4 tõhusat PWM-võimendi ahelat on selgitatud

Proovige Meie Instrumenti Probleemide Kõrvaldamiseks





Helivõimendid, mis on ette nähtud analooghelisignaali võimendamiseks impulsi laiuse modulatsiooni või PWM-töötluse kaudu ja reguleeritava töötsükliga, on tuntud paljude nimede, sealhulgas digitaalse võimendi, D-klassi võimendi, lülitatava võimendi ja PWM-võimendi abil.

Kuna see suudab töötada suure efektiivsusega, a D-klassi võimendi on muutunud lemmikkontseptsiooniks mobiilseadmete ja avalike telefonirakenduste jaoks, kus moonutused on tühised.



Miks PWM-võimendid on nii tõhusad?

Sellepärast, et nad muudavad analooghelisignaali samaväärseks PWM-i moduleeritud sisuks. Seda moduleeritud PWM-helisignaali võimendavad tõhusalt väljundseadmed, näiteks MOSFET-id või BJT-d, ja teisendatakse seejärel tagasi suure võimsusega analoogversiooniks, kasutades ühendatud kõlarites spetsiaalseid induktoreid.

Me teame seda pooljuht seadmed nagu MOSFETid ja BJT-d „ei meeldi”, kui seda kasutatakse sisendsignaali määratlemata piirkondades ja see kipub kuumaks minema. Näiteks a MOSFET ei lülitu korralikult sisse, kui väravasignaalid on alla 8 V ja BJT-d ei reageeri korralikult alla 0,5 V alusajami, mille tulemuseks on nende keha jahutusradiaatori kaudu suur hulk soojust.



Oma olemuselt eksponentsiaalsed analoogsignaalid sunnivad ülaltoodud seadmeid töötama ebamugavate ja ebasoodsate aeglase tõusu ja aeglase languse potentsiaalidega, põhjustades suurt soojuse hajumist ja suuremat ebaefektiivsust.

PWM võimenduskontseptsioon võimaldab neil seadmetel töötada kas täielikult sisse või välja lülitades ilma määratlemata potentsiaalideta. Seetõttu ei kiirga seadmed mingit soojust ning helivõimendus renderdatakse kõrge efektiivsusega ja minimaalsete kadudega.

Digitaalse võimendi eelised võrreldes lineaarse võimendiga

  • Digitaalsed või PWM-võimendid kasutavad PWM-töötlust ja seetõttu võimendavad väljundseadmed signaale minimaalse soojuseraldusega. Lineaarsed võimendid kasutavad emitterijälgija disaini ja hajutavad heli võimendamisel suurt soojushulka.
  • Digitaalvõimendid võivad töötada vähem väljundvõimsusseadmetega kui lineaarsed võimendid.
  • Minimaalse soojuse hajumise tõttu ei ole vaja jahutusradiaatorit ega väiksemaid jahutusradiaineid, võrreldes lineaarsete ampritega, mis sõltuvad suurtest jahutusradadest.
  • Digitaalsed PWM-võimendid on odavamad, kergemad ja ülitõhusad võrreldes lineaarsete võimenditega.
  • Digitaalsed võimendid võivad töötada väiksemate toiteallikate sisenditega kui lineaarsed võimendid.

Selles postituses juhib esimest allpool olevat PWM-võimendit 6 V aku ja see genereerib kuni 5 W väljundvõimsust. Arvestades räiget väljundvõimsust, leidub PWM-võimendit sageli megafonides.

Mobiilsete AF-võimendite levinud probleem on see, et madala efektiivsusega omaduste tõttu on madalast toitepingest raske toota suurt võimsust.

Kuid meie arutelu PWM-võimendi efektiivsus moonutustasemel on peaaegu 100%, mis on megafonide ja nendega seotud P.A. seadmeid. Allpool selgitatakse mõnda disaini mõjutavat tegurit:

Pulsilaiuse modulatsioon

Impulsi laiuse modulatsiooni (PWM) põhimõte on esitatud allpool joonisel 1.

Kontseptsioon on lihtne: suurema sagedusega ristkülikukujulise signaali töötsüklit kontrollib sisendsignaal. Impulsi sisselülitusaeg on sisendsignaali hetkelise amplituudi suhtes.

Lisaks sagedusele on sisse- ja väljalülitamise aeg konstantne. Seega, kui sisendsignaal puudub, tekib sümmeetriline ruutlaine signaal.

Suhteliselt hea helikvaliteedi saavutamiseks peab ristkülikukujulise signaali sagedus olema topelt kui sisendsignaali kõrgeim sagedus.

Saadud signaali võib kasutada valjuhääldi toiteks. Joonis 4 näitab selget muundamist ostsilloskoobi jäljes.

Ülemine jälg sinusoidaalse väljundsignaaliga ja alumine jälg PWM-juhtsignaaliga

Ülemine jälg näitab väljundsignaali filtreerimist ja mõõdetud valjuhääldist. Ülejäänud amplituud PWM signaal mis kattub siinuslainega, on väike.

Elektroonilised lülitid võimenditena

Joonis 2 kirjeldab PWM-võimendi standardset toimimist plokkskeemi abil.

D-klassi võimendi plokkskeem

Oletame, et kui sisend on lühis, lülitage Skunitoidab kondensaatorit C7vooluga Ikaks. See toimub seni, kuni saavutatakse sobiv ülemise piiri lülituspinge.

Siis ühendab see R7maani. Pärast seda C7tühjeneb S alumise piiri lülituspingelekuni. Selle tulemusena C7ja R7tekitab ruutlaine sagedusega 50 kHz.

Kui võimendi sisendisse antakse AF-signaal, lisavool I1suhteliselt vähendab või suurendab laadimisaega või suurendab ja vähendab tühjenemisaega.

Niisiis, sisendsignaal muudab ruudukujulise laine signaali tööfaktorit, mida nähakse valjuhääldi väljundis.

PWM-võimendi põhitööks on hädavajalikud kaks seadust.

  1. Esimene on lüliti Sbon antifaasis kontrollitud S-gakunihoides teist valjuhääldi terminali alternatiivse pingena PWM-signaalile.

See seadistus annab tulemuse lülitussilla tüüpi väljundastmest. Seejärel sunnitakse valjuhääldit iga polaarsuse korral kogu toitepingega nii, et saavutatakse maksimaalne voolutarve.

2. Teiseks uurime induktoreid L1ja Lkaks. Induktiivpoolide eesmärk on integreerida ristkülikukujuline signaal ja teisendada need sinusoidaalseks, nagu on näidatud skeemi jäljel varem. Lisaks funktsioneerivad nad 50 kHz ristkülikukujulise signaali sujuva summuti.

Kõrge heli väljund tagasihoidlikust disainist

Valjuhääldi eesmärgil kasutatava 4 W D-klassi võimendi skeemid.

Ülaltoodud joonise skeemi põhjal saate hõlpsalt tuvastada plokkskeemis kasutatud elektroonilised komponendid.

Käputäis osi, nagu takisti R1, sidestuskondensaatorid C1ja C4, helitugevuse reguleerimine P1ja võimendi ümber opamp A1teeb kondensaatori (või elektrostaatilise) mikrofoni kallutamist.

Kogu see toiming loob PWM-võimendi sisendsegmendi. Nagu varem arutletud, lülitid Skunija Sbon ehitatud elektrooniliste lülitite ES abil1ES-ile4ja transistoripaarid T1-T3ja Tkaks-T4.

PWM-generaatori ehitavate elektrooniliste komponentide osade tähised on seotud plokkskeemil kirjeldatutega.

Tõenäoliselt on PWM-võimendi harva efektiivne, kuna väljundtransistoreid ei kuumene isegi siis, kui need on sunnitud kõigi ajamitega. Lühidalt öeldes on väljundvõimsuse etapis praktiliselt null hajumine.

Kõige olulisem tegur, mida peate arvestama enne induktiivpoolide L valimist1ja Lkakson see, et nad peavad suutma suunata 3 A ilma küllastumata.

Tegelik induktiivsus arvestatakse alles teisel kohal. Näiteks selles projektis kasutatud induktiivpoolid saadi valgusregulaatorist.

Dioodide eesmärk D3D-le6Sisaldab induktiivpoolide tagumist EMF-i mõistlikult ohutu väärtuseni.

Veelgi enam, opamp A mitteinverteeriv sisend1moodustub D-st1, C3, Dkaksja R3. See tõhusalt filtreeritud sisendpinge on võrdne poolega toitepingest.

Traditsioonilise Opamp-võimendi kasutamisel määratakse pingetõus negatiivse tagasiside silmusega. R4ja R5seadistab võimenduse väärtuseks 83, et tagada mikrofoni piisav tundlikkus.

Kui kasutate suure impedantsiga signaaliallikaid, siis R4saab vastavalt vajadusele võimendada.

L1ja Lkakspõhjustada faasinihet ja seetõttu on tagasiside võimalik T-kollektoris oleva nelinurkse signaali abil1võrreldes sinusoidse valjuhääldi signaaliga.

Kombineerituna C-ga5opamp tagab PWM-i tagasiside signaali olulise integreerimise.

Tagasiside süsteem vähendab võimendi moonutusi, kuid mitte nii ulatuslikult, et võiksite seda kasutada lisaks avalikule aadressile ka muudeks rakendusteks.

Tavaliselt vajaks D-klassi võimendi madala moonutusega oluliselt suurenenud toitepinge ja keerukat vooluahela kujundust.

Selle seadistuse rakendamine kahjustaks vooluahela üldist efektiivsust. Pöörake tähelepanu võimendi elektrooniliste lülitite valimisel, kuna HCMOS-tüübid sobivad.

Tüüpiline CMOS-tüüp 4066 on äärmiselt loid ja sobimatu T-s lühise käivitamiseks1-T3ja Tkaks-T4. Vähe sellest, on ka võimendi ületöötamise või isegi püsiva kahjustamise oht.

Megafonirakenduse PWM-võimendi

Elektroonikahuvilised eelistavad sarvest tüüpi valjuhääldi toiteks kasutada D-klassi võimendit, kuna see suudab valitud võimsustaseme jaoks kõige valjemat heli tekitada.

Kasutades 6 V akut ja survekambri valjuhääldit, oli võimendi mudel hõlpsasti konstrueeritav.

Olemasolev 4 W väljundvõimsus oli mõõdetav korraliku helivahemikuga megafonis.

Megafoni toitepingeks ühendati järjestikku neli 1,5 V kuivpatareid või leeliselist monorakku. Kui soovite seda seadistust sageli kasutada, valige uuesti laetav NiCd- või geel-tüüpi (Dryfit) aku.

Kuna megafoni maksimaalne voolutarve on 0,7 A, sobib tavaline leelis, mis toetab väljundvõimsusel töötamist 24 tunni jooksul.

Kui plaanite mittepidevat kasutamist, on kuivade rakkude komplekti valimine enam kui piisav.

Pidage meeles, et mis tahes jõuallikat kasutate, ei tohi see kunagi ületada rohkem kui 7 V.

Põhjuseks on IC-s olevad HCMOS-lülitid1ei töötaks korralikult sellel või enamal pingetasemel.

Õnneks on võimendi jaoks toitepinge maksimaalne künnis suurem kui 11 V.

Ülaltoodud PWM D-klassi võimendi PCB disain on toodud allpool:

Veel üks hea PWM-võimendi

Hästi kavandatud PWM-võimendi sisaldab sümmeetrilist ristkülikukujulist lainegeneraatorit.

Selle ristkülikukujulise laine töötsüklit moduleerib helisignaal.

Lineaarse töö asemel töötavad väljundtransistorid lülititena, nii et nad on kas täielikult sisse või välja lülitatud. Uinuvas olekus on lainekuju töötsükkel 50%.

See tähendab, et iga väljundtransistor on sama aja jooksul täielikult küllastunud või tuntud ka kui juhtiv. Selle tulemusena on keskmine väljundpinge null.

See tähendab, et kui üks lülititest jääb suletuks veidi kauem kui teine, on keskmine väljundpinge kas negatiivne või positiivne, sõltuvalt sisendsignaali polaarsusest.

Seetõttu võime täheldada, et keskmine väljundpinge on suhteline sisendsignaaliga. Seda seetõttu, et väljundtransistorid töötavad täielikult lülititena, seega on väljundstaadiumis tohutult väike võimsuskadu.

Kujundus

Joonisel 1 on kujutatud kogu D-klassi PWM-võimendi skeem. Näeme, et PWM-võimendi ei pea olema liiga keeruline.

Vaid 12 V abil annab isevõnkuv PWM-võimendi 3 W 4 oomi.

Sisendhelisignaal suunatakse op-amp IC1-le, mis toimib võrdlusena. See seadistus viib käputäie Schmitti päästikuid, mis on ühendatud vooluahelaga paralleelselt.

Nad on seal kahel põhjusel. Esiteks peab olema ruudukujuline lainekuju ja teiseks on väljundietapi jaoks vajalik piisav aluse ajamivool. Selles etapis on paigaldatud kaks lihtsat, kuid kiiret transistorit (BD137 / 138).

Kogu võimendi võnkub ja tekitab ruudu laine. Põhjuseks on üks võrdlusraami sisend (IC1), mis on RC-võrgu kaudu väljundile lisatud.

Pealegi on IC1 mõlemad sisendid kallutatud toitepinge esimesse poolde, kasutades pingejaoturit R3 / R4.

Iga kord, kui IC1 väljund on madal ja T1 / T2 kiirgajad on kõrged, toimub kondensaatori C3 laadimine takisti R7 kaudu. Samal ajal suureneb mitteinverteeriva sisendi pinge.

Kui see eskaleeruv pinge ületab inverteeriva panuse taseme, vahetub IC1 väljumine madalast kõrgeks.

Selle tulemusel muutuvad T1 / T2 kiirgajad kõrgelt madalale. See tingimus võimaldab C3-l tühjeneda R7 kaudu ja pluss-sisendi pinge langeb miinus-sisendi pingest madalamale.

Ka IC1 väljund taastub madalasse olekusse. Lõpuks saadakse ruutlaine väljund sagedusel, mille otsustavad R7 ja C3. Esitatud väärtused tekitavad võnke sagedusel 700 kHz.

Kasutades ostsillaator , saame moduleerida sagedust. Tavaliselt referentsina kasutatava inverteeriva sisendi IC1 tase ei püsi konstantsena, vaid selle otsustab helisignaal.

Lisaks määrab amplituud täpse punkti, kus võrdleja väljund hakkab muutuma. Sellest tulenevalt moduleerib helisignaal regulaarselt ruudukujuliste lainete paksust.

Tagamaks, et võimendi ei tööta 700 kHz saatjana, tuleb selle väljundis filtreerida. LC / RC võrk, mis koosneb L1 / C6 ja C7 / R6, teeb head tööd a filter .

Tehnilised kirjeldused

  • 8 oomi ja 12 V toitepingega koormusega varustatud võimendi tekitas 1,6 W.
  • 4 oomi kasutamisel suurenes võimsus 3 W-ni. Sellise väikese hajuva soojuse korral pole väljundtransistoride jahutamine vajalik.
  • On tõestatud, et sellise lihtsa vooluahela korral on harmooniline moonutus ebatavaliselt madal.
  • Kogu harmoonilise moonutuse tase oli mõõdetud vahemikust 20 Hz kuni 20 000 Hz madalam kui 0,32%.

Alloleval joonisel näete PCB-d ja võimendi osade paigutust. Selle vooluringi ehitamise aeg ja maksumus on väga madalad, seega on see suurepärane võimalus kõigile, kes soovivad PWM-ist paremini aru saada.

PWM-võimendi trükkplaat ja detailide paigutus.

Osade nimekiri

Takistid:
R1 - 22k
R2, R7 - 1 M
R3, R4 - 2,2 k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 oomi
P1 = 100k logaritmiline potentsiomeeter
Kondensaator;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Pooljuhid:
IC1 - CA3130
IC2-00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Mitmesugused:
L1 = 39μH induktor

Lihtne 3-transistori D-klassi võimendi ahel

PWM-võimendi silmapaistev efektiivsus on selline, et väljundtransistorina kasutatava BC107 abil saab toota 3 W võimsust. Veelgi parem, see ei vaja jahutusradat.

Võimendi sisaldab pinge abil juhitavat impulsi laiuse ostsillaatorit, mis töötab umbes 6 kHz juures ja tagab D-klassi väljundastme.

On ainult kaks stsenaariumi - täis sisse või välja. Seetõttu on hajumine uskumatult väike ja annab seetõttu kõrge efektiivsuse. Väljundi lainekuju ei tundu sisendina.

Kuid väljund- ja sisendlainekuju integraal on aja suhtes üksteisega proportsionaalsed.

Esitatud komponentide väärtuste tabel näitab, et saab toota kõiki võimendeid väljundvõimsusega vahemikus 3 W kuni 100 W. Arvestades seda, on võimalik saavutada tugevamat võimsust kuni 1 kW.

Puuduseks on see, et see tekitab umbes 30% moonutusi. Selle tulemusena saab võimendit kasutada ainult heli võimendamiseks. See sobib valjuhääldisüsteemidele, kuna kõne on uskumatult arusaadav.

Digitaalne Op-Amp

Järgmises kontseptsioonis on näidatud, kuidas kasutada põhiseadistatud lähtestusplokki IC 4013, mida saab kasutada analooghelisignaali teisendamiseks korrigeerivaks PWM-signaaliks, mida saab soovitud PWM-võimenduse jaoks edasi viia MOSFET-astmesse.

Võid kasutada pooli paketist 4013 võimendina digitaalse väljundina, mille töötsükkel on proportsionaalne soovitud väljundpingega. Alati, kui vajate analoogväljundit, täidab seda tööd lihtne filter.

Peate järgima kella impulsse vastavalt määratlusele ja nende sagedus peab olema oluliselt suurem kui soovitud ribalaius. Võimendus on R1 / R2, samas kui aeg R1R2C / (R1 + R2) peab olema pikem kui kellaimpulsside periood.

Rakendused

Vooluringi saab kasutada mitmel viisil. Mõned on:

  1. Hankige impulsid elektrivõrgu nullpunktist ja rakendage väljundiga triac. Selle tulemusena on teil nüüd relatiivne võimsuse juhtimine ilma RFI-ta.
  2. Kiire kella abil lülitage juhtransistorid väljundiga. Tulemuseks on ülitõhus PWM helivõimendi.

30 vatti PWM-võimendi

30W klassi -D helivõimendi elektriskeemi on näha järgmises pdf-failis.

30 vatti D klass Lae alla

Operatiivvõimendi IC1 võimendab sisendhelisignaali muutuva helitugevusega juhitava potentsiomeetri VR1 kaudu. PWM (impulsi laiuse modulatsioon) signaal genereeritakse helisignaali võrdlemisel 100 kHz kolmnurga lainega. See saavutatakse komparaatori 1C6 kaudu. Positiivse tagasiside andmiseks kasutatakse takistit RI3 ja võrdluse tööaja pikendamiseks on tegelikult kasutusele võetud C6.

Võrdlusväljund lülitub ± 7,5 V pingeäärmuse vahel. Tõmbetakisti R12 võimsus on + 7,5 V, samal ajal kui -7,5 V toiteallikaks on võimendi IC6 sisemine avatud emittertransistor nööpnõel 1. Ajal, mil see signaal positiivsele tasemele liigub, töötab transistor TR1 nagu praegune valamuklemm. See vooluhulk põhjustab takisti R16 pingelanguse suurenemist, mis muutub MOSFET TR3 sisselülitamiseks piisavaks.

Kui signaal lülitub negatiivsesse äärmusesse. TR2 muutub vooluallikaks, mis viib pinge languseni R17-l. Sellest tilgast saab TR4 sisselülitamiseks lihtsalt piisav. Põhimõtteliselt käivitatakse MOSFET-id TR3 ja TR4, luues PWM-signaali, mis lülitub +/- 15 V vahel.

Siinkohal on hädavajalik see võimendatud PWM-signaal tagasi tuua või teisendada heaks heli taasesituseks, mis võib olla sisendi helisignaali võimendatud ekvivalent.

See saavutatakse PWM-i töötsükli keskmise loomisega läbi 3. järgu Butterworhi madalpääsfiltri, mille väljalülitussagedus (25 kHz) on kolmnurga baassagedusest oluliselt madalam.

See tegevus toob kaasa tohutu sumbumise sagedusel 100kHz. Saadud lõplik väljund tanspireerub heli väljundiks, mis on sisendi helisignaali võimendatud replikatsioon.

Kolmnurklaine generaator läbi vooluahela konfiguratsioonide 1C2 ja 1C5, kus IC2 töötab nagu ruutlaine generaator, positiivse tagasisidega, mida edastatakse R7 ja R11 kaudu. Dioodid DI kuni D5 töötavad nagu kahesuunalised klambrid. See fikseerib pinge umbes +/- 6V.

Täiuslik integraator luuakse eelseadistatud VR2, kondensaatori C5 ja IC5 abil, mis muudab ruutlaine kolmnurkseks laineks. Eelseadistatud VR2 pakub funktsiooni freqeuncy.

1C5 väljund (tihvt 6) annab tagasiside 1C2-le ning takisti R14 ja eelseadistatud VR3 toimivad paindliku summutina, mis võimaldab kolmnurga laine taset vastavalt vajadusele kohandada.

Pärast täisringluse tegemist tuleb VR2 ja VR3 peenhäälestada, et võimaldada kõrgeima kvaliteediga heliväljundit. +/- 7,5 V toite tarnimiseks saab ühtsuse suurendamise puhvritena kasutada tavaliste 741 op amprit 1C4 ja IC3 jaoks.

Kondensaatoreid C3, C4, C11 ja C12 kasutatakse filtreerimiseks, ülejäänud kondensaatoreid toite lahutamiseks.

Vooluahel võib töötada kahekordse +/- 15 V alalisvooluallikaga, mis suudab kondensaatori C13 ja induktori L2 abil juhtida 30 W 8 oomi valjuhääldit läbi LC-etapi. Pange tähele, et MOSFET TR3 ja TR4 jaoks võivad tõenäoliselt olla vajalikud tagasihoidlikud jahutusradiaatorid.




Paari: Reguleeritav puurmasina kiiruse regulaatori ahel Järgmine: Doppleri efekti kasutav liikumisanduri ahel