4 Effektiva PWM-förstärkarkretsar förklarade

Ljudförstärkare som är utformade för att förstärka en analog ljudsignal genom pulsbreddsmodulering eller PWM-bearbetning och med justerbar arbetscykel är känt av många namn inklusive digital förstärkare, klass-D-förstärkare, omkopplad förstärkare och PWM-förstärkare.

Eftersom det kan prestera med hög effektivitet, a Klass-D-förstärkare har blivit ett favoritkoncept för mobila och allmänna adresser där distorsion är försumbar.

Varför PWM-förstärkare är så effektiva

Det beror på att de konverterar den analoga ljudsignalen till motsvarande PWM-modulerat innehåll. Denna modulerade PWM-ljudsignal förstärks effektivt av utgångsenheterna som MOSFET eller BJT och konverteras sedan tillbaka till högeffektiv analog version med speciella induktorer över de anslutna högtalarna.

Vi vet det halvledare enheter som MOSFET och BJT 'gillar inte' att hanteras i odefinierade områden av en insignal och tenderar att bli heta. Till exempel a MOSFET kommer inte att sättas på ordentligt när grindsignalerna är under 8V och BJT: er svarar inte korrekt vid under 0,5 V basenhet, vilket resulterar i hög mängd värmeavledning genom kroppens kylfläns.

Analoga signaler som är exponentiella till sin natur tvingar ovanstående enheter att arbeta med obekväma och ogynnsamma långsamma stigningar och långsamma fallpotentialer, vilket orsakar hög värmeavledning och större ineffektivitet.

PWM förstärkningskoncept däremot, låt dessa enheter fungera genom att antingen slå dem helt PÅ eller stänga av dem helt utan mellanliggande odefinierade potentialer. På grund av detta utstrålar enheterna ingen värme och ljudförstärkningen återges med hög effektivitet och minimala förluster.

Fördelar med digital förstärkare jämfört med linjär förstärkare

• Digitala eller PWM-förstärkare använder PWM-bearbetning och därför förstärker utgångsenheterna signalerna med minimal värmeavledning. Linjära förstärkare använder design av emitterföljare och släpper ut mycket värme under ljudförstärkning.
• Digitala förstärkare kan fungera med mindre antal uteffektenheter jämfört med linjära förstärkare.
• På grund av minimal värmeavledning krävs ingen kylfläns eller mindre kylflänsar jämfört med linjära förstärkare som är beroende av stora kylflänsar.
• Digitala PWM-förstärkare är billigare, lättare och mycket effektiva jämfört med linjära förstärkare.
• Digitala förstärkare kan fungera med mindre strömförsörjningsingångar än linjära förstärkare.

I det här inlägget drivs den första PWM-effektförstärkaren nedan av ett 6 V-batteri och genererar upp till 5 W uteffekt. Med tanke på dess uppenbara utgångskapacitet finns PWM-förstärkaren ofta i megafoner.

Ett vanligt problem med mobila AF-förstärkare är att det på grund av deras lågeffektivitetsegenskap är svårt att producera hög effekt från en låg matningsspänning.

Emellertid har PWM-förstärkaren i vår diskussion nästan 100% effektivitet vid en distorsionsnivå som är acceptabel med megafoner och tillhörande P.A. enheter. Några faktorer som bidrar till designen förklaras nedan:

Pulsbreddsmodulering

Principen för pulsbreddsmodulering (PWM) återges i figur 1 nedan.

Konceptet är enkelt: arbetscykeln för en rektangulär signal med högre frekvens styrs av en insignal. Pulsens inkopplingstid är relativt insignalens momentana amplitud.

Mängden on-time och off-time utöver frekvensen är konstant. Därför, när en ingångssignal saknas, alstras en symmetrisk fyrkantvågssignal.

För att uppnå relativt bra ljudkvalitet måste frekvensen hos den rektangulära signalen vara dubbelt än den högsta frekvensen i insignalen.

Den resulterande signalen kan användas för att driva en högtalare. Figur 4 visar en tydlig omvandling i oscilloskopspåret.

Det övre spåret visar utsignalen efterfiltrering och mäts över högtalaren. Resterande amplitud PWM-signal som överlappar sinusvågen är liten.

Elektroniska omkopplare som förstärkare

Figur 2 beskriver PWM-förstärkarens standarddrift med hjälp av blockschemat.

Låt oss anta att ingången är kortsluten, växla S_tilldriver kondensator C₇med ett nuvarande jag_två. Detta inträffar tills en lämplig övre gränsomkopplingsspänning uppnås.

Sedan ansluter den R₇Till marken. Därefter C₇är urladdad till den nedre gränsomkopplingsspänningen för S_till. Som ett resultat, C₇och R₇producerar en fyrkantig våg med en frekvens på 50 kHz.

När en AF-signal matas ut till förstärkarens ingång, kommer den extra strömmen I.₁minskar eller ökar laddningstiden relativt, eller ökar och minskar urladdningstiden.

Så, ingångssignalen modifierar arbetsfaktorn för fyrkantvågssignalen som ses vid högtalarens utgång.

Det finns två lagar som är väsentliga för PWM-förstärkarens grundläggande funktion.

1. Den första är omkopplare S_bstyrs i antifas med S_tillmedan du håller den andra högtalaranslutningen som en alternativ spänning till PWM-signalens.

Denna inställning ger ett resultat av strömutgångssteget för brytande bryggtyp. Därefter tvingas högtalaren vid varje polaritet med full matningsspänning så att maximal strömförbrukning uppnås.

2. För det andra tittar vi på induktorer L₁och jag_två. Syftet med induktorerna är att integrera den rektangulära signalen och konvertera dem till sinusformad som visas i omfångsspåret tidigare. Dessutom fungerar de också och övertoner dämpare av 50 kHz rektangulär signal.

Hög ljudutgång från en blygsam design

Från schemat i figuren ovan kan du enkelt identifiera de elektroniska komponenter som används i blockschemat.

En handfull delar som motstånd R1, kopplingskondensatorer C₁och C₄, volymkontroll P₁och en förstärkare baserad på opamp A₁gör förspänningsjobbet för en kondensator (eller elektrostatisk) mikrofon.

Hela denna operation skapar ingångssegmentet för PWM-förstärkaren. Som diskuterats tidigare växlar S_tilloch S_bär byggda av elektroniska brytare ES₁till ES₄och transistorpar T₁-T₃och t_två-T₄.

Delindikationerna för de elektroniska komponenterna som konstruerar PWM-generatorn avser de som beskrivs i blockschemat.

Förmodligen är PWM-förstärkaren ovanligt effektiv eftersom utgångstransistorerna inte värms upp även när de tvingas med ett all-drive-tillstånd. Kort sagt, det finns praktiskt taget nollförlust i effektutgångssteget.

Den viktigaste faktorn du måste tänka på innan du väljer induktorer L₁och jag_tvåär att de måste kunna kanalisera 3 A utan att bli mättade.

Den faktiska induktansövervägandet kommer bara på andra plats. Till exempel erhölls induktorerna som användes i detta projekt från en ljusdimmer.

Syftet med dioder D₃till D₆är att innehålla den bakre EMF som produceras av induktorerna till ett rimligt säkert värde.

Dessutom är den icke-inverterande ingången för opamp A₁bildas av D₁, C₃, D_tvåoch R₃. Denna ingångsspänning, effektivt filtrerad, är lika med halva matningsspänningen.

När du använder en traditionell opampförstärkare tilldelas spänningsförstärkningen av en negativ återkopplingsslinga. R₄och R₅ställer in förstärkningen till 83 för att säkerställa tillräcklig mikrofonkänslighet.

Om du använder signaler med hög impedans, R₄kan förstärkas efter behov.

L₁och jag_tvåorsaka fasförskjutningen och därför är återkoppling möjlig med hjälp av fyrkantvågssignalen vid samlaren av T₁jämfört med den sinusformade högtalarsignalen.

Kombinerat med C₅opamp levererar den signifikanta integrationen av PWM-återkopplingssignalen.

Återkopplingssystemet minskar förstärkarens distorsion men inte så omfattande att du kan använda den för andra applikationer förutom den offentliga adressen.

Normalt krävs en signifikant ökad mängd matningsspänning och en komplicerad kretsdesign för en klass-D-förstärkare med låg distorsion.

Genomförandet av denna inställning skulle hämma kretsens totala effektivitet. Var uppmärksam när du väljer elektroniska omkopplare i förstärkaren eftersom HCMOS-typer är lämpliga.

En typisk CMOS typ 4066 är extremt trög och olämplig för att utlösa en 'kortslutning' över T₁-T₃och t_två-T₄. Inte bara det, men det finns också en ökad risk för överansträngning eller till och med permanent skada förstärkaren.

PWM-förstärkare för megafonapplikation

Elektroniska entusiaster föredrar att använda klass-D-förstärkaren för att driva en högtalare av horntyp eftersom den kan producera det högsta ljudet för en vald effektnivå.

Med hjälp av ett 6 V batteripaket och en högtalare för tryckkammare konstruerades förstärkarmodellen enkelt.

Den befintliga 4 W uteffekten var mätbar i en megafon med anständigt ljudområde.

Fyra 1,5 V-torrbatterier eller alkaliska monoceller anslöts i serie för matningsspänning till megafonen. Om du vill använda denna inställning ofta väljer du ett uppladdningsbart NiCd- eller gel-typ (Dryfit) -batteri.

Eftersom megafonens maximala strömförbrukning är 0,7 A, är en alkalisk standard lämplig för att stödja driften i 24 timmar med full uteffekt.

Om du planerar för icke-kontinuerlig användning är det mer än tillräckligt att välja en uppsättning torra celler.

Tänk på att oavsett vilken strömkälla du använder får den aldrig passera mer än 7 V.

Anledningen är HCMOS-omkopplarna i IC₁skulle inte fungera korrekt på den spänningsnivån eller mer.

Lyckligtvis, för förstärkaren, är den maximala tröskeln för matningsspänning större än 11 ​​V.

PCB-design för ovan beskrivna PWM klass-D-förstärkare ges nedan:

En annan bra PWM-förstärkare

En väl utformad PWM-förstärkare kommer att bestå av en symmetrisk rektangulär våggenerator.

Arbetscykeln för denna rektangulära våg moduleras av ljudsignalen.

I stället för att arbeta linjärt fungerar utgångstransistorerna som omkopplare, så de är antingen helt på eller av. I vilande tillstånd är vågformens arbetscykel 50%.

Det betyder att varje utgångstransistor är helt mättad eller också känd som ledande under samma varaktighet. Som ett resultat är den genomsnittliga utspänningen noll.

Det betyder att om en av omkopplarna förblir stängd lite längre än den andra kommer den genomsnittliga utspänningen antingen att vara negativ eller positiv beroende på insignalens polaritet.

Därför kan vi observera att den genomsnittliga utspänningen är relationell till insignalen. Detta beror på att utgångstransistorerna fungerar helt som omkopplare, så det finns oerhört låg effektförlust i utgångssteget.

Designen

Figur 1 visar hela schemat för klass-PWM-förstärkaren. Vi kan se att PWM-förstärkaren inte behöver vara för komplex.

Ingångssignalen matas till en op-amp IC1 som fungerar som en komparator. Denna inställning leder en handfull Schmitt-utlösare som är anslutna parallellt med kretsen.

De är där av två skäl. För det första måste det finnas en 'fyrkantig' vågform och för det andra krävs tillräcklig basdrivström för utgångssteget. I det här steget finns två enkla men snabba transistorer (BD137 / 138) installerade.

Hela förstärkaren svänger och genererar en fyrkantig våg. Anledningen är att en ingång från komparatorn (IC1) är ansluten till utgången via ett RC-nätverk.

Vidare är båda ingångarna på IC1 förspända till den första halvan av matningsspänningen genom att använda en spänningsdelare R3 / R4.

Varje gång IC1: s utgång är låg och emitterna för T1 / T2 är höga sker laddning av kondensator C3 genom motstånd R7. Samtidigt kommer det att öka spänningen vid den icke-inverterande ingången.

När den här eskalerande spänningen passerar nivån för inverterande putt, byts ut från IC1 från låg till hög.

Följaktligen vänder sändarna från T1 / T2 från hög till låg. Detta tillstånd gör att C3 kan urladdas genom R7 och spänningen vid plusingången sjunker under spänningen vid minusingången.

Utgången från IC1 återgår också till ett lågt tillstånd. I slutändan produceras en kvadratvågseffekt med en frekvens bestämd av R7 och C3. De angivna värdena genererar en svängning vid 700 kHz.

Använda en oscillator , vi kan modulera frekvensen. Den inverterande ingångens IC1-nivå som vanligtvis används som referens förblir inte konstant utan bestäms av ljudsignalen.

Vidare bestämmer amplituden den exakta punkten där utgången från komparatorn börjar förändras. Följaktligen moduleras 'tjockleken' på fyrkantvågorna regelbundet av ljudsignalen.

För att säkerställa att förstärkaren inte fungerar som en 700 kHz-sändare måste filtreringen utföras vid dess utgång. Ett LC / RC-nätverk som består av L1 / C6 och C7 / R6 gör ett bra jobb som en filtrera .

Tekniska specifikationer

• Utrustad med en belastning på 8 ohm och 12 V matningsspänning genererade förstärkaren 1,6 W.
• Vid användning av 4 ohm ökade effekten till 3 W. För sådan liten avledande värme krävs inte kylning av utgångstransistorerna.
• Det är bevisat att den harmoniska förvrängningen är ovanligt låg för en enkel krets som denna.
• Total harmonisk distorsionsnivå var lägre än 0,32% från det uppmätta området 20 Hz till 20 000 Hz.

I figuren nedan kan du se kretskortet och utformningen av delar till förstärkaren. Tiden och kostnaden för att bygga denna krets är mycket låga, så det ger en utmärkt chans för alla som vill bli bättre på att förstå PWM.

Dellista

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

Diverse:
L1 = 39μH Induktor

Enkel 3 Transistor klass-D förstärkarkrets

Den enastående effektiviteten hos PWM-förstärkaren är sådan att en uteffekt på 3 W kan produceras med en BC107 som används som utgångstransistor. Ännu bättre, det kräver ingen kylfläns.

Förstärkaren består av en spänningsstyrd pulsbreddoscillator som arbetar vid cirka 6 kHz och verkställer ett klass D-utgångssteg.

Det finns bara två scenarier - fullt på eller helt av. På grund av detta är avledningen otroligt liten och ger därför hög effektivitet. Utgångsvågformen ser inte ut som ingången.

Integralen av utgångs- och ingångsvågformerna är emellertid proportionell mot varandra i förhållande till tiden.

Den presenterade tabellen över komponentvärden visar att alla förstärkare med utgångar mellan 3 W och 100 W kan tillverkas. Mot bakgrund av detta kan starkare effekt upp till 1 kW uppnås.

Nackdelen är att den skapar cirka 30% av snedvridningen. Som ett resultat kan förstärkaren endast användas för ljudförstärkning. Det är lämpligt för talanläggningar på grund av att talet är otroligt förståeligt.

Digital Op-Amp

Följande koncept visar hur man använder en grundläggande set-reset-flip-flop IC 4013 kan tillämpas för omvandling av analog ljudsignal till motsvarande PWM-signal, som kan vidare matas till ett MOSFET-steg för den önskade PWM-förstärkningen.

Du kan använda hälften av 4013-paketet som en förstärkare som tillhandahåller en digital utgång med en arbetscykel som är proportionell mot önskad utspänning. När du behöver en analog utgång skulle ett enkelt filter göra jobbet.

Du måste följa klockpulserna enligt specifikation och dessa måste ha betydligt högre frekvens än önskad bandbredd. Förstärkningen är R1 / R2 medan tiden R1R2C / (R1 + R2) måste vara längre än klockpulsernas period.

Applikationer

Det finns många sätt som kretsen kan användas. Några är:

1. Skaffa pulser från elnätets nollkorsningspunkt och genomdriva en triac med utgången. Som ett resultat har du nu relationskraftkontroll utan RFI.
2. Använd en snabb klocka för att byta drivtransistorer med utgången. Resultatet är en mycket effektiv PWM-ljudförstärkare.

30 watt PWM-förstärkare

Ett kretsschema för en 30W klass -D ljudförstärkare kan ses i följande pdf-fil.

Operationsförstärkaren IC1 förstärker ingångssignalen genom variabel volymstyrd potentiometer VR1. En PWM-signal (pulsbreddsmodulation) genereras genom att jämföra ljudsignalen med en 100 kHz triangeln. Detta åstadkommes genom komparatorn 1C6. Motstånd RI3 används för att ge positiv feedback och C6 införs faktiskt för att förbättra komparatorns driftstid.

Komparatorutgången växlar mellan en extrem spänning på ± 7,5V. Upptagsmotståndet R12 erbjuder + 7,5 V medan -7,5 V levereras av op amp IC6: s interna öppna emittertransistor vid stift 1. Under den tid denna signal går till positiv nivå fungerar transistorn TR1 som en aktuell sänkterminal. Denna nuvarande sänkning orsakar en ökning av spänningsfallet över motståndet R16, vilket blir precis tillräckligt för att slå på MOSFET TR3.

När signalen växlar till negativ extrem. TR2 förvandlas till en strömkälla som leder till ett spänningsfall över R17. Denna nedgång blir bara tillräcklig för att slå PÅ TR4. I grund och botten utlöses MOSFET TR3 och TR4 växelvis och genererar en PWM-signal som växlar mellan +/- 15V.

Vid denna tidpunkt blir det viktigt att hämta eller konvertera denna förstärkta PWM-signal till den goda ljudåtergivningen som kan vara en förstärkt ekvivalent av ingångssignalen.

Detta åstadkommes genom att skapa ett medelvärde för PWM-arbetscykeln genom ett 3: e ordens Butterworh lågpassfilter med en avstängningsfrekvens (25 kHz) betydligt under triangelns basfrekvens.

Denna åtgärd leder till enorm dämpning vid 100 kHz. Den erhållna slututgången sprider sig till en ljudutgång som är en förstärkt replikering av ingångssignalen.

Triangelvåggeneratorn genom kretskonfigurationen 1C2 och 1C5, där IC2 fungerar som en fyrkantvågsgenerator med positiv återkoppling via R7 och R11. Dioder DI till D5 fungerar som en dubbelriktad klämma. Detta fixerar spänningen till ungefär +/- 6V.

En perfekt integrator skapas genom förinställd VR2, kondensator C5 och IC5 som förvandlar en fyrkantvåg till en triangelvåg. Förinställd VR2 tillhandahåller funktionen för justering av freqeuncy.

1C5-utgången vid (stift 6) levererar återkoppling till 1C2, och motståndet R14 och förinställd VR3 fungerar som flexibel dämpare som tillåter att nivån på triangelvågen justeras efter behov.

Efter full krets måste VR2 och VR3 finjusteras för att möjliggöra högsta kvalitet på ljudutgången. En uppsättning vanliga 741 op-förstärkare för 1C4 och IC3 kan användas som enhetsförstärkningsbuffertar för att leverera +/- 7,5 V-effekten.

Kondensatorer C3, C4, C11 och C12 används för filtrering medan resten av kondensatorerna används för att koppla bort matningen.

Kretsen kan strömförsörjas med en dubbel +/- 15V DC-strömförsörjning, som kommer att kunna driva en 30W 8 ohm högtalare genom LC-steget med kondensator C13 och induktor L2. Observera att blygsamma kylflänsar troligen kan vara nödvändiga för MOSFET TR3 och TR4.