350 watt self -oscillerende klas D -versterker: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Inleiding en waarom ek hierdie instruksies gemaak het:

Op die internet is daar baie tutoriale wat mense wys hoe om hul eie klas D -versterkers te bou. Hulle is doeltreffend, eenvoudig om te verstaan en gebruik almal dieselfde algemene topologie. Daar word 'n hoëfrekwensie driehoekgolf gegenereer deur een deel van die stroombaan, en dit word vergelyk met die klanksein om die uitsetskakelaars (byna altyd MOSFET's) aan en af te moduleer. Die meerderheid van hierdie "DIY Klas D" -ontwerpe het geen terugvoer nie, en dié wat wel net skoon klink in die bas. Hulle maak ietwat aanvaarbare subwooferversterkers, maar het beduidende vervorming in die diskantstreke. Diegene sonder terugvoer, as gevolg van die tyd wat nodig is vir MOSFET-skakel, het 'n uitsetgolfvorm wat soortgelyk aan 'n driehoekgolf lyk, in teenstelling met 'n sinusgolf. Aansienlike ongewenste harmonieë is teenwoordig, wat lei tot 'n merkbare afname in klankgehalte wat musiek laat klink asof dit uit 'n basuin kom. Die ietwat troebel, nie so pittige geluid van my vorige klas D-versterker is die rede waarom ek besluit het om 'n versterker te ondersoek en te bou met behulp van hierdie obskure, onderbenutte topologie.

Die klassieke "driehoekgolfvergelyker" is egter nie die enigste manier om 'n klas D -versterker te bou nie. Daar is 'n beter manier. In plaas daarvan dat 'n ossillator die sein laat moduleer, waarom maak u dan nie die hele versterker die ossillator nie? Die uitgang MOSFET's word aangedryf (deur geskikte dryfkringe) deur die uitset van 'n vergelyker met die positiewe inset wat die inkomende klank ontvang en die negatiewe insette ontvang 'n (afgeskaalde) weergawe van die versterker se uitgangsspanning. Hysterese word in die vergelyker gebruik om die werksfrekwensie te reguleer en onstabiele, hoë frekwensie resonante modusse te voorkom. Verder word 'n RC -snubbernetwerk oor die uitset gebruik om lui by die uitgangsfilter se resonante frekwensie te onderdruk en die faseverskuiwing tot byna 90 grade te verlaag by die versterker se werkfrekwensie van ongeveer 100 Khz. Deur hierdie eenvoudige maar kritiese filter weg te laat, sal die versterker selfvernietigend wees, aangesien spanning van 'n paar honderd volt gegenereer kan word, wat die filterkapasitors onmiddellik vernietig.

Beginsel van werking:

Aanvaar dat die versterker eers begin is en alle spannings op nul is. As gevolg van sy histerese, sal die vergelyker besluit om die uitset positief of negatief te haal. Vir hierdie voorbeeld sal ons aanvaar dat die vergelyker die uitset negatief trek. Binne 'n paar tiene mikrosekondes het die uitgangsspanning van die versterker genoeg afgeneem om die vergelyker te draai en die spanning weer terug te stuur, en hierdie siklus herhaal ongeveer 60 tot 100 duisend keer elke sekonde, terwyl die gewenste spanning by die uitset gehou word. As gevolg van die hoë impedansie van die filterinduktor en die lae impedansie van die filterkapasitor by hierdie frekwensie, is daar nie veel geraas op die uitset nie, en as gevolg van die hoë werkfrekwensie, is dit ver bo die hoorbare omvang. As die insetspanning toeneem, sal die uitsetspanning genoeg toeneem sodat die terugvoerspanning die uitgangsspanning bereik. Op hierdie manier word versterking bereik.

Voordele bo standaard klas D:

1. Uiters lae uitsetimpedansie: Omdat die uitgangs -MOSFET's eers weer na die gewenste uitgangsspanning sal terugskakel nadat die filter bereik is, is die impedansie van die uitset feitlik nul. Selfs met 'n 0,1 volt verskil tussen die werklike en gewenste uitgangsspanning, sal die stroombaan versterkers in die uitset gooi totdat die spanning die vergelyking terugdraai (of iets waai).

2. Vermoë om reaktiewe vragte skoon te dryf: As gevolg van die uiters lae uitsetimpedansie kan self-ossillerende klas D meervoudige luidsprekerstelsels met groot impedansie-dips en pieke aandryf met baie min harmoniese vervorming. Subwooferstelsels met 'n lae impedansie by die poort se resonante frekwensie is 'n uitstekende voorbeeld van 'n luidspreker wat 'n "driehoekgolfvergelyker" -versterker sonder terugvoer sou sukkel om goed te bestuur.

3. Breë frekwensierespons: Namate die frekwensie toeneem, sal die versterker poog om te kompenseer deur die werksiklus meer te verander om die terugvoerspanning in pas te hou met die insetspanning. As gevolg van die verswakking van die hoë frekwensies van die filter, begin hoë frekwensies teen 'n laer spanningsvlak as laer, maar as gevolg van musiek wat baie meer elektriese krag in die bas het as die diskant (ongeveer 1/f -verspreiding, meer as u gebruik basversterking), dit is glad nie 'n probleem nie.

4. Stabiliteit: As dit behoorlik ontwerp is en 'n snubbernetwerk in plek is, verseker die byna 90 ° fasemarge van die uitsetfilter by die werkfrekwensie dat die versterker nie onstabiel raak nie, selfs al ry swaar vragte onder swaar knip. U sal iets blaas, waarskynlik u luidsprekers of subwooners, voordat die versterker onstabiel raak.

5. Doeltreffendheid en klein grootte: As gevolg van die selfregulerende aard van die versterker, beïnvloed dit nie die klankgehalte deur baie tyd aan die MOSFET-skakelgolfvorms toe te voeg nie. Volle laai-effekte van meer as 90% is moontlik met 'n induktor en MOSFET's van goeie gehalte (ek gebruik IRFB4115s in my versterker). As gevolg hiervan is 'n relatief klein koellichaam op die VOO's voldoende en 'n waaier is slegs nodig as dit in 'n geïsoleerde omhulsel met hoë krag werk.

Stap 1: Onderdele, voorrade en voorvereistes

Voorvereistes:

'N Kennis van basiese elektroniese konsepte is nodig om enige soort hoë-stroombaan te bou, veral een wat ontwerp is om klank skoon weer te gee. U sal moet weet hoe kondensators, induktors, weerstande, MOSFET's en op-versterkers werk, asook hoe u 'n kraghanteringskaartbord behoorlik kan ontwerp. U moet ook weet hoe om deur-gat-komponente te soldeer en hoe u stripboard moet gebruik (of 'n PCB kan bou). Hierdie handleiding is gerig op mense wat voorheen matig ingewikkelde stroombane gebou het. Uitgebreide analoogkennis is nie nodig nie, aangesien die meeste subkringe in enige klasse D -versterker slegs twee spanningsvlakke het - aan of af.

U moet ook weet hoe u 'n ossilloskoop kan gebruik (slegs die basiese funksies) en hoe u stroombane kan ontfout wat nie na wense werk nie. Met 'n kring van hierdie kompleksiteit is dit baie waarskynlik dat u 'n subkring sal hê wat nie werk nie die eerste keer dat u dit bou. Soek en los die probleem op voordat u na die volgende stap gaan; ontfouting van een subkring is baie makliker as om iewers in die hele bord 'n fout te probeer vind. Ossilloskoopgebruik is nodig om onbedoelde ossillasie te vind en te verifieer dat seine lyk soos dit moet.

Algemene wenke:

Op enige klasse D -versterker sal u hoë spanning en strome hê wat by hoë frekwensies skakel, wat die potensiaal het om baie geraas te genereer. U sal ook klankkringe met 'n lae krag hê wat sensitief is vir geraas en dit sal optel en versterk. Die invoerstadium en die kragstadium moet aan die teenoorgestelde ente van die bord wees.

Goeie aarding, veral in die kragstadium, is ook noodsaaklik. Maak seker dat aarddrade direk vanaf die negatiewe terminaal na elke hekbestuurder en vergelyker loop. Dit is moeilik om te veel gronddrade te hê. As u dit op 'n printplaat doen, gebruik 'n grondvlak vir die aarding.

Onderdele wat u benodig:

(Stuur 'n boodskap aan my as ek dit gemis het, ek is redelik seker dat dit 'n volledige lys is)

(Alles wat met die etiket HV gemerk is, moet vir ten minste die verhoogde spanning gegradeer word om die luidspreker aan te dryf, verkieslik meer)

(Baie hiervan kan gered word uit elektronika en toestelle wat in 'n vullisdrom gegooi word, veral kondensators)

• 24 volt kragtoevoer van 375 watt (ek het 'n litiumbattery gebruik; as u 'n battery gebruik, moet u 'n LVC (laagspanningsonderbreking) hê)
• Versterk kragomskakelaar wat 350 watt by 65 volt kan lewer. (Soek "Yeeco -kragomvormer 900 watt" op Amazon, en u sal die een vind wat ek gebruik het.)
• "Perf board" of protobord om alles op te bou. Ek beveel aan dat u ten minste 15 vierkante duim het om mee te werk vir hierdie projek, 18 as u die invoerbord op dieselfde bord wil bou.
• Heatsink om die MOSFET's op te monteer
• 220uf kondensator
• 2x 470uf kondensator, een moet gegradeer word vir ingangsspanning (nie HV)
• 2x 470nf kondensator
• 1x 1nf kondensator
• 12x 100nf keramiek kondensator (of u kan poly gebruik)
• 2x 100nf polykondensator [HV]
• 1x 1uf polykondensator [HV]
• 1x 470uf LOW ESR elektrolitiese kondensator [HV]
• 2x 1n4003 diode (enige diode wat 2*HV of meer kan weerstaan, is goed)
• 1x 10 amp lont (of 'n kort stuk 30AWG draad oor 'n aansluitblok)
• 2x 2,5 mh induktor (of draai u eie)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Moet EKTE wees!]
• Verskeie weerstande, u kan dit vir 'n paar dollar van eBay of Amazon af kry
• 4x 2k trimmer potensiometers
• 2x KIA4558 Op -versterker (of soortgelyke klankversterkers)
• 3x LM311 vergelykers
• 1x 7808 spanningsreguleerder
• 1x "Lm2596" boksomskakelbord, u kan dit vir 'n paar dollar op eBay of Amazon vind
• 2x NCP5181 hekbestuurder IC (u kan sommige blaas, meer kry) [Moet EKTE wees!]
• 3-pen kop om aan die invoerbord te koppel (of meer penne vir meganiese styfheid)
• Drade of aansluitblokke vir luidsprekers, krag, ens
• 18AWG -kragdraad (vir die bedrading van die kragstasie)
• 22 AWG-aansluitdraad (vir die bedrading van al die ander)
• 200 ohm klanktransformator met lae krag vir insetstadium
• Klein 12v/200ma (of minder) rekenaarwaaier om die versterker af te koel (opsioneel)

Gereedskap en voorrade:

• Oscilloskoop van ten minste 2us/div resolusie met 'n 1x en 10x sonde (u kan 'n 50k en 5k weerstand gebruik om u eie 10x sonde te maak)
• Multimeter wat spanning, stroom en weerstand kan doen
• Soldeer en soldeerbout (ek gebruik Kester 63/37, GOEDE KWALITEIT loodvry werk ook as u ervare is)
• Soldeersuier, lont, ens. U maak foute op 'n stroombaan so groot, veral as u die induktor soldeer, is dit 'n pyn.
• Draadsnyers en -stroppers
• Iets wat 'n vierkantgolf van 'n paar HZ kan genereer, soos 'n broodbord en 'n 555 -timer

Stap 2: Leer hoe self-oscillerende klas D werk (opsioneel, maar aanbeveel)

Voordat u begin, is dit 'n goeie idee om te leer hoe die stroombaan werk. Dit sal baie help met enige probleme wat u verder kan ondervind, en sal u help om te verstaan wat elke deel van die volledige skema doen.

Die eerste beeld is 'n grafiek wat deur LTSpice vervaardig is, wat die reaksie van die versterker op 'n oombliklike insetspanningverandering toon. Soos u uit die grafiek kan sien, probeer die groen lyn die blou lyn volg. Sodra die insette verander, styg die groen lyn so vinnig as wat dit kan en gaan dit oor na 'n minimale oorskryding. Die rooi lyn is die spanning van die uitsetstadium voor die filter. Na die verandering gaan die versterker vinnig tot stilstand en begin weer om die stelpunt te ossilleer.

Die tweede prent is die basiese stroombaandiagram. Die klankinvoer word vergelyk met die terugvoersignaal, wat 'n sein genereer om die uitsetstadium te dryf om die uitset nader aan die invoer te bring. Hysterese in die vergelyker veroorsaak dat die stroombaan om die gewenste spanning ossilleer teen 'n frekwensie wat te hoog is vir ore of luidsprekers om op te reageer.

As u LTSpice het, kan u die.asc -skematiese lêer aflaai en speel. Probeer om r2 te verander om die frekwensie te verander en kyk hoe die stroombaan gek word terwyl u die snubber verwyder wat oormatige ossillasie rondom die LC -filter se resonansiepunt demp.

Selfs as u nie LTSpice het nie, sal die bestudering van die beelde u 'n goeie idee gee van hoe alles werk. Laat ons nou begin bou.

Stap 3: Bou die kragtoevoer

Kyk eers na die skematiese en voorbeelduitleg voordat u iets begin soldeer. Die skematiese weergawe is 'n SVG (vektorgrafika), dus sodra u dit afgelaai het, kan u soveel inzoom as wat u wil sonder om die resolusie te verloor. Besluit waar u alles op die bord gaan plaas, en bou dan die kragtoevoer. Sluit die batteryspanning en grond aan en sorg dat niks warm word nie. Gebruik 'n multimeter om die "lm2596" -bord aan te pas om 12 volt uit te voer en kyk of die 7808 -reguleerder 8 volt uitvoer.

Dit is dit vir die kragtoevoer.

Stap 4: Bou die uitvoerstadium en hekbestuurder

Van die hele bouproses is dit die moeilikste stap van hulle almal. Bou alles in die "Gate driver circuit" en die "Power stage" in die skema, en maak seker dat die VOO's aan die koeler vasgemaak word.

In die skema sien u drade wat skynbaar nêrens heen gaan nie en sê "vDrv". Dit word etikette in die skematiese naam genoem, en alle etikette met dieselfde teks word aan mekaar verbind. Koppel al die "vDrv" gemerkte drade aan die uitset van die 12v -regulatorbord.

Nadat u hierdie fase voltooi het, skakel hierdie kring aan met 'n stroombeperkte toevoer (u kan 'n weerstand in serie met die kragtoevoer gebruik) en sorg dat niks warm word nie. Probeer om elk van die insetseine aan die poortbestuurder te koppel aan 8v van die kragtoevoer (een vir een) en kyk of die regte hekke aangedryf word. Sodra u geverifieer het dat u weet dat die gate drive werk.

As gevolg van die poortaandrywing wat 'n bootstrap -kring gebruik, kan u die uitset nie direk toets deur die uitsetspanning te meet nie. Sit die multimeter op die diode -tjek en kyk tussen elke luidsprekeraansluiting en elke kragaansluiting.

1. Positief teenoor spreker 1
2. Positief vir spreker 2
3. Negatief vir spreker 1
4. Negatief vir spreker 2

Elkeen moet net op 'n enkele manier gedeeltelike geleidingsvermoë toon, net soos 'n diode.

As alles werk, geluk, u het pas die moeilikste gedeelte van die bord voltooi. U het die regte aarding onthou, nie waar nie?

Stap 5: Bou die MOSFET Gate Drive Signal Generator

As u klaar is met die hekbestuurder en kragstasie, is u gereed om die gedeelte van die stroombaan te bou wat die seine genereer wat die hekbestuurders vertel watter VOO's op watter tydstip moet aanskakel.

Bou alles in die 'MOSFET -bestuurdersignaalgenerator met dooie tyd' in die skema, en maak seker dat u nie die klein kondensators vergeet nie. As u dit weglaat, sal die stroombaan nog steeds goed toets, maar dit sal nie goed werk as u probeer om 'n luidspreker te bestuur nie, aangesien die vergelykers parasities swaai.

Toets dan die stroombaan deur 'n vierkantgolf van 'n paar hertz in die "MOSFET -bestuurder seineenheidgenerator met dooie tyd" van u seingenerator of 555 -tydskakeling af te voer. Koppel die batteryspanning aan die "HV in" deur 'n stroombeperkende weerstand.

Koppel 'n ossilloskoop aan die luidsprekeruitsette. U moet die batteryspanning 'n paar keer per sekonde omdraai. Niks moet warm word nie en die uitset moet 'n mooi, skerp vierkantige golf wees. 'N Bietjie oorskryding is goed, solank dit nie meer as 1/3 batteryspanning is nie.

As die uitset 'n skoon vierkantgolf lewer, beteken dit dat alles wat u tot dusver gebou het, werk. Slegs een subkring oor tot voltooiing.

Stap 6: Vergelyker, differensiële versterker en die oomblik van waarheid

U is nou gereed om die gedeelte van die stroombaan te bou wat eintlik die klas D -modulasie doen.

Bou alles in die 'Vergelyking met histerese' en 'Differensiële versterker vir terugvoer' in die skematiese weergawe, sowel as die twee 5k -weerstande wat die stroombaan stabiel hou as niks aan die ingang gekoppel is nie.

Koppel die krag aan die stroombaan (maar nog nie HV in nie) en kyk of penne 2 en 3 van U6 albei naby die helfte van Vreg (4 volt) moet wees.

As albei hierdie waardes korrek is, heg 'n subwoofer oor die uitgangsklemme. Sluit die krag en HV aan op die batteryspanning deur 'n stroombeperkende weerstand (u kan 'n subwoofer van 4 ohm of meer as weerstand gebruik). U moet 'n klein knal hoor, en die subwoofer moet nie meer as 'n millimeter eenkant beweeg nie. Kontroleer met 'n ossilloskoop om seker te maak dat die seine wat na die NCP5181 -hekbestuurders in en uitkom, skoon is en ongeveer 40% dienssiklus het. As dit nie die geval is nie, pas die twee veranderlike weerstande aan totdat dit is. Die frekwensie van die gate-dryfgolwe sal laer wees as die gewenste 70-110 KHZ omdat HV nie aan die spanningsversterker gekoppel is nie.

As die seine van die hekaandrywers glad nie ossilleer nie, probeer dan om SPK1 en SPK2 na die differensiaalversterker te skakel. As dit steeds nie werk nie, gebruik 'n ossilloskoop om die fout op te spoor. Dit is byna seker in die vergelyking- of differensiaalversterkerkring.

Sodra die stroombaan werk, laat die luidspreker gekoppel en voeg die spanningsversterkermodule by om die spanning na HV na ongeveer 65-70 volt te verhoog (onthou die lont). Skakel die kring aan en maak seker dat niks aanvanklik warm word nie, veral nie die MOSFET's en die induktor nie. Hou die temperatuur ongeveer 5 minute lank dop. Dit is normaal dat die induktor warm word, solank dit nie te warm is om aanhoudend aan te raak nie. Die MOSFETS moet nie meer as effens warm wees nie.

Kontroleer die frekwensie en werksiklus van die gate -dryfgolwe weer. Pas aan vir 'n 40% -siklus en maak seker dat die frekwensie tussen 70 en 110 Khz is. As dit nie die geval is nie, pas R10 in die skema aan om die frekwensie reg te stel. As die frekwensie korrek is, is u gereed om met die versterker klank te begin speel.

Stap 7: Klankinvoer en finale toetsing

Noudat die versterker self bevredigend werk, is dit tyd om die invoerfase te bou. Op 'n ander bord (of dieselfde as u ruimte het), bou die stroombaan volgens die skema wat by hierdie stap voorsien word (u moet dit aflaai), en maak seker dat dit met 'n gegeurde stuk metaal afgeskerm is as dit naby die geraas is. komponente. Koppel krag en grond aan die kring van die versterker, maar moet nog nie die klanksein aansluit nie. Kontroleer of die klanksignaal ongeveer 4 volt is en effens verander wanneer u die potensiometer "DC offset adjust" draai. Pas die potensiometer vir 4 volt aan en soldeer die klankinvoerdraad aan die res van die kring.

Alhoewel die skematiese weergawe van 'n koptelefoonaansluiting as ingang gebruik word, kan u ook 'n bluetooth -adapter byvoeg met die uitset wat bedraad is na waar die klankaansluiting is. Die Bluetooth -adapter kan aangedryf word deur 'n 7805 -reguleerder. (Ek het 'n 7806 gehad en 'n diode gebruik om nog 0,7 volt te laat daal).

Skakel die versterker weer aan en steek 'n kabel in die AUX -aansluiting op die ingangskaart. Daar sal waarskynlik 'n effense statiese voorkoms wees.

As die statika te hard is, is daar 'n paar dinge wat u kan probeer:

• Het u die insetstadium goed beskerm? Die vergelykers maak ook geraas.
• Voeg 'n 100nf -kapasitor by die uitset van die transformator.
• Voeg 'n 100nf -kondensator by tussen klankuitgang en grond en plaas 'n 2k -weerstand voor die kapasitor.
• Maak seker dat die aux -kabel nie naby die kragtoevoer of versterker se uitgangskabels is nie.

Verhoog die volume stadig (oor 'n paar minute) om te verseker dat niks te warm word of verdraai nie. Pas die versterking aan sodat die versterker nie klip nie, tensy die volume op maksimum is.

Afhangende van die kwaliteit van die spoelkern en die grootte van die koellichaam, kan dit 'n goeie idee wees om 'n klein waaier by te voeg, aangedryf deur die 12V -spoor, om die versterker af te koel. Dit is veral 'n goeie idee as u dit in 'n boks gaan sit.