S'han explicat 4 circuits d'amplificador PWM eficients

S'han explicat 4 circuits d'amplificador PWM eficients

Els amplificadors d'àudio dissenyats per amplificar un senyal d'àudio analògic mitjançant la modulació de l'amplada de pols o el processament PWM i amb cicle de treball ajustable es coneixen amb molts noms, inclosos l'amplificador digital, l'amplificador de classe D, l'amplificador commutat i l'amplificador PWM.



Com que pot funcionar amb altes eficiències, a Amplificador de classe D. s’ha convertit en un concepte preferit per a aplicacions de megafonia i megafonia on la distorsió és insignificant.

Per què els amplificadors PWM són tan eficients?

Es deu al fet que converteixen el senyal d'àudio analògic en contingut modulat PWM equivalent. Aquest senyal d’àudio modulat PWM s’amplifica de manera eficient mitjançant dispositius de sortida com ara MOSFET o BJT i ​​es torna a convertir en versió analògica d’alta potència mitjançant inductors especials a través dels altaveus connectats.





Ho sabem semiconductor dispositius com MOSFET i BJT 'no m'agrada' que s'utilitzi en regions indefinides d'un senyal d'entrada i tendeixen a estar calents. Per exemple a MOSFET no s'encenen correctament quan els senyals de la porta són inferiors a 8V i els BJT no respondran correctament a la unitat base inferior a 0,5 V, cosa que provoca una gran quantitat de dissipació de calor a través del dissipador de calor corporal.

Els senyals analògics que són per naturalesa exponencials obliguen els dispositius anteriors a treballar amb potencials de pujada lenta i caiguda lenta incòmodes i desfavorables, provocant una elevada dissipació de calor i majors ineficiències.



PWM el concepte d'amplificació, en canvi, permet que aquests dispositius funcionin activant-los completament o apagant-los completament, sense potencials intermedis indefinits. A causa d'això, els dispositius no emeten cap calor i l'amplificació d'àudio es produeix amb una alta eficiència i pèrdues mínimes.

Avantatges de l'amplificador digital en comparació amb l'amplificador lineal

  • Els amplificadors digitals o PWM utilitzen processament PWM i, per tant, els dispositius de sortida amplifiquen els senyals amb una mínima dissipació de calor. Els amplificadors lineals utilitzen el disseny de seguidors d’emissors i dissipen una gran quantitat de calor durant l’amplificació del so.
  • Els amplificadors digitals poden funcionar amb menys nombre de dispositius de potència de sortida en comparació amb els amplificadors lineals.
  • A causa de la mínima dissipació de calor, no calen dissipadors ni dissipadors de calor més petits, en comparació amb els amplificadors lineals que depenen de dissipadors de calor grans.
  • Els amplificadors digitals PWM són més econòmics, lleugers i altament eficients en comparació amb els amplificadors lineals.
  • Els amplificadors digitals poden funcionar amb entrades de subministrament d’energia més petites que els amplificadors lineals.

En aquest missatge, el primer amplificador de potència PWM que es mostra a continuació funciona amb una bateria de 6 V i genera una potència de sortida de fins a 5W. Donada la seva capacitat de sortida flagrant, l'amplificador PWM es troba sovint en megàfons.

Un problema comú amb els amplificadors AF mòbils és que, a causa de la seva baixa eficiència, és difícil produir una alta potència a partir d’un voltatge de subministrament baix.

No obstant això, l'amplificador PWM de la nostra discussió té una eficiència gairebé del 100% a un nivell de distorsió que és acceptable amb els megàfons i PA relacionats. dispositius. A continuació s’expliquen alguns factors que contribueixen al disseny:

Modulació d'amplada de pols

El principi de la modulació de l'amplada de pols (PWM) es representa a la figura 1 següent.

El concepte és simple: el cicle de treball d’un senyal rectangular de freqüència més alta està controlat per un senyal d’entrada. El temps d’activació del pols és relatiu a l’amplitud instantània del senyal d’entrada.

La quantitat de temps d’intervenció i temps d’aturada, a més de la freqüència, és constant. Per tant, quan falta un senyal d’entrada, es produeix un senyal d’ona quadrada simètrica.

Per aconseguir una qualitat de so relativament bona, la freqüència del senyal rectangular ha de ser el doble que la freqüència més alta del senyal d’entrada.

El senyal resultant es pot utilitzar per alimentar un altaveu. La figura 4 mostra una conversió clara en el traçat de l’oscil·loscopi.

Una traça superior amb un senyal de sortida sinusoïdal i una traça inferior amb el senyal de control PWM

La traça superior mostra el senyal de sortida post-filtrat i mesurat a través de l'altaveu. L’amplitud de la resta Senyal PWM que es solapa l’ona sinusoïdal és petita.

Commutadors electrònics com a amplificadors

La figura 2 descriu el funcionament estàndard de l'amplificador PWM amb l'ajut del diagrama de blocs.

Un diagrama de blocs d’un amplificador de classe D

Suposem que quan l’entrada està curtcircuitada, canvieu Sapotències del condensador C.7amb un I actual2. Això es produeix fins que s’aconsegueix un voltatge de commutació límit superior adequat.

Després, connecta R7a terra. Després d'això, C7es descarrega a la tensió de commutació límit inferior de Sa. Com a resultat, C7i R7produeix una ona quadrada amb una freqüència de 50 kHz.

Quan s’efectua un senyal AF a l’entrada de l’amplificador, el corrent addicional I1redueix o augmenta relativament el temps de càrrega o augmenta i disminueix el temps de descàrrega.

Per tant, el senyal d’entrada modifica el factor de treball del senyal d’ona quadrada que es veu a la sortida de l’altaveu.

Hi ha dues lleis que són essencials per al funcionament bàsic de l'amplificador PWM.

  1. El primer és l’interruptor Sbes controla en S anti-faseamentre es manté l'altre terminal de l'altaveu com a tensió alternativa a la del senyal PWM.

Aquesta configuració produeix un resultat de l'etapa de sortida de potència tipus pont de commutació. Després, a cada polaritat, l'altaveu es força amb la tensió d'alimentació completa de manera que s'aconsegueix un màxim consum de corrent.

2. En segon lloc, examinem els inductors L1i L2. El propòsit dels inductors és integrar el senyal rectangular i convertir-los en sinusoïdals, tal com es mostra a la traça d'abast anterior. A més, també funcionen i suprimeixen els harmònics del senyal rectangular de 50 kHz.

Alta sortida de so amb un disseny modest

Els esquemes d’un amplificador de classe D de 4 W utilitzat per a megafonia.

A partir de l'esquema de la figura anterior, podeu identificar fàcilment els components electrònics utilitzats al diagrama de blocs.

Un grapat de peces com la resistència R1, els condensadors d'acoblament C.1i C4, control de volum P1i un amplificador basat en l'opamp A1fa la tasca de polarització d'un micròfon condensador (o electrostàtic).

Tota aquesta operació crea el segment d'entrada de l'amplificador PWM. Com s’ha comentat anteriorment, els commutadors Sai Sbestan construïts per interruptors electrònics ES1to ÉS4i parells de transistors T1-T3i T2-T4.

Les indicacions de les peces dels components electrònics que construeixen el generador PWM es relacionen amb les descrites al diagrama de blocs.

Probablement l’amplificador PWM sigui poc eficaç perquè els transistors de sortida no s’escalfen fins i tot quan s’obliguen amb una condició de disc total. En resum, hi ha pràcticament nul·la dissipació en la fase de potència.

El factor més vital que heu de tenir en compte abans de seleccionar els inductors L1i L2és que han de ser capaços de canalitzar 3 A sense saturar-se.

La consideració real d’inductància arriba només en segon lloc. Per exemple, els inductors utilitzats en aquest projecte es van obtenir a partir d’un atenuador de llum.

La finalitat dels díodes D3a D6és contenir els CEM posteriors produïts pels inductors a un valor raonablement segur.

A més, l'entrada no inversora de l'opamp A1està format per D1, C3, D2i R3. Aquesta tensió d'entrada, filtrada eficientment, és igual a la meitat de la tensió d'alimentació.

Quan s’utilitza un amplificador opamp tradicional, el guany de tensió s’assigna mitjançant un bucle de retroalimentació negativa. R4i R5configurarà el guany a 83 per assegurar-se que la sensibilitat del micròfon sigui suficient.

En cas que utilitzeu fonts de senyal d’alta impedància, R4es pot ampliar segons sigui necessari.

L1i L2causa el desplaçament de fase i, per això, la retroalimentació és possible amb l'ajuda del senyal d'ona quadrada al col·lector de T1en comparació amb el senyal de l’altaveu sinusoïdal.

Combinat amb C.5l'opamp ofereix la integració significativa del senyal de retroalimentació PWM.

El sistema de retroalimentació disminueix la distorsió de l’amplificador però no és tan extensiu que el pugueu utilitzar per a altres aplicacions a part de la megafonia.

Normalment, es requeriria un augment significatiu de la tensió d’alimentació i un disseny complicat del circuit per a un amplificador de classe D amb poca distorsió.

La implementació d’aquesta configuració dificultaria l’eficiència general del circuit. Presteu atenció a l’hora de triar els commutadors electrònics de l’amplificador, ja que els tipus HCMOS són adequats.

Un CMOS tipus 4066 és extremadament lent i inadequat per provocar un 'curtcircuit' a través de T1-T3i T2-T4. No només això, sinó que també hi ha un risc elevat de sobreesforç o fins i tot dany permanent de l’amplificador.

Amplificador PWM per a aplicacions de megàfon

Els entusiastes de l'electrònica prefereixen utilitzar l'amplificador de classe D per alimentar un altaveu de trompa perquè pot produir el so més fort per a un nivell de potència seleccionat.

Amb un paquet de bateries de 6 V i un altaveu de cambra de pressió, es va construir fàcilment el model d'amplificador.

La potència de sortida de 4 W existent es podia mesurar en un megàfon amb un rang d’àudio decent.

Es van connectar quatre bateries seques d’1,5 V o monocèl·lules alcalines en sèrie per subministrar tensió al megàfon. En cas que vulgueu utilitzar aquesta configuració amb freqüència, opteu per una bateria recarregable NiCd o tipus gel (Dryfit).

Com que el consum de corrent màxim del megàfon és de 0,7 A, un alcalí estàndard és adequat per suportar l'operació durant 24 hores a plena potència de sortida.

Si teniu previst un ús no continu, escollir un conjunt de cèl·lules seques serà més que suficient.

Tingueu en compte que, sigui quina sigui la font d'energia que utilitzeu, mai no ha de superar els 7 V.

La raó són els commutadors HCMOS a IC1no funcionaria correctament a aquest nivell de voltatge o més.

Per sort, per a l’amplificador, el llindar màxim per a la tensió d’alimentació és superior a 11 V.

A continuació es presenta el disseny de PCB per a l’amplificador de classe D PWM explicat anteriorment:

Un altre bon amplificador PWM

Un amplificador PWM ben dissenyat inclourà un generador d'ones rectangular simètric.

El cicle de treball d'aquesta ona rectangular està modulat pel senyal d'àudio.

En lloc de funcionar linealment, els transistors de sortida funcionen com a commutadors, de manera que estan totalment activats o apagats. En un estat latent, el cicle de treball de la forma d'ona és del 50%.

Això vol dir que cada transistor de sortida està completament saturat o també es coneix com a conductor, durant la mateixa durada. Com a resultat, la tensió de sortida mitjana és zero.

Això significa que si un dels commutadors es manté tancat una mica més que l’altre, el voltatge de sortida mitjà serà negatiu o positiu en funció de la polaritat del senyal d’entrada.

Per tant, podem observar que el voltatge mitjà de sortida és relacional amb el senyal d’entrada. Això es deu al fet que els transistors de sortida funcionen completament com a commutadors, de manera que hi ha una pèrdua d'energia tremendament baixa a l'etapa de sortida.

El disseny

La figura 1 representa l’esquema complet de l’amplificador PWM de classe D. Podem veure que l’amplificador PWM no necessita ser massa complex.

Amb només 12 V, l

El senyal d'àudio d'entrada s'aplica a un amplificador operatiu IC1 que funciona com a comparador. Aquesta configuració condueix un grapat de disparadors de Schmitt que estan connectats en paral·lel al circuit.

Hi són per dos motius. En primer lloc, hi ha d’haver una forma d’ona “quadrada” i, en segon lloc, es requereix el corrent d’accionament base adequat per a l’etapa de sortida. En aquesta etapa, hi ha dos transistors senzills però ràpids (BD137 / 138) instal·lats.

Tot l'amplificador oscil·la i genera una ona quadrada. El motiu és que una entrada del comparador (IC1) s’adjunta a la sortida a través d’una xarxa RC.

A més, ambdues entrades d'IC1 estan esbiaixades a la primera meitat de la tensió d'alimentació mitjançant un divisor de tensió R3 / R4.

Cada vegada que la sortida de l’IC1 és baixa i els emissors de T1 / T2 són alts, la càrrega del condensador C3 es produeix a través de la resistència R7. Al mateix temps, hi haurà un augment de la tensió a l’entrada no inversora.

Un cop aquesta tensió creixent creua el nivell d'inversió, la sortida de l'IC1 canvia de menor a major.

Com a resultat, els emissors de T1 / T2 passen de més alt a més baix. Aquesta condició permet que C3 es descarregui a través de R7 i la tensió a l’entrada més caigui per sota de la tensió a l’entrada menys.

La sortida d’IC1 també torna a un estat baix. Al final, es produeix una sortida d’ona quadrada a una freqüència decidida per R7 i C3. Els valors proporcionats generen una oscil·lació a 700 kHz.

Utilitzant un fitxer oscil·lador , podem modular la freqüència. El nivell d’entrada inversora d’IC1, que normalment s’utilitza com a referència, no es manté constant, sinó que el decideix el senyal d’àudio.

A més, l'amplitud determina el punt exacte on la sortida del comparador comença a canviar. En conseqüència, el 'gruix' de les ones quadrades es modula regularment pel senyal d'àudio.

Per garantir que l'amplificador no funcioni com a transmissor de 700 kHz, s'ha de fer un filtre a la seva sortida. Una xarxa LC / RC que comprèn L1 / C6 i C7 / R6 fa una bona feina com a filtre .

Especificacions tècniques

  • Equipat amb una càrrega de 8 ohms i una tensió d’alimentació de 12 V, l’amplificador va generar 1,6 W.
  • Quan s’utilitzen 4 ohms, la potència augmenta fins a 3 W. Per a una calor dissipada tan petita, no és necessari refredar els transistors de sortida.
  • Està demostrat que la distorsió harmònica és inusualment baixa per a un circuit simple com aquest.
  • El nivell de distorsió harmònica total va ser inferior al 0,32% des del rang mesurat de 20 Hz a 20.000 Hz.

A la figura següent, podeu veure el PCB i el disseny de les parts de l'amplificador. El temps i el cost de construir aquest circuit són molt baixos, de manera que presenta una excel·lent oportunitat per a qualsevol persona que vulgui entendre millor PWM.

PCB i disseny de peces de l’amplificador PWM.

Llista de peces

Resistències:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2,2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 ohms
P1 = Potenciometre logarítmic de 100 k
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Semiconductors:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Divers:
L1 = 39μH Inductor

Circuit d'amplificador simple de 3 transistors de classe D

L’eficàcia excepcional de l’amplificador PWM és tal que es pot produir una sortida de 3 W amb un BC107 utilitzat com a transistor de sortida. Encara millor, no requereix dissipador de calor.

L’amplificador comprèn un oscil·lador d’amplada de pols controlat per tensió que funciona al voltant de 6 kHz i aplica una etapa de sortida de classe D.

Només hi ha dos escenaris: totalment activat o completament desactivat. A causa d'això, la dissipació és increïblement petita i, per tant, produeix una alta eficiència. La forma d'ona de sortida no s'assembla a l'entrada.

Tanmateix, la integral de les formes d'ona de sortida i d'entrada són proporcionals entre si respecte al temps.

La taula de valors de components presentada mostra que es pot fabricar qualsevol amplificador amb sortides d'entre 3 W i 100 W. Tenint en compte que es poden assolir potències més fortes de fins a 1 kW.

El desavantatge és que crea al voltant del 30% de distorsió. Com a resultat, l'amplificador només es pot utilitzar per amplificar el so. És apte per a sistemes de megafonia perquè el discurs és incomprensible.

Op-Amp digital

El següent concepte mostra com utilitzar un flip flop de restabliment de conjunt bàsic que es pot aplicar IC 4013 per convertir el senyal d'àudio analògic en un senyal PWM corresponent, que es pot alimentar a una etapa MOSFET per a l'amplificació PWM desitjada.

Podeu utilitzar la meitat del paquet 4013 com a amplificador, sempre que tingueu una sortida digital amb un cicle de treball proporcional al voltatge de sortida desitjat. Sempre que necessiteu una sortida analògica, un simple filtre faria la feina.

Heu de seguir els polsos del rellotge tal com s’especifica i han de tenir una freqüència significativament superior a l’amplada de banda desitjada. El guany és R1 / R2, mentre que el temps R1R2C / (R1 + R2) ha de ser més llarg que el període dels polsos de rellotge.

Aplicacions

Hi ha moltes maneres d’utilitzar el circuit. Alguns són:

  1. Adquiriu polsos des del punt de pas zero de la xarxa elèctrica i apliqueu un triac amb la sortida. Com a resultat, ara teniu control de potència relacional sense RFI.
  2. Amb un rellotge ràpid, canvieu els transistors de controlador amb la sortida. El resultat és un amplificador d’àudio PWM d’alta eficiència.

Amplificador PWM de 30 watts

Es pot veure un diagrama de circuit per a un amplificador d’àudio de classe W de 30W al següent fitxer pdf.

Classe D de 30 watts descarregar

L'amplificador operatiu IC1 amplifica el senyal d'àudio d'entrada a través del potenciòmetre VR1 controlat per volum variable. Es genera un senyal PWM (modulació d’amplada de pols) comparant el senyal d’àudio amb un triangle de 100 kHz. Això s'aconsegueix mitjançant el comparador 1C6. La resistència RI3 s’utilitza per proporcionar retroalimentació positiva i en realitat s’introdueix C6 per millorar el temps d’operació del comparador.

La sortida del comparador commuta entre una tensió extrema de ± 7,5V. La resistència de tracció R12 ofereix + 7,5 V mentre que -7,5 V és subministrat pel transistor emissor obert intern de l’ampli operatiu IC6 al pin 1. Durant el temps en què aquest senyal passa a nivell positiu, el transistor TR1 funciona com un terminal de pica actual. Aquest dissipador de corrent provoca un augment de la caiguda de tensió a través de la resistència R16, que es converteix en el suficient per encendre el MOSFET TR3.

Quan el senyal canvia a l’extrem negatiu. TR2 es converteix en una font de corrent que condueix a una caiguda de tensió a través de R17. Aquesta caiguda és suficient per activar TR4. Bàsicament, els MOSFET TR3 i TR4 s’activen generant alternativament un senyal PWM que canvia entre +/- 15V.

En aquest moment es fa imprescindible recuperar o convertir aquest senyal PWM amplificat en una bona reproducció d'àudio que pot ser un equivalent amplificat del senyal d'àudio d'entrada.

Això s’aconsegueix creant una mitjana del cicle de treball PWM a través d’un filtre de pas baix Butterworh de tercer ordre amb una freqüència de tall (25 kHz) significativament inferior a la freqüència base del triangle.

Aquesta acció provoca una enorme atenuació a 100 kHz. La sortida final obtinguda s’espira en una sortida d’àudio que és una replicació amplificada del senyal d’àudio d’entrada.

El generador d'ones triangulars a través de la configuració del circuit 1C2 i 1C5, on IC2 funciona com un generador d'ones quadrades amb retroalimentació positiva subministrada a través de R7 i R11. Els díodes DI a D5 funcionen com una pinça bidireccional. Això fixa el voltatge a aproximadament +/- 6V.

Es crea un integrador perfecte mitjançant VR2 predefinit, condensador C5 i IC5 que transforma una ona quadrada en una ona triangular. VR2 predefinit proporciona la funció d’ajust de freqüència.

La sortida 1C5 a (pin 6) proporciona retroalimentació a 1C2, i la resistència R14 i VR3 preestablerts funcionen com a atenuador flexible que permet ajustar el nivell de l’ona triangular segons sigui necessari.

Després de realitzar el circuit complet, s’ha d’afinar VR2 i VR3 per permetre la sortida d’àudio de la màxima qualitat. Es pot utilitzar un conjunt de 741 amplificadors operatius ordinaris per a 1C4 i IC3 com a buffers de guany d’unitat per subministrar la potència de +/- 7,5 V.

Els condensadors C3, C4, C11 i C12 s’utilitzen per filtrar, mentre que la resta de condensadors s’utilitzen per desacoblar el subministrament.

El circuit pot reduir la potència amb una font d'alimentació dual de +/- 15V CC, que serà capaç de conduir un altaveu de 30W 8 ohms a través de l'escenari LC mitjançant el condensador C13 i l'inductor L2. Tingueu en compte que probablement siguin necessaris dissipadors de calor modestos per a MOSFET TR3 i TR4.




Anterior: Circuit controlador de velocitat de la màquina de trepar ajustable Següent: Circuit del detector de moviment mitjançant l’efecte Doppler