4 Litar Penguat PWM yang cekap dijelaskan

Cuba Instrumen Kami Untuk Menghapuskan Masalah





Penguat audio yang dirancang untuk menguatkan isyarat audio analog melalui modulasi lebar nadi atau pemprosesan PWM dan dengan kitaran tugas yang dapat disesuaikan dikenali dengan banyak nama termasuk penguat digital, penguat Kelas-D, penguat beralih dan penguat PWM.

Kerana dapat melakukan dengan kecekapan tinggi, a Penguat kelas-D telah menjadi konsep kegemaran untuk aplikasi alamat mudah alih dan awam di mana penyelewengan diabaikan.



Mengapa Penguat PWM begitu Efisien

Ini kerana mereka menukar isyarat audio analog menjadi kandungan modulasi PWM yang setara. Sinyal audio PWM yang dimodulasi ini diperkuat dengan cekap oleh peranti output seperti MOSFET atau BJT dan kemudian ditukar semula menjadi versi analog berkuasa tinggi menggunakan induktor khas merentasi pembesar suara yang disambungkan.

Kami tahu itu semikonduktor peranti seperti MOSFET, dan BJT 'tidak suka' dikendalikan di kawasan yang tidak ditentukan dari isyarat input dan cenderung menjadi panas. Contohnya a MOSFET tidak akan dihidupkan dengan betul apabila isyarat gerbang berada di bawah 8V, dan BJT tidak akan bertindak balas dengan betul pada pemacu asas di bawah 0.5 V, mengakibatkan jumlah pelesapan haba yang tinggi melalui pendingin badan mereka.



Isyarat analog yang secara eksponensial memaksa peranti di atas berfungsi dengan potensi kenaikan dan kejatuhan perlahan yang tidak selesa dan tidak menyenangkan, menyebabkan pelesapan haba yang tinggi dan ketidakcekapan yang lebih besar.

PWM konsep penguat sebaliknya, membenarkan peranti ini berfungsi dengan mematikannya sepenuhnya atau mematikannya sepenuhnya, tanpa potensi yang tidak ditentukan antara. Oleh kerana itu, peranti tidak memancarkan panas dan penguat audio diberikan dengan kecekapan tinggi dan kerugian minimum.

Kelebihan Digital Amplifier Berbanding dengan Linear Amplifier

  • Penguat digital atau PWM menggunakan pemprosesan PWM dan oleh itu peranti output menguatkan isyarat dengan pelesapan haba minimum. Penguat linier menggunakan reka bentuk pengikut pemancar dan menghilangkan jumlah haba yang tinggi semasa penguatan bunyi.
  • Penguat digital boleh berfungsi dengan bilangan peranti kuasa keluaran yang lebih sedikit berbanding dengan penguat linier.
  • Oleh kerana pelesapan haba yang minimum, tidak diperlukan pendingin panas atau heatsink yang lebih kecil, berbanding dengan amp linear yang bergantung pada heatsink besar.
  • Penguat PWM digital lebih murah, lebih ringan, dan sangat efisien berbanding dengan penguat linier.
  • Amp digital boleh beroperasi dengan input bekalan kuasa yang lebih kecil daripada penguat linier.

Dalam catatan ini, penguat kuasa PWM pertama di bawah dikendalikan oleh bateri 6 V dan menghasilkan kuasa output hingga 5W. Memandangkan kapasiti keluarannya yang terang-terangan, penguat PWM sering dijumpai dalam megafon.

Masalah umum dengan penguat AF mudah alih adalah kerana sifat kecekapan rendahnya, sukar untuk menghasilkan kuasa tinggi dari voltan bekalan rendah.

Walau bagaimanapun, penguat PWM dalam perbincangan kami mempunyai kecekapan hampir 100% pada tahap distorsi yang boleh diterima dengan megaphones dan P.A yang berkaitan. peranti. Beberapa faktor yang menyumbang kepada reka bentuk dijelaskan di bawah:

Modulasi lebar nadi

Prinsip Pulse Width Modulation (PWM) ditunjukkan dalam Rajah 1 di bawah.

Konsepnya mudah: kitaran tugas isyarat segiempat dengan frekuensi yang lebih tinggi dikendalikan oleh isyarat input. Waktu menghidupkan nadi adalah relatif kepada amplitud seketika isyarat input.

Jumlah masa dan waktu rehat selain frekuensi adalah tetap. Oleh itu, apabila isyarat input hilang, isyarat gelombang persegi simetri dihasilkan.

Untuk mencapai kualiti bunyi yang agak baik, frekuensi isyarat segi empat tepat mestilah dua kali ganda daripada frekuensi tertinggi dalam isyarat input.

Isyarat yang dihasilkan boleh digunakan untuk menghidupkan pembesar suara. Rajah 4 menunjukkan penukaran yang jelas dalam jejak osiloskop.

Jejak atas dengan isyarat output sinusoidal dan jejak bawah dengan isyarat kawalan PWM

Jejak atas menunjukkan isyarat output selepas penapisan dan diukur pada pembesar suara. Amplitudo selebihnya Isyarat PWM yang bertindih gelombang sinus kecil.

Suis Elektronik sebagai Penguat

Rajah 2 menerangkan operasi standard penguat PWM dengan bantuan gambarajah blok.

Gambarajah blok penguat kelas-D

Mari kita anggap apabila inputnya dilitar pintas, beralih Skekapasitor kuasa C7dengan I semasadua. Ini berlaku sehingga voltan pensuisan had atas yang sesuai dicapai.

Kemudian, ia menghubungkan R7ke tanah. Selepas itu, C7dilepaskan ke voltan beralih had bawah Ske. Akibatnya, C7dan R7menghasilkan gelombang persegi dengan frekuensi 50 kHz.

Apabila isyarat AF dibuat ke input penguat, arus tambahan I1secara relatif mengurangkan atau meningkatkan masa pengecasan, atau menambah dan mengurangkan masa pengosongan.

Oleh itu, isyarat input mengubah faktor tugas isyarat gelombang persegi yang dilihat pada output pembesar suara.

Terdapat dua undang-undang yang penting untuk operasi asas penguat PWM.

  1. Yang pertama ialah suis Sbdikawal dalam fasa anti dengan Skesambil memegang terminal pembesar suara yang lain sebagai voltan alternatif daripada isyarat PWM.

Penyediaan ini menghasilkan hasil tahap output kuasa jenis jambatan beralih. Selepas itu, pada setiap kekutuban, pembesar suara dipaksa dengan voltan bekalan penuh sehingga penggunaan arus maksimum dicapai.

2. Kedua, kita melihat induktor L1dan Ldua. Tujuan induktor adalah untuk menyatukan isyarat segi empat tepat dan mengubahnya menjadi sinusoidal seperti yang ditunjukkan dalam jejak skop sebelumnya. Selanjutnya, mereka juga berfungsi dan menghambat harmonik isyarat segi empat tepat 50 kHz.

Output Bunyi Tinggi dari Reka Bentuk Sederhana

Skema penguat kelas-D 4 W yang digunakan untuk tujuan alamat awam.

Dari skema pada rajah di atas, anda dapat mengenal pasti komponen elektronik yang digunakan dalam rajah blok dengan mudah.

Sebilangan kecil bahagian seperti perintang R1, kapasitor gandingan C1dan C4, kawalan kelantangan P1dan penguat yang berpusat di sekitar opamp A1melakukan kerja bias untuk mikrofon kapasitor (atau elektrostatik).

Keseluruhan operasi ini mewujudkan segmen input penguat PWM. Seperti yang dibincangkan sebelumnya, suis Skedan Sbdibina oleh suis elektronik ES1kepada ES4dan pasangan transistor T1-T3dan Tdua-T4.

Petunjuk bahagian untuk komponen elektronik yang membina penjana PWM berkaitan dengan yang dijelaskan dalam rajah blok.

Mungkin penguat PWM jarang efisien kerana transistor output tidak dipanaskan walaupun terpaksa dengan keadaan semua pemacu. Ringkasnya, praktiknya ada pembuangan sifar pada tahap output kuasa.

Faktor paling penting yang perlu anda pertimbangkan sebelum memilih induktor L1dan Lduaadalah bahawa mereka mesti dapat menyalurkan 3 A tanpa menjadi tepu.

Pertimbangan induktansi sebenarnya hanya datang kedua. Sebagai contoh, induktor yang digunakan dalam projek ini diperoleh dari peredup cahaya.

Tujuan dioda D3kepada D6adalah untuk menahan EMF belakang yang dihasilkan oleh induktor ke nilai yang cukup selamat.

Lebih-lebih lagi, input tidak terbalik opamp A1dibentuk oleh D1, C3, Dduadan R3. Voltan input ini, ditapis dengan cekap, sama dengan separuh voltan bekalan.

Semasa menggunakan penguat opamp tradisional, kenaikan voltan diberikan oleh gelung maklum balas negatif. R4dan R5akan menetapkan kenaikan kepada 83 untuk memastikan kepekaan mikrofon yang mencukupi.

Sekiranya anda menggunakan sumber isyarat impedans tinggi, R4dapat diperkuat mengikut keperluan.

L1dan Lduamenyebabkan peralihan fasa dan kerana itu, maklum balas dapat dilakukan dengan bantuan isyarat gelombang persegi pada pemungut T1berbanding dengan isyarat pembesar suara sinusoidal.

Digabungkan dengan C5opamp memberikan integrasi ketara isyarat maklum balas PWM.

Sistem maklum balas mengurangkan penyelewengan penguat tetapi tidak begitu meluas sehingga anda mungkin menggunakannya untuk aplikasi lain selain alamat awam.

Biasanya, jumlah voltan bekalan yang meningkat dengan ketara dan reka bentuk litar yang rumit diperlukan untuk penguat Kelas-D dengan distorsi rendah.

Melaksanakan penyediaan ini akan mengganggu kecekapan keseluruhan litar. Perhatikan ketika memilih suis elektronik di penguat kerana jenis HCMOS adalah yang sesuai.

CMOS Type 4066 khas sangat lembap dan tidak sesuai untuk mencetuskan 'litar pintas' di T1-T3dan Tdua-T4. Bukan hanya itu, tetapi ada juga risiko kerja berlebihan atau merosakkan penguat secara kekal.

PWM Amplifier untuk Aplikasi Megaphone

Peminat elektronik lebih suka menggunakan penguat kelas-D untuk menghidupkan pembesar suara jenis tanduk kerana ia dapat menghasilkan suara yang paling kuat untuk tahap kuasa yang dipilih.

Dengan menggunakan pek bateri 6 V dan pembesar suara ruang tekanan, model penguatnya mudah dibina.

Kekuatan output 4 W yang ada dapat diukur dalam megafon dengan jangkauan audio yang baik.

Empat bateri kering 1.5 V atau monosel alkali dihubungkan secara bersiri untuk membekalkan voltan untuk megaphone. Sekiranya anda ingin kerap menggunakan persediaan ini, pilih bateri NiCd atau gel (Dryfit) yang boleh dicas semula.

Oleh kerana penggunaan megaphone maksimum semasa adalah 0.7 A, alkali standard sesuai untuk menyokong operasi selama 24 jam pada kuasa output penuh.

Sekiranya anda merancang untuk penggunaan tidak berterusan, memilih satu set sel kering akan lebih daripada cukup.

Perlu diingat bahawa apa sahaja sumber kuasa yang anda gunakan, ia tidak boleh melebihi 7 V.

Sebabnya ialah pertukaran HCMOS di IC1tidak berfungsi dengan baik pada tahap voltan atau lebih.

Nasib baik, untuk penguat, ambang maksimum voltan bekalan lebih besar daripada 11 V.

Reka bentuk PCB untuk penguat PWM kelas-D yang dijelaskan di atas diberikan di bawah:

Satu lagi Penguat PWM yang Baik

Penguat PWM yang dirancang dengan baik akan terdiri daripada penjana gelombang segi empat tepat simetris.

Kitaran tugas gelombang segi empat ini dimodulasi oleh isyarat audio.

Daripada beroperasi secara linier, transistor output beroperasi sebagai suis, jadi mereka hidup atau mati sepenuhnya. Dalam keadaan tidak aktif, kitaran tugas bentuk gelombang adalah 50%.

Ini bermaksud setiap transistor output tepu sepenuhnya atau juga dikenali sebagai pengalir, untuk jangka masa yang sama. Akibatnya, voltan keluaran purata adalah sifar.

Ini bermaksud jika salah satu suis ditutup sedikit lebih lama daripada yang lain, voltan keluaran rata-rata sama ada negatif atau positif bergantung pada kekutuban isyarat input.

Oleh itu, kita dapat melihat bahawa voltan keluaran rata-rata adalah berkaitan dengan isyarat input. Ini kerana transistor output berfungsi sepenuhnya sebagai suis, oleh itu terdapat kehilangan daya yang sangat rendah pada tahap output.

Rekaan

Rajah 1 menggambarkan keseluruhan skema penguat PWM kelas-D. Kita dapat melihat penguat PWM tidak perlu terlalu kompleks.

Dengan hanya 12 V, penguat PWM berayun sendiri akan menghasilkan 3 W menjadi 4 ohm.

Isyarat audio input diterapkan pada op-amp IC1 yang berfungsi sebagai pembanding. Persediaan ini membawa segelintir pencetus Schmitt yang disambungkan selari dengan litar.

Mereka berada di sana kerana dua sebab. Pertama, mesti ada bentuk gelombang 'persegi' dan kedua, arus pemacu asas yang mencukupi diperlukan untuk tahap output. Pada peringkat ini, terdapat dua transistor sederhana namun pantas (BD137 / 138) yang dipasang.

Seluruh penguat berayun dan menghasilkan gelombang persegi. Sebabnya ialah satu input dari pembanding (IC1) dilampirkan ke output melalui rangkaian RC.

Selanjutnya, kedua-dua input IC1 dibahagi kepada separuh pertama voltan bekalan dengan menggunakan pembahagi voltan R3 / R4.

Setiap kali output IC1 rendah dan pemancar T1 / T2 tinggi, pengisian kapasitor C3 berlaku melalui perintang R7. Pada masa yang sama, akan berlaku kenaikan voltan pada input tidak terbalik.

Setelah voltan meningkat ini melepasi tahap putaran pembalik, arus keluar IC1 bertukar dari rendah ke tinggi.

Hasilnya, pemancar T1 / T2 berubah dari tinggi ke rendah. Keadaan ini membolehkan C3 melepaskan melalui R7 dan voltan pada input tambah merosot di bawah voltan pada input tolak.

Output IC1 juga kembali ke keadaan rendah. Pada akhirnya, output gelombang persegi dihasilkan pada frekuensi yang diputuskan oleh R7 dan C3. Nilai yang disediakan menghasilkan ayunan pada 700 kHz.

Menggunakan pengayun , kita dapat memodulasi frekuensi. Tahap input IC1 yang terbalik yang biasanya digunakan sebagai rujukan tidak tetap berterusan tetapi diputuskan oleh isyarat audio.

Selanjutnya, amplitud menentukan titik tepat di mana output pembanding mula berubah. Akibatnya, 'ketebalan' gelombang persegi dimodulasi secara teratur oleh isyarat audio.

Untuk memastikan penguat tidak berfungsi sebagai pemancar 700 kHz, penyaringan mesti dilakukan pada outputnya. Rangkaian LC / RC yang terdiri daripada L1 / C6 dan C7 / R6 melakukan pekerjaan yang baik sebagai tapis .

Spesifikasi teknikal

  • Dilengkapi dengan beban voltan 8 ohm dan 12 V, penguat menghasilkan 1.6 W.
  • Apabila digunakan 4 ohm, daya meningkat menjadi 3 W. Untuk haba yang dilupuskan sekecil itu, penyejukan output tidak diperlukan.
  • Terbukti bahawa penyelewengan harmonik sangat rendah untuk litar sederhana seperti ini.
  • Jumlah tahap penyelewengan harmonik lebih rendah daripada 0.32% dari julat yang diukur dari 20 Hz hingga 20,000 Hz.

Pada gambar di bawah, anda dapat melihat PCB dan susun atur bahagian untuk penguat. Masa dan kos membina litar ini sangat rendah sehingga memberikan peluang yang sangat baik bagi sesiapa yang ingin menjadi lebih baik dalam memahami PWM.

PCB dan susun atur bahagian penguat PWM.

Senarai Bahagian

Perintang:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8.2 Ohm
P1 = Potensiometer logaritma 100k
Penjajah;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Semikonduktor:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Pelbagai:
L1 = 39μH Induktor

Litar Penguat Kelas-3 Transistor Sederhana

Kecekapan luar biasa penguat PWM sedemikian rupa sehingga output 3 W dapat dihasilkan dengan BC107 yang digunakan sebagai transistor output. Lebih baik lagi, ia tidak memerlukan heatsink.

Penguat terdiri daripada pengayun lebar denyut terkawal yang beroperasi pada sekitar 6 kHz dan menguatkan tahap output kelas-D.

Hanya ada dua senario - penuh atau mati sepenuhnya. Oleh kerana itu, penyebarannya sangat kecil dan seterusnya menghasilkan kecekapan tinggi. Bentuk gelombang output tidak seperti input.

Walau bagaimanapun, gabungan bentuk gelombang output dan input berkadar antara satu sama lain berbanding masa.

Jadual nilai komponen yang ditunjukkan menunjukkan bahawa mana-mana penguat dengan output antara 3 W hingga 100 W dapat dibuat. Oleh itu, kuasa yang lebih kuat hingga 1 kW dapat dicapai.

Kelemahannya adalah bahawa ia menimbulkan sekitar 30% penyelewengan. Akibatnya, penguat hanya dapat digunakan untuk penguat suara sahaja. Sangat sesuai untuk sistem alamat awam kerana ucapannya sangat mudah difahami.

Op-Amp Digital

Konsep berikut menunjukkan cara menggunakan set semula set semula flip flop IC 4013 yang dapat diterapkan untuk menukar isyarat audio analog menjadi isyarat PWM yang sesuai, yang selanjutnya dapat dimasukkan ke tahap MOSFET untuk penguatan PWM yang diinginkan.

Anda mungkin menggunakan separuh daripada paket 4013 sebagai penguat yang menyediakan output digital dengan kitaran tugas yang sebanding dengan voltan keluaran yang diinginkan. Bila-bila masa anda memerlukan output analog, penapis sederhana akan berjaya.

Anda mesti mengikuti denyutan jam seperti yang ditentukan dan frekuensi ini mestilah jauh lebih tinggi daripada lebar jalur yang dikehendaki. Keuntungannya adalah R1 / R2 sedangkan waktu R1R2C / (R1 + R2) mestilah lebih panjang daripada jangka masa denyutan jam.

Permohonan

Terdapat banyak cara litar boleh digunakan. Sebilangannya adalah:

  1. Dapatkan denyutan dari titik persilangan sifar dan tekankan triac dengan output. Hasilnya, anda kini mempunyai kawalan daya hubungan tanpa RFI.
  2. Dengan menggunakan jam pantas, alihkan transistor pemacu dengan output. Hasilnya adalah penguat audio PWM yang sangat cekap.

Penguat PWM 30 watt

Gambarajah litar untuk Penguat Audio Kelas -D 30W dapat dilihat dalam fail pdf berikut.

Kelas D 30 watt Muat turun

Penguat operasi IC1 menguatkan isyarat audio input melalui potensiometer VR1 yang dikawal dengan volume berubah. Isyarat PWM (modulasi lebar nadi) dihasilkan dengan membandingkan isyarat audio dengan segitiga 100kHz wale. Ini dapat dicapai melalui pembanding 1C6. Resistor RI3 digunakan untuk memberikan maklum balas positif dan C6 sebenarnya diperkenalkan untuk meningkatkan masa operasi pembanding.

Output pembanding beralih antara voltan yang melebihi ± 7.5V. Perintang tarik R12 menawarkan + 7.5V sementara -7.5V dibekalkan oleh transistor pemancar terbuka dalaman op amp IC6 pada pin 1. Semasa isyarat ini bergerak ke tahap positif, transistor TR1 berfungsi seperti terminal sink semasa. Sink arus ini menyebabkan peningkatan penurunan voltan di perintang R16, yang menjadi cukup untuk menghidupkan MOSFET TR3.

Apabila isyarat beralih ke ekstrim negatif. TR2 berubah menjadi sumber arus yang menyebabkan penurunan voltan merentasi R17. Penurunan ini cukup untuk menghidupkan TR4. Pada dasarnya, MOSFET TR3 dan TR4 dipicu secara bergantian menghasilkan isyarat PWM yang bertukar antara +/- 15V.

Pada tahap ini, adalah mustahak untuk membawa balik atau menukar isyarat PWM yang diperkuatkan ini ke dalam pembiakan audio yang baik yang mungkin setara dengan isyarat audio input.

Ini dicapai dengan membuat purata kitaran tugas PWM melalui penapis low-pass Butterworh pesanan ke-3 yang mempunyai frekuensi pemotongan (25kHz) jauh di bawah frekuensi asas segitiga.

Tindakan ini membawa kepada pelemahan yang besar pada 100kHz. Output akhir yang diperoleh berubah menjadi output audio yang merupakan replikasi sinyal audio input yang diperkuat.

Penjana gelombang segitiga melalui konfigurasi litar 1C2 dan 1C5, di mana IC2 berfungsi seperti penjana gelombang persegi dengan maklum balas positif yang dibekalkan melalui R7 dan R11. Diod DI hingga D5 berfungsi seperti pengapit dua arah. Ini menetapkan voltan lebih kurang +/- 6V.

Integrator yang sempurna dibuat melalui VR2 pratetap, kapasitor C5 dan IC5 yang mengubah gelombang persegi menjadi gelombang segitiga. Pretet VR2 menyediakan ciri penyesuaian frekuensi.

Output 1C5 pada (pin 6) memberikan maklum balas kepada 1C2, dan perintang R14 dan pratetap VR3 berfungsi sebagai atenuator fleksibel yang memungkinkan tahap gelombang segitiga diubah mengikut keperluan.

Setelah membuat litar penuh, VR2 dan VR3 harus diselaraskan untuk membolehkan output audio berkualiti tinggi. Satu set opsional 741 op untuk 1C4 dan IC3 dapat digunakan sebagai penyangga peningkatan kesatuan untuk membekalkan kuasa +/- 7.5V.

Kapasitor C3, C4, C11, dan C12 digunakan untuk penapisan sementara kapasitor selebihnya digunakan untuk memutuskan bekalan.

Litar ini boleh dikuasakan dengan bekalan kuasa DC +/- 15V dual, yang dapat menggerakkan pembesar suara 30 ohm 8 ohm melalui tahap LC menggunakan kapasitor C13 dan induktor L2. Perhatikan bahawa heatsink sederhana mungkin diperlukan untuk MOSFET TR3 dan TR4.




Sepasang: Litar Pengawal Kelajuan Mesin Bor Seterusnya: Litar Pengesan Gerak menggunakan Doppler Effect