4 hatékony PWM erősítő áramkör magyarázata

Az analóg audiojel impulzusszélesség-modulációval vagy PWM-feldolgozással történő erősítésére tervezett és állítható munkaciklusú erősítőket számos név ismert, ideértve a digitális erősítőt, a D osztályú erősítőt, a kapcsolt erősítőt és a PWM erősítőt.

Mivel nagy hatékonysággal képes teljesíteni, a D osztályú erősítő kedvenc fogalommá vált azokban a mobil és nyilvános telefonos alkalmazásokban, ahol a torzítás elhanyagolható.

Miért olyan hatékonyak a PWM erősítők?

Azért, mert átalakítják az analóg audio jelet egyenértékű PWM modulált tartalommá. Ezt a modulált PWM audiojelet hatékonyan erősítik a kimeneti eszközök, például a MOSFET vagy a BJT, majd a csatlakoztatott hangszórókon keresztül speciális induktorokkal visszaalakítják nagy teljesítményű analóg verzióvá.

Tudjuk félvezető eszközök, mint pl MOSFET-ek és BJT-k A „nem tetszik” funkciót a bemeneti jel meghatározatlan területein működtetik, és hajlamosak felmelegedni. Például a MOSFET nem fog megfelelően bekapcsolni, ha a kapujelek 8 V alatt vannak, és a BJT-k nem reagálnak megfelelően 0,5 V alaphajtásnál, ami nagy mennyiségű hőelvezetést eredményez a test hűtőbordáján keresztül.

A természetüknél fogva exponenciális analóg jelek kényszerítik a fenti eszközöket arra, hogy kényelmetlen és kedvezőtlen lassú emelkedési és lassú zuhanási potenciállal működjenek, ami nagy hőelvezetést és nagyobb hatékonyságot okoz.

PWM az amplifikációs koncepció ezzel szemben lehetővé teszi ezeknek az eszközöknek a működését, vagy teljesen bekapcsolva, vagy teljesen kikapcsolva, köztes meghatározatlan potenciálok nélkül. Emiatt az eszközök nem sugároznak hőt, és az audio erősítést nagy hatékonysággal és minimális veszteséggel nyújtják.

A digitális erősítő előnyei a lineáris erősítőhöz képest

• A digitális vagy PWM erősítők PWM feldolgozást használnak, ezért a kimeneti eszközök a jeleket minimális hőelvezetéssel erősítik. A lineáris erősítők emitterkövető kialakítást alkalmaznak, és nagy mennyiségű hőt bocsátanak el a hangerősítés során.
• A digitális erősítők kevesebb kimeneti teljesítményű eszközzel működhetnek, mint a lineáris erősítők.
• A minimális hőelvezetés miatt nincs szükség hűtőbordára vagy kisebb hűtőbordára, szemben a nagy hűtőbordáktól függő lineáris erősítőkkel.
• A digitális PWM erősítők olcsóbbak, könnyebbek és rendkívül hatékonyak a lineáris erősítőkhöz képest.
• A digitális erősítők kisebb tápegység bemenetekkel működhetnek, mint a lineáris erősítők.

Ebben a bejegyzésben az első alábbi PWM teljesítményerősítőt 6 V-os akkumulátor működteti, és akár 5 W-os kimeneti teljesítményt is létrehoz. Figyelemre méltó kimeneti kapacitása miatt a PWM erősítő gyakran megtalálható a megafonokban.

A mobil AF erősítőkkel közös probléma, hogy alacsony hatékonyságú tulajdonságaik miatt nehéz alacsony tápfeszültségből nagy teljesítményt előállítani.

A vitánkban szereplő PWM erősítő azonban csaknem 100% -os hatékonysággal rendelkezik olyan torzítási szinten, amely elfogadható a megafonok és a kapcsolódó P.A. eszközök. Néhány tényező, amely hozzájárul a tervezéshez, az alábbiakban ismertetésre kerül:

Impulzus-szélesség moduláció

A pulzusszélesség-moduláció (PWM) elve az alábbi 1. ábrán látható.

A koncepció egyszerű: a nagyobb frekvenciájú téglalap alakú jel munkaciklusát bemeneti jel vezérli. Az impulzus bekapcsolási ideje a bemenő jel pillanatnyi amplitúdójához viszonyítva.

A be- és kikapcsolási idő mennyisége a frekvencián kívül állandó. Ezért ha hiányzik egy bemeneti jel, akkor szimmetrikus négyzethullámú jel jön létre.

A viszonylag jó hangminőség elérése érdekében a téglalap alakú jel frekvenciájának duplának kell lennie, mint a bemeneti jel legmagasabb frekvenciája.

A kapott jel felhasználható egy hangszóró táplálásához. A 4. ábra világos konverziót mutat az oszcilloszkóp nyomában.

A felső nyom a kimeneti jel utólagos szűrését mutatja, amelyet a hangszórón mérnek. A maradék amplitúdója PWM jel hogy a szinusz hullám átfedésben van, kicsi.

Elektronikus kapcsolók erősítőként

A 2. ábra a PWM erősítő szokásos működését mutatja be a blokkdiagram segítségével.

Tegyük fel, hogy amikor a bemenet rövidzárlatos, kapcsoljuk az S kapcsolót_{nak nek}táplálja a C kondenzátort₇árammal I_két. Ez addig következik, amíg el nem éri a megfelelő felső határ kapcsolási feszültséget.

Ezután összeköti R-t₇földelni. Ezt követően C₇az S alsó kapcsolási feszültségére lemerül_{nak nek}. Ennek eredményeként C₇és R₇50 kHz frekvenciájú négyzethullámot eredményez.

Ha az erősítő bemenetére AF jel érkezik, akkor az I kiegészítő áram₁viszonylag csökkenti vagy növeli a töltési időt, vagy növeli és csökkenti a kisütési időt.

Tehát a bemeneti jel módosítja a hangszóró kimenetén látható négyzethullámú jel tényezőjét.

Két törvény létfontosságú a PWM erősítő alapvető működéséhez.

1. Az első az S kapcsoló_bantifázisban S-vel szabályozható_{nak nek}miközben a másik hangszóró terminált tartja a PWM jel feszültségének alternatívájaként.

Ez a beállítás eredményezi a kapcsolóhíd típusú kimeneti szakasz eredményét. Ezt követően minden egyes polaritásnál a hangszórót a teljes tápfeszültséggel kényszerítik, hogy maximális áramfogyasztást érjenek el.

2. Másodszor az L induktivitásokat vizsgáljuk₁és én_két. Az induktorok célja a téglalap alakú jel integrálása és szinuszoidá alakítása, amint azt a hatókör korábbi nyomán bemutatjuk. Ezenkívül működnek és harmonikus csillapítóként szolgálnak az 50 kHz-es téglalap alakú jelre.

Magas hangkimenet szerény kivitelben

A fenti ábra vázlatából könnyen azonosíthatja a blokkdiagramon használt elektronikus alkatrészeket.

Néhány olyan alkatrész, mint az R1 ellenállás, a C kondenzátorok₁és C₄, hangerőszabályzó P₁és az opamp A körüli erősítőt₁kondenzátor (vagy elektrosztatikus) mikrofon előfeszítő feladatát végzi.

Ez az egész művelet létrehozza a PWM erősítő bemeneti szegmensét. Amint azt korábban említettük, az S kapcsolók_{nak nek}és S_bES kapcsolók építik₁hogy ES₄és T tranzisztorpárok₁-T₃és T_két-T₄.

A PWM generátort létrehozó elektronikus alkatrészek részjelzései a blokkdiagramon leírtakhoz kapcsolódnak.

Valószínűleg a PWM erősítő ritkán hatékony, mert a kimeneti tranzisztorok még akkor sem hevülnek fel, ha egy teljes meghajtású állapotban kényszerítik őket. Röviden: a teljesítmény kimeneti szakaszában gyakorlatilag nulla disszipáció van.

A legfontosabb tényező, amelyet figyelembe kell venni az L induktorok kiválasztása előtt₁és én_kétaz, hogy képesnek kell lenniük a 3 A csatornázására anélkül, hogy telítődnének.

A tényleges induktivitási szempont csak a második. Például az ebben a projektben használt induktorokat egy fényerő-szabályozóból nyertük.

A diódák célja D₃hogy D_6.az induktorok által előállított hátsó EMF-et kellően biztonságos értékre kell visszatartani.

Sőt, az A opamp nem invertáló bemenete₁képezi D₁, C₃, D_kétés R₃. Ez a hatékonyan szűrt bemeneti feszültség megegyezik a tápfeszültség felével.

Hagyományos opamp erősítő használata esetén a feszültségerősítést negatív visszacsatolási hurok határozza meg. R₄és R_5.az erősítést 83-ra állítja, hogy megbizonyosodjon a megfelelő mikrofon érzékenységről.

Ha nagy impedanciájú jelforrásokat használ, akkor R₄szükség szerint felerősíthető.

L₁és én_kétokozza a fáziseltolódást, és emiatt a T kollektoránál a négyzetjelű jel segítségével visszacsatolás lehetséges₁a szinuszos hangszóró jeléhez képest.

C-vel kombinálva_5.az opamp biztosítja a PWM visszacsatoló jel jelentős integrációját.

A visszacsatolási rendszer csökkenti az erősítő torzítását, de nem annyira, hogy a nyilvános címen kívül más alkalmazásra is felhasználhatja.

Normális esetben jelentősen megnövelt tápfeszültségre és bonyolult áramköri kialakításra lenne szükség egy alacsony torzítású D osztályú erősítőhöz.

Ennek a beállításnak a megvalósítása akadályozhatja az áramkör általános hatékonyságát. Ügyeljen az erősítők elektronikus kapcsolóinak kiválasztására, mivel a HCMOS típusok megfelelőek.

A tipikus 4066-os CMOS-típus rendkívül lassú és nem megfelelő „rövidzárlat” kiváltására a T-ben₁-T₃és T_két-T₄. Nem csak ez, hanem az erősítő túlterhelésének vagy akár tartós károsodásának a veszélye is.

PWM erősítő a megafon alkalmazáshoz

Az elektronikus rajongók inkább a D-osztályú erősítőt alkalmazzák egy kürt típusú hangszóró táplálásához, mert az a leghangosabb hangot képes produkálni egy kiválasztott teljesítményszint mellett.

Egy 6 V-os akkumulátor és egy nyomókamrás hangszóró segítségével az erősítő modell könnyen elkészíthető.

A meglévő 4 W kimenő teljesítmény egy megafonban volt mérhető, megfelelő audio tartományban.

Négy 1,5 V-os szárazelemet vagy alkáli monocellát sorosan csatlakoztattak a megafon táplálásához. Ha gyakran szeretné használni ezt a beállítást, válassza az újratölthető NiCd vagy gél típusú (Dryfit) akkumulátort.

Mivel a megafon maximális áramfogyasztása 0,7 A, egy standard alkáli alkalmas arra, hogy 24 órán keresztül teljes kimeneti teljesítmény mellett támogassa a működést.

Ha nem folyamatos használatot tervez, több mint elegendő lesz a száraz cellák kiválasztása.

Ne feledje, hogy bármilyen áramforrást használ, az soha nem lépheti túl a 7 V-ot.

Ennek oka az IC HCMOS kapcsolói₁nem működne megfelelően ezen vagy annál nagyobb feszültségszintnél.

Szerencsére az erősítő esetében a tápfeszültség maximális küszöbértéke nagyobb, mint 11 V.

A fent ismertetett PWM D-osztályú erősítő NYÁK-kialakítását az alábbiakban adjuk meg:

Egy másik jó PWM erősítő

Egy jól megtervezett PWM erősítő egy szimmetrikus téglalap alakú hullámgenerátort tartalmaz.

Ennek a téglalap alakú hullámnak a működési ciklusát az audio jel modulálja.

A lineáris működés helyett a kimeneti tranzisztorok kapcsolóként működnek, így vagy teljesen be vannak kapcsolva, vagy ki vannak kapcsolva. Nyugalmi állapotban a hullámforma működési ciklusa 50%.

Ez azt jelenti, hogy minden kimeneti tranzisztor teljesen telített vagy más néven vezetõ, ugyanolyan ideig. Ennek eredményeként az átlagos kimeneti feszültség nulla.

Ez azt jelenti, hogy ha az egyik kapcsoló valamivel hosszabb ideig zárva marad, mint a másik, akkor az átlagos kimeneti feszültség vagy negatív, vagy pozitív lesz, a bemeneti jel polaritásától függően.

Ezért megfigyelhetjük, hogy az átlagos kimeneti feszültség relatív a bemenő jellel. Ennek oka, hogy a kimeneti tranzisztorok teljes egészében kapcsolóként működnek, ezért a kimeneti szakaszban rendkívül alacsony az energiaveszteség.

A dizájn

Az 1. ábra a D osztályú PWM erősítő teljes vázlatát mutatja be. Láthatjuk, hogy a PWM erősítőnek nem kell túl összetettnek lennie.

A bemeneti audiojel egy op-amp IC1-re kerül, amely komparátorként működik. Ez a beállítás egy maroknyi Schmitt-triggeret vezet, amelyek párhuzamosan vannak kapcsolva az áramkörrel.

Két okból vannak ott. Először 'négyzet alakú' hullámformának kell lennie, másodszor pedig a kimeneti fokozathoz megfelelő alap meghajtó áramra van szükség. Ebben a szakaszban két egyszerű, mégis gyors tranzisztort (BD137 / 138) telepítettek.

Az egész erősítő oszcillál és négyzethullámot generál. Ennek oka, hogy az összehasonlító egy bemenetét (IC1) egy RC hálózaton keresztül csatolják a kimenethez.

Ezenkívül az IC1 mindkét bemenete a tápfeszültség első felére van előfeszítve az R3 / R4 feszültségosztó alkalmazásával.

Valahányszor az IC1 kimenete alacsony, és a T1 / T2 kibocsátói magasak, a C3 kondenzátor töltése az R7 ellenálláson keresztül történik. Ugyanakkor a nem inverz bemeneten feszültség emelkedni fog.

Amint ez a növekvő feszültség átlépi az invertáló put szintjét, az IC1 kimenete alacsonyról magasra vált.

Ennek eredményeként a T1 / T2 kibocsátói magasról alacsonyra fordulnak. Ez a feltétel lehetővé teszi a C3 kisülését R7-en keresztül, és a plusz bemenet feszültsége a mínusz bemenet feszültsége alá süllyed.

Az IC1 kimenete szintén visszaáll alacsony állapotba. Végül egy négyzethullámú kimenet jön létre az R7 és C3 által meghatározott frekvencián. A megadott értékek rezgést generálnak 700 kHz-en.

Egy oszcillátor , modulálhatjuk a frekvenciát. Az inverter bemenet IC1 szintje, amelyet általában referenciaként használunk, nem marad állandó, hanem az audio jel határozza meg.

Ezenkívül az amplitúdó meghatározza azt a pontos pontot, ahol az összehasonlító kimenete változni kezd. Következésképpen a négyzethullámok 'vastagságát' az audio jel szabályozza.

Annak biztosítására, hogy az erősítő ne működjön 700 kHz-es adóként, szűrni kell a kimenetén. Az L1 / C6 és C7 / R6 tagokból álló LC / RC hálózat jó munkát végez a szűrő .

Műszaki adatok

• A 8 ohmos terheléssel és 12 V tápfeszültséggel ellátott erősítő 1,6 W-ot generált.
• 4 ohmos használat esetén a teljesítmény 3 W-ra nőtt. Ilyen kicsi elvezetett hő esetén a kimeneti tranzisztorok hűtése nem szükséges.
• Bizonyított, hogy a harmonikus torzítás szokatlanul alacsony egy ilyen egyszerű áramkör esetében.
• A teljes harmonikus torzítási szint a mért 20 Hz és 20 000 Hz közötti tartományban 0,32% alatt volt.

Az alábbi ábrán látható a NYÁK és az erősítő alkatrészeinek elrendezése. Az áramkör megépítésének ideje és költsége nagyon alacsony, így kiváló esélyt kínál mindazok számára, akik jobban meg akarják érteni a PWM-et.

Alkatrész lista

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

Vegyes:
L1 = 39μH induktivitás

Egyszerű 3 tranzisztoros D osztályú erősítő áramkör

A PWM erősítő kiemelkedő hatékonysága olyan, hogy a kimeneti tranzisztorként használt BC107 segítségével 3 W kimenet nyerhető. Még jobb, hogy nem igényel hűtőbordát.

Az erősítő tartalmaz egy feszültség által vezérelt impulzusszélességű oszcillátort, amely 6 kHz körül működik, és D osztályú kimeneti fokozatot hajt végre.

Csak két forgatókönyv létezik - teljesen be vagy ki. Ennek következtében a szóródás hihetetlenül kicsi, következésképpen magas hatékonyságot eredményez. A kimeneti hullámforma nem hasonlít a bemenetre.

A kimeneti és a bemeneti hullámformák integrálja azonban arányos egymással az időhöz viszonyítva.

A komponensértékek bemutatott táblázata azt mutatja, hogy bármilyen erősítő, amelynek kimenete 3 W és 100 W között van, előállítható. Tekintettel arra, hogy 1 kW-ig erősebb teljesítmény érhető el.

Hátránya, hogy a torzítás körülbelül 30% -át hozza létre. Ennek eredményeként az erősítő csak hangerősítésre használható. Hihetetlenül érthető beszéde miatt alkalmas hangosbeszélő rendszerekhez.

Digitális Op-Amp

A következő koncepció bemutatja, hogyan kell használni az alapértelmezett visszaállítási flip flop IC 4013-at, amely analóg audio jel átalakítására korrekciós PWM jellé alakítható, amelyet tovább lehet továbbítani egy MOSFET szakaszba a kívánt PWM erősítéshez.

A 4013 csomag felét használhatja erősítőként, amennyiben a kívánt kimeneti feszültséggel arányos digitális kimenetet lát el. Amikor analóg kimenetre van szüksége, egy egyszerű szűrő végzi a munkát.

A megadott impulzusimpulzusokat követnie kell, és ezeknek a frekvenciánál lényegesen nagyobbnak kell lenniük, mint a kívánt sávszélesség. Az erősítés R1 / R2, míg az R1R2C / (R1 + R2) időnek hosszabbnak kell lennie, mint az óraimpulzusok időszaka.

Alkalmazások

Az áramkör sokféleképpen használható. Néhányan:

1. Szerezzen impulzusokat a hálózat nulla keresztezési pontjáról, és érvényesítsen egy triacot a kimenettel. Ennek eredményeként mostantól relációs teljesítmény-vezérléssel rendelkezik RFI nélkül.
2. Gyors óra használatával kapcsolja be a meghajtó tranzisztorokat a kimenettel. Az eredmény egy nagyon hatékony PWM hangerősítő.

30 wattos PWM erősítő

A 30 W -D osztályú hangerősítő kapcsolási rajza a következő pdf fájlban látható.

Az IC1 műveleti erősítő a bemenő audiojelet a változó hangerő-szabályozású VR1 potenciométeren keresztül erősíti. A PWM (impulzusszélesség-moduláció) jelet úgy állítják elő, hogy összehasonlítjuk az audio jelet egy 100 kHz-es háromszöggel. Ez az 1C6 komparátor segítségével valósul meg. Az RI3 ellenállást pozitív visszacsatolásra használják, és a C6-ot valóban bevezetik az összehasonlító működési idejének növelése érdekében.

Az összehasonlító kimenet a 7,5 V feszültség szélsőségei között vált. Az R12 felhúzó ellenállás + 7,5 V feszültséget kínál, míg -7,5 V-ot az op amp IC6 belső nyitott emitteres tranzisztora látja el az 1. érintkezőnél. Amíg ez a jel pozitív szintre mozog, a TR1 tranzisztor úgy működik, mint egy áramelnyelő terminál. Ez az áramelnyelő megnöveli az R16 ellenállás feszültségesését, ami éppen elegendő lesz a MOSFET TR3 bekapcsolásához.

Amikor a jel negatív szélsőségre kapcsol. A TR2 áramforrássá válik, ami feszültségeséshez vezet az R17-en. Ez a csepp csak elegendő lesz a TR4 bekapcsolásához. Alapvetően a TR3 és TR4 MOSFET-ek váltakozva váltanak ki, generálva egy PWM jelet, amely +/- 15 V között vált.

Ezen a ponton elengedhetetlenné válik, hogy ezt az erősített PWM jelet visszahozzuk vagy átalakítsuk a jó hangreprodukcióvá, amely a bemeneti audiojel erősített ekvivalense lehet.

Ezt úgy érik el, hogy a PWM átlagos ciklusát átlagosan létrehozzák egy 3. rendű Butterworh aluláteresztő szűrőn keresztül, amelynek vágási frekvenciája (25 kHz) jelentősen a háromszög alapfrekvenciája alatt van.

Ez a művelet 100kHz-en hatalmas csillapításhoz vezet. A kapott végső kimenet egy audio kimenetre tánczolódik, amely a bemenő hangjel erősített replikációja.

A háromszög hullámgenerátor az 1C2 és 1C5 áramkörkonfiguráción keresztül, ahol az IC2 úgy működik, mint egy négyzethullámú generátor, pozitív visszacsatolással, amelyet az R7 és R11 szolgáltat. A DI – D5 diódák kétirányú bilincsként működnek. Ez körülbelül +/- 6 V-ra rögzíti a feszültséget.

Tökéletes integrátor jön létre az előre beállított VR2, a C5 és IC5 kondenzátor révén, amely egy négyzet alakú hullámot háromszög hullámmá alakít. Az előre beállított VR2 biztosítja a freqeuncy adjutment funkciót.

Az 1C5 kimenet a (6. érintkezőnél) visszacsatolást ad az 1C2-nek, az R14 ellenállás és az előre beállított VR3 pedig rugalmas csillapító funkcióként működik, amely lehetővé teszi a háromszög hullámának szintjének szükség szerinti módosítását.

A teljes áramkör elkészülte után a VR2-t és a VR3-at finomhangolni kell a legjobb minőségű hangkimenet lehetővé tétele érdekében. Az 1C4 és IC3 közönséges 741 op erősítője használható egységnyereség-pufferként a +/- 7,5 V teljesítmény biztosítására.

A C3, C4, C11 és C12 kondenzátorokat használjuk a szűréshez, míg a többi kondenzátort az áramellátás leválasztására.

Az áramkör kettős +/- 15 V DC tápegységgel képes táplálni, amely egy 30 W 8 ohmos hangszórót képes vezetni az LC fokozaton a C13 kondenzátor és az L2 induktor segítségével. Ne feledje, hogy a MOSFET TR3 és TR4 esetében valószínűleg szerény hűtőbordákra lehet szükség.