt zelfoscillerende klasse D versterker - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Inleiding en waarom ik dit instructable heb gemaakt:

Op internet zijn talloze tutorials te vinden die mensen laten zien hoe ze hun eigen klasse D-versterkers kunnen bouwen. Ze zijn efficiënt, eenvoudig te begrijpen en gebruiken allemaal dezelfde algemene topologie. Er wordt een hoogfrequente driehoeksgolf gegenereerd door een deel van het circuit, en het wordt vergeleken met het audiosignaal om de uitgangsschakelaars (bijna altijd MOSFET's) aan en uit te moduleren. De meeste van deze "DIY Class D"-ontwerpen hebben geen feedback en degenen die alleen schoon klinken in de basregio. Ze maken enigszins acceptabele subwooferversterkers, maar hebben aanzienlijke vervorming in de hoge tonen. Degenen zonder feedback, vanwege de dode tijd die nodig is voor MOSFET-schakeling, hebben een uitgangsgolfvorm die lijkt op een driehoeksgolf, in tegenstelling tot een sinusgolf. Er zijn aanzienlijke ongewenste harmonischen aanwezig, wat leidt tot een merkbare afname van de geluidskwaliteit waardoor muziek klinkt alsof het uit een trompet komt. Het ietwat trompetachtige, niet zo pittige geluid van mijn vorige klasse D-versterker is de reden waarom ik besloot een versterker te onderzoeken en te bouwen met behulp van deze obscure, onderbenutte topologie.

De klassieke "driehoekgolfvergelijker" is echter niet de enige manier om een klasse D-versterker te bouwen. Er is een betere manier. In plaats van een oscillator het signaal te laten moduleren, waarom zou je dan niet de hele versterker de oscillator maken? De uitgangs-MOSFET's worden aangedreven (via geschikte stuurschakelingen) door de uitgang van een comparator, waarbij de positieve ingang de inkomende audio ontvangt en de negatieve ingang een (verkleinde) versie van de uitgangsspanning van de versterker ontvangt. Hysterese wordt in de comparator gebruikt om de werkfrequentie te regelen en onstabiele, hoogfrequente resonantiemodi te voorkomen. Verder wordt een RC-snubbernetwerk over de uitgang gebruikt om het rinkelen bij de resonantiefrequentie van het uitgangsfilter te onderdrukken en de faseverschuiving te verminderen tot bijna 90 graden bij de werkfrequentie van de versterker van ongeveer 100 kHz. Het weglaten van dit eenvoudige maar kritische filter zal ervoor zorgen dat de versterker zichzelf vernietigt, aangezien er spanningen van enkele honderden volt kunnen worden gegenereerd, waardoor de filtercondensatoren onmiddellijk worden vernietigd.

Werkingsprincipe:

Neem aan dat de versterker eerst wordt gestart en dat alle spanningen nul zijn. Vanwege de hysterese zal de comparator besluiten om de output positief of negatief te trekken. Voor dit voorbeeld nemen we aan dat de comparator de uitvoer negatief trekt. Binnen enkele tientallen microseconden is de uitgangsspanning van de versterker voldoende gedaald om de comparator om te draaien en de spanning weer omhoog te sturen, en deze cyclus herhaalt zich ongeveer 60 tot 100 duizend keer per seconde, waarbij de gewenste spanning aan de uitgang behouden blijft. Vanwege de hoge impedantie van de filterspoel en de lage impedantie van de filtercondensator bij deze frequentie, is er niet veel ruis op de uitgang en door de hoge werkfrequentie ligt deze ver boven het hoorbare bereik. Als de ingangsspanning toeneemt, zal de uitgangsspanning voldoende toenemen zodat de feedbackspanning de uitgangsspanning bereikt. Op deze manier wordt versterking bereikt.

Voordelen ten opzichte van standaard klasse D:

1. Extreem lage uitgangsimpedantie: Omdat de uitgangs-MOSFET's pas terugschakelen als de gewenste uitgangsspanning is bereikt nadat het filter is bereikt, is de uitgangsimpedantie vrijwel nul. Zelfs met een verschil van 0,1 volt tussen de werkelijke en gewenste uitgangsspanning, zal het circuit versterkers in de uitgang dumpen totdat de spanning de comparator terugdraait (of er iets kapot gaat).

2. Mogelijkheid om reactieve belastingen netjes aan te sturen: vanwege de extreem lage uitgangsimpedantie kan zelfoscillerende klasse D meerwegluidsprekersystemen aansturen met grote impedantiedalingen en -pieken met zeer weinig harmonische vervorming. Gepoorte subwoofersystemen met een lage impedantie bij de resonantiefrequentie van de poort zijn een goed voorbeeld van een luidspreker die een feedbackloze "driehoekgolfcomparator" -versterker moeilijk zou kunnen aansturen.

3. Brede frequentierespons: naarmate de frequentie toeneemt, zal de versterker proberen te compenseren door de duty cycle meer te variëren om de feedbackspanning in overeenstemming te houden met de ingangsspanning. Vanwege de demping van hoge frequenties door het filter, beginnen hoge frequenties te clippen bij een lager spanningsniveau dan lagere, maar omdat muziek veel meer elektrisch vermogen in de bas heeft dan de hoge tonen (ongeveer een 1/f-verdeling, meer als u basversterking gebruiken), is dit geen enkel probleem.

4. Stabiliteit: Als het goed is ontworpen en met een snubbernetwerk, zorgt de fasemarge van bijna 90 ° van het uitgangsfilter bij de werkfrequentie ervoor dat de versterker niet onstabiel wordt, zelfs niet bij zware belasting onder zware clipping. Je blaast iets op, waarschijnlijk je luidsprekers of subwoofers, voordat de versterker onstabiel wordt.

5. Efficiëntie en kleine afmetingen: vanwege het zelfregulerende karakter van de versterker heeft het toevoegen van veel dode tijd aan de MOSFET-schakelgolfvormen geen invloed op de geluidskwaliteit. Vollastrendementen van ruim 90% zijn mogelijk met een inductor van goede kwaliteit en MOSFET's (ik gebruik IRFB4115's in mijn versterker). Als gevolg hiervan is een relatief klein koellichaam op de FET's voldoende en is een ventilator alleen nodig als deze in een geïsoleerde behuizing op hoog vermogen werkt.

Stap 1: Onderdelen, benodigdheden en vereisten

Vereisten:

Het bouwen van elk soort circuit met hoog vermogen, vooral een circuit dat is ontworpen om audio netjes te reproduceren, vereist kennis van elementaire elektronicaconcepten. U moet weten hoe condensatoren, inductoren, weerstanden, MOSFET's en op-amps werken en hoe u een stroomafhandelingsprintplaat op de juiste manier kunt ontwerpen. Je moet ook weten hoe je doorlopende componenten moet solderen en hoe je stripboard moet gebruiken (of een PCB moet bouwen). Deze tutorial is bedoeld voor mensen die eerder redelijk gecompliceerde circuits hebben gebouwd. Uitgebreide analoge kennis is niet nodig, aangezien de meeste subcircuits in een klasse D-versterker slechts met twee spanningsniveaus te maken hebben - aan of uit.

U moet ook weten hoe u een oscilloscoop moet gebruiken (alleen de basisfuncties) en hoe u circuits kunt debuggen die niet werken zoals bedoeld. Het is zeer waarschijnlijk dat u met een circuit van deze complexiteit een subcircuit krijgt dat de eerste keer dat u het bouwt niet werkt. Zoek en los het probleem op voordat u doorgaat naar de volgende stap, het debuggen van een subcircuit is veel gemakkelijker dan proberen ergens op het hele bord een fout te vinden. Het gebruik van een oscilloscoop is nodig om onbedoelde oscillatie te vinden en te controleren of signalen er uitzien zoals ze zouden moeten.

Algemene tips:

Op elke klasse D-versterker zul je hoge spanningen en stromen hebben die schakelen bij hoge frequenties, wat het potentieel heeft om veel ruis te genereren. Je hebt ook low-power audiocircuits die gevoelig zijn voor ruis en deze zullen oppikken en versterken. De ingangstrap en eindtrap moeten zich aan tegenovergestelde uiteinden van het bord bevinden.

Een goede aarding, vooral in de vermogensfase, is ook essentieel. Zorg ervoor dat de aarddraden rechtstreeks van de negatieve pool naar elke gate-driver en comparator lopen. Het is moeilijk om te veel aardingsdraden te hebben. Als u dit op een printplaat doet, gebruik dan een aardingsvlak voor aarding.

Onderdelen die je nodig hebt:

(Stuur me een bericht als ik er een heb gemist, ik ben er vrij zeker van dat dit een volledige lijst is)

(Alles met het label HV moet worden beoordeeld voor ten minste de versterkte spanning om de luidspreker aan te sturen, bij voorkeur meer)

(Veel hiervan kunnen worden gered van elektronica en apparaten die in een afvalcontainer worden gegooid, met name condensatoren)

• 24 volt voeding met een vermogen van 375 watt (ik gebruikte een lithiumbatterij, als je een batterij gebruikt, zorg dan dat je een LVC hebt (laagspanningsuitschakeling))
• Boost-stroomomvormer die 350 watt bij 65 volt kan leveren. (Zoek "Yeeco power converter 900 watt" op Amazon en je zult degene vinden die ik heb gebruikt.)
• "Perf board" of proto-board om alles op te bouwen. Ik raad aan om voor dit project minimaal 15 vierkante inch te hebben om mee te werken, 18 als je het invoerbord op hetzelfde bord wilt bouwen.
• Koellichaam om de MOSFET's op te monteren
• 220uf condensator
• 2x 470uf condensator, één moet geschikt zijn voor ingangsspanning (niet HV)
• 2x 470nf condensator
• 1x 1nf Condensator
• 12x 100nf keramische condensator (of u kunt poly gebruiken)
• 2x 100nf Poly condensator [HV]
• 1x 1uf Polycondensator [HV]
• 1x 470uf LAGE ESR Elektrolytische condensator [HV]
• 2x 1n4003-diode (elke diode die bestand is tegen 2 * HV of meer is prima)
• 1x 10 amp zekering (of kort stuk 30AWG draad over een aansluitblok)
• 2x 2.5mh spoel (of wind zelf op)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Moet ECHT zijn!]
• Diverse weerstanden, je kunt ze voor een paar dollar van eBay of Amazon krijgen
• 4x 2k Trimmer-potentiometers
• 2x KIA4558 Op-amp (of vergelijkbare audio-op-amps)
• 3x LM311-vergelijkers
• 1x 7808 spanningsregelaar
• 1x "Lm2596" buck-converterbord, je kunt ze voor een paar dollar op eBay of Amazon vinden
• 2x NCP5181 gate driver IC (misschien blaas je er wat meer op) [Moet ECHT zijn!]
• 3-pins header om aan te sluiten op het invoerbord (of meer pinnen voor mechanische stijfheid)
• Draden of aansluitblokken voor luidsprekers, stroom, enz.
• 18AWG voedingskabel (voor het bedraden van de vermogenstrap)
• 22 AWG aansluitdraad (voor de bedrading van al het andere)
• 200 ohm low power audiotransformator voor ingangstrap
• Kleine 12v/200ma (of minder) computerventilator om de versterker te koelen (optioneel)

Gereedschap en benodigdheden:

• Oscilloscoop met een resolutie van minimaal 2us/div met een 1x en 10x sonde (u kunt een 50k en 5k weerstand gebruiken om uw eigen 10x sonde te maken)
• Multimeter die spanning, stroom en weerstand kan doen
• Soldeer en soldeerbout (ik gebruik Kester 63/37, GOEDE KWALITEIT loodvrij werkt ook als je ervaren bent)
• Soldeerzuiger, lont, enz. Je ZULT fouten maken op een circuit van deze omvang, vooral bij het solderen van de inductor, het is vervelend.
• Draadknippers en strippers
• Iets dat een blokgolf van een paar HZ kan genereren, zoals een breadboard en een 555-timer

Stap 2: Leer hoe zelfoscillerende klasse D werkt (optioneel maar aanbevolen)

Voordat u begint, is het een goed idee om te weten hoe het circuit daadwerkelijk werkt. Het zal enorm helpen bij eventuele problemen die u later zou kunnen hebben, en zal u helpen begrijpen wat elk deel van het volledige schema doet.

De eerste afbeelding is een grafiek geproduceerd door LTSpice die de reactie van de versterker op een onmiddellijke verandering van de ingangsspanning laat zien. Zoals je in de grafiek kunt zien, probeert de groene lijn de blauwe lijn te volgen. Zodra de invoer verandert, gaat de groene lijn zo snel mogelijk omhoog en komt tot rust met minimale overshoot. De rode lijn is de spanning van de eindtrap voor het filter. Na de verandering komt de versterker snel tot rust en begint opnieuw rond het instelpunt te oscilleren.

De tweede afbeelding is het basisschema. De audio-ingang wordt vergeleken met het feedbacksignaal, dat een signaal genereert om de uitgangstrap aan te sturen om de uitgang dichter bij de ingang te brengen. Hysterese in de comparator zorgt ervoor dat het circuit rond de gewenste spanning oscilleert op een frequentie die veel te hoog is voor oren of luidsprekers om op te reageren.

Als je LTSpice hebt, kun je het.asc-schemabestand downloaden en ermee spelen. Probeer r2 te veranderen om de frequentie te veranderen en kijk hoe het circuit gek wordt als je de snubber verwijdert die overmatige oscillatie rond het resonantiepunt van het LC-filter dempt.

Zelfs als je geen LTSpice hebt, zal het bestuderen van de afbeeldingen je een goed idee geven van hoe alles werkt. Laten we nu beginnen met bouwen.

Stap 3: Bouw de voeding

Bekijk voordat je iets gaat solderen eerst het schema en de voorbeeldlay-out. Het schema is een SVG (vectorafbeelding), dus als je het eenmaal hebt gedownload, kun je zo veel inzoomen als je wilt zonder de resolutie te verliezen. Bepaal waar je alles op het bord gaat plaatsen en bouw vervolgens de voeding. Sluit accuspanning en massa aan en zorg dat niets heet wordt. Gebruik een multimeter om het "lm2596" -bord in te stellen op 12 volt en controleer of de 7808-regelaar 8 volt levert.

Dat is het voor de stroomvoorziening.

Stap 4: Bouw de uitgangstrap en gate-driver

Van het hele bouwproces is dit de moeilijkste stap van allemaal. Bouw alles in het "Gate driver circuit" en de "Power stage" in het schema, zorg ervoor dat de FET's aan het koellichaam zijn bevestigd.

In het schema zie je draden die nergens heen lijken te gaan en zeggen "vDrv". Dit worden in het schema labels genoemd en alle labels met dezelfde tekst worden met elkaar verbonden. Sluit alle met "vDrv" gelabelde draden aan op de uitgang van de 12v-regelkaart.

Na het voltooien van deze fase, voedt u dit circuit met een stroombeperkte voeding (u kunt een weerstand in serie met de voeding gebruiken) en zorgt u ervoor dat niets heet wordt. Probeer elk van de ingangssignalen op de poortdriver aan te sluiten op 8v van de voeding (een voor een) en controleer of de juiste poorten worden aangestuurd. Nadat u hebt geverifieerd dat u weet dat de poortaandrijving werkt.

Omdat de gate-drive een bootstrap-circuit gebruikt, kunt u de uitgang niet rechtstreeks testen door de uitgangsspanning te meten. Zet de multimeter op diodecontrole en controleer tussen elke luidsprekeraansluiting en elke voedingsaansluiting.

1. Positief naar luidspreker 1
2. Positief voor luidspreker 2
3. Negatief voor luidspreker 1
4. Negatief voor luidspreker 2

Elk zou slechts op één manier gedeeltelijke geleidbaarheid moeten vertonen, net als een diode.

Als alles werkt, gefeliciteerd, je hebt zojuist het moeilijkste deel van het bord voltooid. Je herinnerde je de juiste aarding, toch?

Stap 5: Bouw MOSFET Gate Drive-signaalgenerator

Als je eenmaal klaar bent met de gate-driver en power stage, ben je klaar om het deel van het circuit te bouwen dat de signalen genereert die de gate-drivers vertellen welke FET's op welk moment moeten worden ingeschakeld.

Bouw alles in de "MOSFET driver signaalgenerator met dode tijd" in het schema, zorg ervoor dat je geen van de kleine condensatoren vergeet. Als je ze weglaat, zal het circuit nog steeds goed testen, maar zal het niet goed werken als je een luidspreker probeert aan te sturen omdat de comparatoren parasitair oscilleren.

Test vervolgens het circuit door een blokgolf van een paar hertz in de "MOSFET-stuurprogrammasignaalgenerator met dode tijd" van uw signaalgenerator of 555-timercircuit te voeren. Sluit de batterijspanning aan op "HV in" via een stroombegrenzende weerstand.

Sluit een oscilloscoop aan op de luidsprekeruitgangen. U moet een paar keer per seconde de polariteit van de batterij omkeren. Niets mag warm worden en de output moet een mooie, scherpe blokgolf zijn. Een beetje doorschieten is prima, zolang het maar niet meer dan 1/3 accuspanning is.

Als de uitvoer een zuivere blokgolf produceert, betekent dit dat alles wat je tot nu toe hebt gebouwd werkt. Er is nog maar één subcircuit over tot de voltooiing.

Stap 6: Comparator, differentiële versterker en het moment van de waarheid

U bent nu klaar om het deel van het circuit te bouwen dat daadwerkelijk de klasse D-modulatie doet.

Bouw alles in de "Comparator met hysteresis" en "Differentiële versterker voor feedback" in het schema, evenals de twee 5k-weerstanden die de schakeling stabiel houden als er niets op de ingang is aangesloten.

Sluit de stroom aan op het circuit (maar nog geen HV) en controleer of pinnen 2 en 3 van U6 beide echt dicht bij de helft van Vreg (4 volt) moeten zijn.

Als beide waarden correct zijn, sluit dan een subwoofer aan op de uitgangsaansluitingen. sluit de voeding en HV aan op de batterijspanning via een stroombeperkende weerstand (u zou een subwoofer van 4 ohm of meer als weerstand kunnen gebruiken). Je zou een kleine plop moeten horen en de subwoofer mag niet meer dan een millimeter of zo bewegen. Controleer met een oscilloscoop of de signalen die naar en uit de NCP5181 gate-drivers gaan, schoon zijn en elk ongeveer 40% inschakelduur hebben. Als dit niet het geval is, pas dan de twee variabele weerstanden aan totdat ze dat wel zijn. De frequentie van de gate-aandrijfgolven zal lager zijn dan de gewenste 70-110 KHZ omdat HV niet is aangesloten op de spanningsversterker.

Als de signalen van de poortaandrijving helemaal niet oscilleren, probeer dan SPK1 en SPK2 naar de differentiële versterker te schakelen. Als het nog steeds niet werkt, gebruik dan een oscilloscoop om de fout op te sporen. Het zit vrijwel zeker in het comparator- of differentiële versterkercircuit.

Zodra het circuit werkt, laat u de luidspreker aangesloten en voegt u de spanningsverhogermodule toe om de spanning naar HV te verhogen tot ongeveer 65-70 volt (denk aan de zekering). Schakel het circuit in en zorg ervoor dat niets in eerste instantie heet wordt, vooral de MOSFET's en de inductor. Blijf de temperatuur ongeveer 5 minuten controleren. Het is normaal dat de spoel warm wordt, zolang deze niet te heet is om continu aan te raken. De MOSFETS mogen niet meer dan een beetje warm zijn.

Controleer nogmaals de frequentie en duty-cycle van de gate-aandrijfgolven. Pas deze aan voor een inschakelduur van 40% en zorg ervoor dat de frequentie tussen 70 en 110 Khz ligt. Als dit niet het geval is, past u R10 in het schema aan om de frequentie te corrigeren. Als de frequentie correct is, bent u klaar om geluid af te spelen met de versterker.

Stap 7: Audio-invoer en eindtest

Nu de versterker zelf naar tevredenheid werkt, is het tijd om de ingangstrap te bouwen. Op een ander bord (of hetzelfde als je ruimte hebt), bouw het circuit volgens het schema dat bij deze stap wordt geleverd (je moet het downloaden), en zorg ervoor dat het is afgeschermd met een geaard stuk metaal als het in de buurt komt van ruis componenten. Sluit stroom en aarde aan op het circuit van de versterker, maar sluit het audiosignaal nog niet aan. Controleer of het audiosignaal ongeveer 4 volt is en licht verandert als u aan de potentiometer "DC offset-aanpassing" draait. Stel de potentiometer in op 4 volt en soldeer de audio-ingangsdraad aan de rest van het circuit.

Hoewel het schema laat zien dat u een hoofdtelefoonaansluiting als ingang gebruikt, kunt u ook een Bluetooth-adapter toevoegen waarvan de uitgang is aangesloten op de audio-aansluiting. De bluetooth-adapter kan worden gevoed door een 7805-regelaar. (Ik had een 7806 en gebruikte een diode om nog eens 0,7 volt te laten vallen).

Zet de versterker weer aan en sluit een kabel aan op de AUX-aansluiting op het ingangsbord. Er zal waarschijnlijk wat vage statische elektriciteit zijn.

Als de ruis te luid is, zijn er een paar dingen die u kunt proberen:

• Heb je de ingangstrap goed afgeschermd? De vergelijkers produceren ook geluid.
• Voeg een 100nf condensator toe over de uitgang van de transformator.
• Voeg een 100nf condensator toe tussen audio uit en aarde en plaats een 2k weerstand in lijn voor de condensator.
• Zorg ervoor dat het aux-snoer zich niet in de buurt van de voedingskabel of de uitgangskabels van de versterker bevindt.

Verhoog langzaam (gedurende enkele minuten) het volume, zorg ervoor dat niets te heet wordt of vervormt. Pas de versterking aan zodat de versterker niet clipt tenzij het volume op maximaal staat.

Afhankelijk van de kwaliteit van de spoelkern en de grootte van het koellichaam, kan het een goed idee zijn om een kleine ventilator toe te voegen, gevoed door de 12v-rail, om de versterker te koelen. Dit is vooral een goed idee als je het in een doos doet.