Amplificador de classe D auto-oscilante de 350 watts: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Introdução e por que tornei isso instrutível:

Na Internet, existem inúmeros tutoriais que mostram às pessoas como construir seus próprios amplificadores classe D. Eles são eficientes, simples de entender e todos usam a mesma topologia geral. Há uma onda triangular de alta frequência sendo gerada por uma parte do circuito e é comparada com o sinal de áudio para modular os interruptores de saída (quase sempre MOSFETs) ligados e desligados. A maioria desses designs "DIY Class D" não tem feedback, e os que o fazem soam limpos apenas na região do baixo. Eles são amplificadores de subwoofer aceitáveis, mas apresentam distorção significativa nas regiões de agudos. Aqueles sem feedback, devido ao tempo morto necessário para a comutação do MOSFET, têm uma forma de onda de saída que se parece com uma onda triangular, em oposição a uma onda senoidal. Harmônicos indesejados significativos estão presentes, levando a uma diminuição perceptível na qualidade do som que faz a música soar como se saísse de uma trombeta. O som um tanto trunfo e não tão forte do meu amplificador classe D anterior é o motivo pelo qual decidi pesquisar e construir um amplificador usando essa topologia obscura e subutilizada.

No entanto, o clássico "comparador de onda triangular" não é a única maneira de construir um amplificador classe D. Há um caminho melhor. Em vez de um oscilador modular o sinal, por que não transformar todo o amplificador em oscilador? Os MOSFETs de saída são acionados (por meio de circuitos de acionamento adequados) pela saída de um comparador com a entrada positiva recebendo o áudio de entrada e a entrada negativa recebendo uma versão (reduzida) da tensão de saída do amplificador. A histerese é usada no comparador para regular a frequência de operação e evitar modos ressonantes de alta frequência instáveis. Além disso, uma rede de amortecimento RC é usada na saída para suprimir o zumbido na frequência de ressonância do filtro de saída e diminuir o deslocamento de fase para cerca de 90 graus na frequência de operação do amplificador de cerca de 100 Khz. A omissão desse filtro simples, mas crítico, fará com que o amplificador se autodestrua, pois podem ser geradas tensões de várias centenas de volts, destruindo os capacitores do filtro instantaneamente.

Princípio da Operação:

Suponha que o amplificador seja iniciado primeiro e todas as tensões estejam em zero. Devido à sua histerese, o comparador decidirá puxar a saída positiva ou negativa. Para este exemplo, assumiremos que o comparador extrai a saída negativa. Dentro de algumas dezenas de microssegundos, a voltagem de saída do amplificador diminuiu o suficiente para virar o comparador e enviar a voltagem subindo novamente, e este ciclo se repete cerca de 60 a 100 mil vezes a cada segundo, mantendo a voltagem desejada na saída. Devido à alta impedância do indutor do filtro e à baixa impedância do capacitor do filtro nesta frequência, não há muito ruído na saída e, devido à alta frequência de operação, está muito acima da faixa audível. Se a tensão de entrada aumentar, a tensão de saída aumentará o suficiente para que a tensão de feedback alcance a tensão de saída. Desta forma, a amplificação é alcançada.

Vantagens sobre a classe D padrão:

1. Impedância de saída extremamente baixa: Como os MOSFETs de saída não retornarão até a tensão de saída desejada após o filtro ser alcançado, a impedância da saída é virtualmente zero. Mesmo com uma diferença de 0,1 volt entre a tensão de saída real e desejada, o circuito descarregará amperes na saída até que a tensão vire o comparador para trás (ou algo exploda).

2. Capacidade de acionar cargas reativas de maneira limpa: Devido à impedância de saída extremamente baixa, a classe D auto-oscilante pode acionar sistemas de alto-falantes de múltiplas vias com grandes quedas e picos de impedância com muito pouca distorção harmônica. Os sistemas de subwoofer com portas com baixa impedância na frequência de ressonância da porta são um excelente exemplo de um alto-falante que um amplificador "comparador de onda triangular" sem feedback teria dificuldade para dirigir bem.

3. Ampla resposta de frequência: À medida que a frequência aumenta, o amplificador tentará compensar, variando mais o ciclo de trabalho para manter a tensão de feedback combinada com a tensão de entrada. Devido à atenuação do filtro de altas frequências, as altas frequências começarão a cortar em um nível de voltagem mais baixo do que os mais baixos, mas devido à música ter muito mais energia elétrica nos graves do que nos agudos (aproximadamente uma distribuição 1 / f, mais se você usar reforço de graves), isso não é um problema.

4. Estabilidade: Se projetado corretamente e com uma rede de amortecimento instalada, a margem de fase de quase 90 ° do filtro de saída na frequência de operação garante que o amplificador não se tornará instável, mesmo que conduza cargas pesadas sob forte clipagem. Você vai explodir alguma coisa, provavelmente seus alto-falantes ou subs, antes que o amplificador fique instável.

5. Eficiência e tamanho pequeno: Devido à natureza autorreguladora do amplificador, adicionar bastante tempo morto às formas de onda de comutação do MOSFET não afeta a qualidade do som. Eficiências de carga total de bem acima de 90% são possíveis com um indutor de boa qualidade e MOSFETs (eu uso IRFB4115s em meu amplificador). Como resultado, um dissipador de calor relativamente pequeno nos FETs é suficiente e um ventilador só é necessário se operar dentro de um gabinete isolado em alta potência.

Etapa 1: peças, suprimentos e pré-requisitos

Pré-requisitos:

Construir qualquer tipo de circuito de alta potência, especialmente um projetado para reproduzir áudio de forma limpa, requer um conhecimento de conceitos básicos de eletrônica. Você precisará saber como funcionam os capacitores, indutores, resistores, MOSFETs e amplificadores operacionais, bem como projetar adequadamente uma placa de circuito de manuseio de energia. Você também precisa saber como soldar componentes através do furo e como usar stripboard (ou construir um PCB). Este tutorial é voltado para pessoas que já construíram circuitos moderadamente complicados antes. Não é necessário um amplo conhecimento analógico, já que a maioria dos subcircuitos em qualquer amplificador classe D lida com apenas dois níveis de voltagem - ligado ou desligado.

Você também precisará saber como usar um osciloscópio (apenas as funções básicas) e como depurar circuitos que não estão funcionando como planejado. É muito provável, com um circuito dessa complexidade, que você acabe tendo um sub-circuito que não funciona na primeira vez que você o constrói. Encontre e corrija o problema antes de passar para a próxima etapa, depurar um subcircuito é muito mais fácil do que tentar encontrar uma falha em algum lugar da placa inteira. O uso do osciloscópio é necessário para encontrar oscilações não intencionais e verificar se os sinais têm a aparência que deveriam.

Dicas Gerais:

Em qualquer amplificador classe D, você terá altas tensões e correntes comutando em altas frequências, o que tem o potencial de gerar uma boa quantidade de ruído. Você também terá circuitos de áudio de baixa potência que são sensíveis ao ruído e irão captá-lo e amplificá-lo. O estágio de entrada e o estágio de alimentação devem estar em extremidades opostas da placa.

Um bom aterramento, especialmente no estágio de potência, também é essencial. Certifique-se de que os fios de aterramento passam diretamente do terminal negativo para cada controlador de porta e comparador. É difícil ter muitos fios de aterramento. Se você estiver fazendo isso em uma placa de circuito impresso, use um plano de aterramento para aterramento.

Peças de que você precisará:

(Me mande uma mensagem se eu perder alguma, tenho certeza que esta é uma lista completa)

(Tudo rotulado como HV precisa ser classificado para, pelo menos, a tensão aumentada para acionar o alto-falante, de preferência mais)

(Muitos deles podem ser recuperados de eletrônicos e eletrodomésticos jogados em uma lixeira, especialmente capacitores)

• Fonte de alimentação de 24 volts capaz de 375 watts (eu usei uma bateria de lítio, se estiver usando uma bateria, certifique-se de ter um LVC (corte de baixa tensão))
• Conversor de potência de reforço capaz de fornecer 350 watts a 65 volts. (Pesquise "Yeeco power converter 900 watts" na Amazon e você encontrará o que usei.)
• "Perf board" ou proto-board para construir tudo. Eu recomendo ter pelo menos 15 polegadas quadradas para trabalhar neste projeto, 18 se você quiser construir a placa de entrada na mesma placa.
• Dissipador de calor para montar os MOSFETs para
• Capacitor 220uf
• 2x 470uf capacitor, um deve ser classificado para tensão de entrada (não HV)
• 2x capacitor 470nf
• 1x 1nf capacitor
• 12x 100nf Capacitor de cerâmica (ou você pode usar poli)
• 2x 100nf Poly capacitor [HV]
• 1x 1uf Poly capacitor [HV]
• 1x 470uf BAIXA ESR capacitor eletrolítico [HV]
• 2x diodo 1n4003 (qualquer diodo que pode suportar 2 * HV ou mais está bom)
• 1 fusível de 10 A (ou pedaço curto de fio 30AWG em um bloco de terminais)
• 2 indutor de 2,5 mh (ou enrole o seu próprio)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Deve ser GENUÍNO!]
• Resistores variados, você pode obtê-los no eBay ou Amazon por alguns dólares
• 4 potenciômetros Trimmer 2k
• 2 amplificadores op KIA4558 (ou amplificadores op de áudio semelhantes)
• 3 comparadores LM311
• 1x regulador de tensão 7808
• 1x placa conversora de dólar "Lm2596", você pode encontrá-los no eBay ou Amazon por alguns dólares
• 2 IC do driver do gate NCP5181 (você pode explodir, consiga mais) [Deve ser GENUÍNO!]
• Cabeçalho de 3 pinos para conectar à placa de entrada (ou mais pinos para rigidez mecânica)
• Fios ou blocos de terminais para alto-falantes, alimentação, etc.
• Fio de alimentação 18AWG (para a fiação do estágio de alimentação)
• Fio de conexão 22 AWG (para a fiação de todo o resto)
• Transformador de áudio de baixa potência de 200 ohms para estágio de entrada
• Ventilador de computador pequeno de 12v / 200ma (ou menos) para resfriar o amplificador (opcional)

Ferramentas e suprimentos:

• Osciloscópio de pelo menos 2us / div de resolução com uma ponta de prova 1x e 10x (você pode usar um resistor de 50k e 5k para fazer sua própria ponta de prova 10x)
• Multímetro que pode medir tensão, corrente e resistência
• Solda e ferro de solda (eu uso Kester 63/37, BOA QUALIDADE sem chumbo também funciona se você for experiente)
• Solda sugador, pavio, etc. Você IRÁ cometer erros em um circuito tão grande, especialmente ao soldar o indutor, é uma dor.
• Cortadores de fio e decapantes
• Algo que pode gerar uma onda quadrada de alguns HZ, como uma placa de ensaio e um temporizador 555

Etapa 2: aprender como funciona a classe D de auto-oscilação (opcional, mas recomendado)

Antes de começar, é uma boa ideia saber como o circuito realmente funciona. Isso o ajudará muito com quaisquer problemas que você possa ter mais adiante e o ajudará a entender o que cada parte do esquema completo faz.

A primeira imagem é um gráfico produzido pelo LTSpice mostrando a resposta do amplificador a uma mudança instantânea de tensão de entrada. Como você pode ver no gráfico, a linha verde tenta seguir a linha azul. Assim que a entrada muda, a linha verde sobe o mais rápido possível e se estabiliza com o mínimo de ultrapassagem. A linha vermelha é a tensão do estágio de saída antes do filtro. Após a mudança, o amplificador se estabiliza rapidamente e começa a oscilar em torno do ponto de ajuste mais uma vez.

A segunda imagem é o diagrama básico do circuito. A entrada de áudio é comparada com o sinal de feedback, que gera um sinal para acionar o estágio de saída para aproximar a saída da entrada. A histerese no comparador faz com que o circuito oscile em torno da voltagem desejada em uma frequência muito alta para os ouvidos ou alto-falantes responderem.

Se você tiver o LTSpice, pode baixar e brincar com o arquivo esquemático.asc. Tente mudar r2 para mudar a frequência e observe o circuito enlouquecer enquanto você remove o amortecedor que amortece a oscilação excessiva em torno do ponto de ressonância do filtro LC.

Mesmo se você não tiver o LTSpice, estudar as imagens lhe dará uma boa ideia de como tudo funciona. Agora vamos começar a construir.

Etapa 3: construir a fonte de alimentação

Antes de começar a soldar qualquer coisa, dê uma olhada no esquema e no layout de exemplo. O esquema é um SVG (gráfico vetorial), então, depois de baixá-lo, você pode aumentar o zoom o quanto quiser sem perder a resolução. Decida onde colocar tudo na placa e, em seguida, monte a fonte de alimentação. Conecte a tensão da bateria e o aterramento e certifique-se de que nada esquente. Use um multímetro para ajustar a placa "lm2596" para a saída de 12 volts e verifique se o regulador 7808 está produzindo 8 volts.

Isso é tudo para a fonte de alimentação.

Etapa 4: construir o estágio de saída e o driver de porta

De todo o processo de construção, esta é a etapa mais difícil de todas. Construa tudo no "Circuito de acionamento do portão" e no "Estágio de energia" no esquema, certificando-se de que os FETs estejam conectados ao dissipador de calor.

No esquema, você verá fios que parecem não ir a lugar nenhum e dizem "vDrv". Eles são chamados de rótulos no esqumático e todos os rótulos com o mesmo texto são conectados entre si. Conecte todos os fios marcados com "vDrv" à saída da placa do regulador de 12v.

Após completar este estágio, ligue este circuito com uma fonte de corrente limitada (você pode usar um resistor em série com a fonte de alimentação) e certifique-se de que nada esquente. Tente conectar cada um dos sinais de entrada ao driver do gate a 8 V da fonte de alimentação (um de cada vez) e verifique se os gates corretos estão sendo acionados. Depois de verificar se você sabe que a unidade do portão está funcionando.

Devido ao gate drive usar um circuito de bootstrap, você não pode testar a saída diretamente medindo a tensão de saída. Coloque o multímetro na verificação de diodo e verifique entre cada terminal de alto-falante e cada terminal de alimentação.

1. Positivo para o locutor 1
2. Positivo para o alto-falante 2
3. Negativo para o alto-falante 1
4. Negativo para o alto-falante 2

Cada um deve mostrar condutividade parcial apenas em uma direção, assim como um diodo.

Se tudo funcionar, parabéns, você acabou de terminar a seção mais difícil do tabuleiro. Você se lembrou do aterramento adequado, certo?

Etapa 5: Construir gerador de sinal de unidade de porta MOSFET

Depois de concluir o driver do gate e o estágio de alimentação, você está pronto para construir a parte do circuito que gera os sinais que informam aos drivers do gate quais FETs devem ser ativados e a que horas.

Construa tudo no "gerador de sinal do driver MOSFET com tempo morto" no esquema, certificando-se de não esquecer nenhum dos minúsculos capacitores. Se você omiti-los, o circuito ainda testará bem, mas não funcionará bem quando você tentar acionar um alto-falante devido à oscilação parasita dos comparadores.

Em seguida, teste o circuito alimentando uma onda quadrada de alguns hertz no "gerador de sinal do driver MOSFET com tempo morto" de seu gerador de sinal ou circuito do temporizador 555. Conecte a tensão da bateria à "entrada HV" por meio de um resistor limitador de corrente.

Conecte um osciloscópio às saídas do alto-falante. Você deve obter a tensão da bateria invertendo a polaridade algumas vezes por segundo. Nada deve esquentar e a saída deve ser uma onda quadrada bem definida. Um pequeno overshoot é bom, desde que não seja mais do que 1/3 da voltagem da bateria.

Se a saída estiver produzindo uma onda quadrada limpa, significa que tudo o que você construiu até agora está funcionando. Só resta um sub-circuito até a conclusão.

Etapa 6: Comparador, amplificador diferencial e o momento da verdade

Agora você está pronto para construir a parte do circuito que realmente faz a modulação classe D.

Construa tudo no "Comparador com histerese" e "Amplificador diferencial para realimentação" no esquema, bem como os dois resistores de 5k que mantêm o circuito estável quando nada está conectado à entrada.

Conecte a alimentação ao circuito (mas não em HV ainda) e verifique se os pinos 2 e 3 do U6 devem estar realmente próximos da metade do Vreg (4 volts).

Se ambos os valores estiverem corretos, conecte um subwoofer aos terminais de saída. conecte a alimentação e HV à tensão da bateria por meio de um resistor limitador de corrente (você pode usar um subwoofer de 4 ohms ou superior como resistor). Você deve ouvir um pequeno estalo e o subwoofer não deve se mover para um lado ou para outro mais do que um milímetro ou mais. Verifique com um osciloscópio para garantir que os sinais que entram e saem dos gate drivers NCP5181 estão limpos e têm cerca de 40% do ciclo de trabalho cada. Se este não for o caso, ajuste os dois resistores variáveis até que estejam. A frequência das ondas de ativação do gate será menor do que os 70-110 KHZ desejados devido ao HV não estar conectado ao reforço de tensão.

Se os sinais de acionamento do gate não estiverem oscilando, tente alternar SPK1 e SPK2 indo para o amplificador diferencial. Se ainda não funcionar, use um osciloscópio para rastrear a falha. É quase certo no circuito comparador ou amplificador diferencial.

Quando o circuito estiver funcionando, deixe o alto-falante conectado e adicione o módulo de reforço de tensão para aumentar a tensão que vai para HV em cerca de 65-70 volts (lembre-se do fusível). Ligue o circuito e certifique-se de que nada esquente inicialmente, especialmente os MOSFETs e o indutor. Continue monitorando as temperaturas por cerca de 5 minutos. É normal que o indutor aqueça, desde que não esteja muito quente para ser tocado continuamente. Os MOSFETS não devem estar mais do que ligeiramente quentes.

Verifique a frequência e o ciclo de trabalho das ondas de ativação do gate novamente. Ajuste para um ciclo de trabalho de 40% e certifique-se de que a frequência esteja entre 70 e 110 Khz. Se não estiver, ajuste R10 no esquema para corrigir a frequência. Se a frequência estiver correta, você está pronto para começar a reproduzir o som com o amplificador.

Etapa 7: entrada de áudio e teste final

Agora que o próprio amplificador está funcionando satisfatoriamente, é hora de construir o estágio de entrada. Em outra placa (ou na mesma se tiver espaço), construa o circuito de acordo com o esquema fornecido com esta etapa (você tem que fazer o download), certificando-se de que esteja blindado com uma peça de metal aterrada se estiver próximo de qualquer ruído gerador componentes. Conecte a alimentação e o aterramento ao circuito do amplificador, mas não conecte o sinal de áudio ainda. Verifique se o sinal de áudio está em torno de 4 volts e muda ligeiramente quando você gira o potenciômetro de "ajuste de compensação DC". Ajuste o potenciômetro para 4 volts e solde o fio de entrada de áudio no resto do circuito.

Embora o esquema mostre o uso de um conector de fone de ouvido como entrada, você também pode adicionar um adaptador bluetooth com sua saída conectada ao conector de áudio. O adaptador bluetooth pode ser alimentado por um regulador 7805. (Eu tinha um 7806 e usei um diodo para liberar mais 0,7 volts).

Ligue o amplificador novamente e conecte um cabo ao conector AUX na placa de entrada. Provavelmente haverá alguma estática fraca.

Se a estática for muito alta, há algumas coisas que você pode tentar:

• Você protegeu bem o estágio de entrada? Os comparadores também geram ruído.
• Adicione um capacitor 100nf na saída do transformador.
• Adicione um capacitor 100nf entre a saída de áudio e o terra e coloque um resistor 2k em linha antes do capacitor.
• Certifique-se de que o cabo aux não esteja perto da fonte de alimentação ou dos cabos de saída do amplificador.

Lentamente (por vários minutos) aumente o volume, garantindo que nada fique muito quente ou distorça. Ajuste o ganho para que o amplificador não corte, a menos que o volume esteja no máximo.

Dependendo da qualidade do núcleo do indutor e do tamanho do dissipador de calor, pode ser uma boa ideia adicionar uma pequena ventoinha, alimentada pelo barramento de 12 V, para resfriar o amplificador. Essa é uma ideia especialmente boa se você for colocá-lo em uma caixa.