4 efficiënte PWM-versterkercircuits uitgelegd

Audioversterkers die zijn ontworpen om een ​​analoog audiosignaal te versterken door middel van pulsbreedtemodulatie of PWM-verwerking en met een instelbare duty-cycle, zijn bekend onder vele namen, waaronder digitale versterker, klasse-D-versterker, geschakelde versterker en PWM-versterker.

Omdat het kan presteren bij hoge efficiëntie, a Klasse-D versterker is een favoriet concept geworden voor mobiele toepassingen en Public Address-toepassingen waar vervorming te verwaarlozen is.

Waarom PWM-versterkers zo efficiënt zijn

Dit komt doordat ze het analoge audiosignaal omzetten in gelijkwaardige PWM-gemoduleerde inhoud. Dit gemoduleerde PWM-audiosignaal wordt efficiënt versterkt door de uitvoerapparaten zoals MOSFET's of BJT's en vervolgens weer omgezet in een krachtige analoge versie met behulp van speciale inductoren over de aangesloten luidsprekers.

We weten dat halfgeleider apparaten zoals MOSFET's en BJT's 'hou er niet van' om te worden gebruikt in ongedefinieerde gebieden van een ingangssignaal en hebben de neiging heet te worden. Bijvoorbeeld een MOSFET wordt niet goed ingeschakeld wanneer de poortsignalen lager zijn dan 8V, en BJT's zullen niet correct reageren bij een basisaandrijving van minder dan 0,5 V, wat resulteert in een grote hoeveelheid warmteafvoer via hun koellichaam.

Analoge signalen die van nature exponentieel zijn, dwingen de bovengenoemde apparaten om te werken met ongemakkelijke en ongunstige langzame stijg- en langzame dalingspotentialen, waardoor een hoge warmteafvoer en grotere inefficiënties worden veroorzaakt.

PWM versterkingsconcept daarentegen, laat deze apparaten werken door ze volledig AAN of UIT te schakelen, zonder tussenliggende ongedefinieerde potentialen. Hierdoor stralen de apparaten geen warmte uit en wordt de audioversterking met een hoog rendement en minimale verliezen weergegeven.

Voordelen van digitale versterker in vergelijking met lineaire versterker

• Digitale of PWM-versterkers gebruiken PWM-verwerking en daarom versterken de uitvoerapparaten de signalen met minimale warmteafvoer. Lineaire versterkers gebruiken een emittervolgerontwerp en voeren een grote hoeveelheid warmte af tijdens geluidsversterking.
• Digitale versterkers kunnen werken met een kleiner aantal apparaten met uitgangsvermogen in vergelijking met lineaire versterkers.
• Vanwege de minimale warmteafvoer zijn er geen koellichamen of kleinere koellichamen nodig, in vergelijking met lineaire versterkers die afhankelijk zijn van grote koellichamen.
• Digitale PWM-versterkers zijn goedkoper, lichter en zeer efficiënt in vergelijking met lineaire versterkers.
• Digitale versterkers kunnen werken met kleinere voedingsingangen dan lineaire versterkers.

In deze post wordt de eerste PWM-vermogensversterker hieronder gevoed door een 6 V-batterij en genereert tot 5W uitgangsvermogen. Gezien zijn overduidelijke uitgangsvermogen, wordt de PWM-versterker vaak aangetroffen in megafoons.

Een veelvoorkomend probleem met mobiele AF-versterkers is dat het vanwege hun lage efficiëntie moeilijk is om een ​​hoog vermogen te produceren met een lage voedingsspanning.

De PWM-versterker in onze discussie heeft echter een efficiëntie van bijna 100% bij een vervormingsniveau dat acceptabel is met megafoons en gerelateerde P.A. apparaten. Enkele factoren die bijdragen aan het ontwerp worden hieronder toegelicht:

Pulsbreedtemodulatie

Het principe van pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding 1.

Het concept is eenvoudig: de duty-cycle van een rechthoekig signaal met een hogere frequentie wordt bestuurd door een ingangssignaal. De inschakeltijd van de puls is gerelateerd aan de momentane amplitude van het ingangssignaal.

De hoeveelheid aan- en uit-tijd naast de frequentie is constant. Daarom wordt, wanneer een ingangssignaal ontbreekt, een symmetrisch blokgolfsignaal geproduceerd.

Om een ​​relatief goede geluidskwaliteit te bereiken, moet de frequentie van het rechthoekige signaal het dubbele zijn van de hoogste frequentie in het ingangssignaal.

Het resulterende signaal kan worden gebruikt om een ​​luidspreker van stroom te voorzien. Figuur 4 toont een duidelijke conversie in het oscilloscoopspoor.

Het bovenste spoor toont het nafiltering van het uitgangssignaal en gemeten over de luidspreker. De amplitude van de resterende PWM-signaal dat overlapt de sinusgolf is klein.

Elektronische schakelaars als versterkers

Figuur 2 beschrijft de standaard werking van de PWM-versterker met behulp van het blokschema.

Laten we aannemen dat wanneer de ingang is kortgesloten, schakelaar S_naarvoedt condensator C₇met een huidige I_twee​Dit vindt plaats totdat een geschikte bovengrensschakelspanning is bereikt.

Vervolgens verbindt het R₇aan de grond. Daarna C₇wordt ontladen tot de onderste grensschakelspanning van S._naar​Als resultaat, C₇en R₇produceert een blokgolf met een frequentie van 50 kHz.

Wanneer een AF-signaal naar de ingang van de versterker wordt gestuurd, wordt de extra stroom I₁verkort of vergroot relatief de oplaadtijd, of vergroot en verkort de ontlaadtijd.

Het ingangssignaal wijzigt dus de duty-factor van het blokgolfsignaal dat aan de uitgang van de luidspreker wordt gezien.

Er zijn twee wetten die essentieel zijn voor de basiswerking van de PWM-versterker.

1. De eerste is schakelaar S_bwordt in tegenfase aangestuurd met S_naarterwijl u de andere luidsprekeraansluiting vasthoudt als een alternatieve spanning voor die van het PWM-signaal.

Deze opstelling produceert een resultaat van de schakelbrug-achtige uitgangstrap. Daarna wordt bij elke polariteit de luidspreker geforceerd met de volledige voedingsspanning zodat een maximaal stroomverbruik wordt bereikt.

2. Ten tweede kijken we naar inductoren L₁en ik_twee​Het doel van de inductoren is om het rechthoekige signaal te integreren en ze om te zetten in sinusvormig, zoals eerder in het scoopspoor werd getoond. Bovendien fungeren ze ook als onderdrukker van harmonischen van het 50 kHz rechthoekige signaal.

Hoge geluidsoutput van een bescheiden ontwerp

Aan de hand van het schema in de bovenstaande afbeelding kunt u eenvoudig de elektronische componenten identificeren die in het blokschema worden gebruikt.

Een handvol onderdelen zoals weerstand R1, koppelcondensatoren C₁en C₄, volumeregeling P₁en een versterker gebaseerd op opamp A₁doet het vooringenomen werk voor een condensator (of elektrostatische) microfoon.

Deze hele operatie creëert het ingangssegment van de PWM-versterker. Zoals eerder besproken, schakelt S_naaren S_bzijn gebouwd door elektronische schakelaars ES₁naar ES₄en transistorparen T₁-T₃en T_twee-T₄​

De onderdeelaanduidingen voor de elektronische componenten waaruit de PWM-generator is opgebouwd, hebben betrekking op die beschreven in het blokschema.

Waarschijnlijk is de PWM-versterker ongewoon efficiënt omdat de uitgangstransistors niet worden opgewarmd, zelfs niet als ze worden geforceerd met een all-drive conditie. Kortom, er is praktisch geen dissipatie in de vermogenseindtrap.

De meest vitale factor waarmee u rekening moet houden voordat u inductors L selecteert₁en ik_tweeis dat ze 3 A moeten kunnen kanaliseren zonder verzadigd te raken.

De feitelijke inductie-overweging komt pas op de tweede plaats. De inductoren die in dit project worden gebruikt, zijn bijvoorbeeld afkomstig van een lichtdimmer.

Het doel van diodes D₃naar D₆is om de achter-EMF die door de inductoren wordt geproduceerd, tot een redelijk veilige waarde te beperken.

Bovendien is de niet-inverterende ingang van opamp A₁wordt gevormd door D₁, C₃, D_tweeen R₃​Deze ingangsspanning, efficiënt gefilterd, is gelijk aan de helft van de voedingsspanning.

Bij gebruik van een traditionele opamp-versterker wordt de spanningsversterking toegewezen door een negatieve feedbacklus. R₄en R₅stelt de versterking in op 83 om te zorgen voor voldoende microfoongevoeligheid.

Als u signaalbronnen met hoge impedantie gebruikt, R₄kan naar behoefte worden versterkt.

L.₁en ik_tweeveroorzaken de faseverschuiving en daardoor is terugkoppeling mogelijk met behulp van het blokgolfsignaal aan de collector van T₁vergeleken met het sinusvormige luidsprekersignaal.

Gecombineerd met C₅de opamp levert de significante integratie van het PWM-feedbacksignaal.

Het feedbacksysteem vermindert de vervorming van de versterker, maar niet zo uitgebreid dat je het voor andere toepassingen zou kunnen gebruiken dan het openbare adres.

Normaal gesproken zou een aanzienlijk grotere hoeveelheid voedingsspanning en een gecompliceerd circuitontwerp vereist zijn voor een klasse-D-versterker met lage vervorming.

Het implementeren van deze opstelling zou de algehele efficiëntie van het circuit belemmeren. Let op bij het kiezen van elektronische schakelaars in de versterker, want HCMOS-typen zijn geschikte.

Een typische CMOS Type 4066 is extreem traag en ongepast om een ​​'kortsluiting' over T te veroorzaken₁-T₃en T_twee-T₄​Niet alleen dat, maar er is ook een verhoogd risico op overbelasting of zelfs permanente schade aan de versterker.

PWM-versterker voor megafoonapplicatie

Liefhebbers van elektronica geven er de voorkeur aan om de klasse-D-versterker te gebruiken voor het voeden van een hoornachtige luidspreker, omdat deze het luidste geluid kan produceren voor een geselecteerd vermogensniveau.

Met behulp van een 6 V-batterijpakket en een drukkamerluidspreker was het versterkermodel eenvoudig te bouwen.

Het bestaande uitgangsvermogen van 4 W was meetbaar in een megafoon met een behoorlijk audiobereik.

Vier 1,5 V droge batterijen of alkaline monocellen werden in serie geschakeld om de megafoon van spanning te voorzien. Als je deze opstelling vaak wilt gebruiken, kies dan voor een oplaadbare NiCd- of gel-type (Dryfit) batterij.

Aangezien het maximale stroomverbruik van de megafoon 0,7 A is, is een standaard alkaline geschikt om de werking gedurende 24 uur op vol vermogen te ondersteunen.

Als u van plan bent voor niet-continu gebruik, is het kiezen van een set droge cellen meer dan voldoende.

Houd er rekening mee dat welke stroombron u ook gebruikt, deze nooit meer dan 7 V mag overschrijden.

De reden is de HCMOS-schakelaars in IC₁zou niet goed functioneren op dat spanningsniveau of meer.

Gelukkig is voor de versterker de maximale drempel voor voedingsspanning groter dan 11 V.

Het PCB-ontwerp voor de hierboven toegelichte PWM klasse-D-versterker wordt hieronder gegeven:

Nog een goede PWM-versterker

Een goed ontworpen PWM-versterker zal een symmetrische rechthoekige golfgenerator bevatten.

De duty-cycle van deze rechthoekige golf wordt gemoduleerd door het audiosignaal.

In plaats van lineair te werken, werken de uitgangstransistors als schakelaars, dus ze zijn ofwel volledig aan of uit. In een slapende toestand is de duty-cycle van de golfvorm 50%.

Dat betekent dat elke uitgangstransistor volledig verzadigd of ook wel geleidend is, voor dezelfde duur. Als resultaat is de gemiddelde uitgangsspanning nul.

Dit betekent dat als een van de schakelaars iets langer gesloten blijft dan de andere, de gemiddelde uitgangsspanning negatief of positief zal zijn, afhankelijk van de polariteit van het ingangssignaal.

Daarom kunnen we waarnemen dat de gemiddelde uitgangsspanning een relatie heeft met het ingangssignaal. Dit komt doordat de uitgangstransistors volledig als schakelaars werken, waardoor er een enorm laag vermogensverlies in de eindtrap is.

Het ontwerp

Figuur 1 toont het hele schema van de klasse D PWM-versterker. We kunnen zien dat de PWM-versterker niet al te complex hoeft te zijn.

Het ingangsaudiosignaal wordt toegevoerd aan een op-amp IC1 die als comparator fungeert. Deze opstelling leidt een handvol Schmitt-triggers die parallel met het circuit zijn verbonden.

Ze zijn er om twee redenen. Ten eerste moet er een 'vierkante' golfvorm zijn en ten tweede is de juiste basisstuurstroom vereist voor de eindtrap. In deze fase zijn er twee eenvoudige maar snelle transistors (BD137 / 138) geïnstalleerd.

De hele versterker oscilleert en genereert een blokgolf. De reden hiervoor is dat één ingang van de comparator (IC1) via een RC-netwerk aan de uitgang is gekoppeld.

Verder worden beide ingangen van IC1 voorgespannen naar de eerste helft van de voedingsspanning door een spanningsdeler R3 / R4 te gebruiken.

Elke keer dat de output van de IC1 laag is en de emitters van T1 / T2 zijn hoog, wordt condensator C3 opgeladen via weerstand R7. Tegelijkertijd zal er een spanningstoename optreden aan de niet-inverterende ingang.

Zodra deze escalerende spanning het niveau van de inverterende put overschrijdt, wisselt de uit IC1 van laag naar hoog.

Als gevolg daarvan draaien de emitters van T1 / T2 van hoog naar laag. Deze toestand stelt C3 in staat om te ontladen via R7 en de spanning aan de plus-ingang daalt onder de spanning aan de min-ingang.

De output van IC1 keert ook terug naar een lage toestand. Uiteindelijk wordt een blokgolfoutput geproduceerd met een frequentie die wordt bepaald door R7 en C3. De opgegeven waarden genereren een oscillatie bij 700 kHz.

Met behulp van een oscillator kunnen we de frequentie moduleren. Het IC1-niveau van de inverterende ingang, dat gewoonlijk als referentie wordt gebruikt, blijft niet constant, maar wordt bepaald door het audiosignaal.

Bovendien bepaalt de amplitude het exacte punt waar de output van de comparator begint te veranderen. Bijgevolg wordt de 'dikte' van de blokgolven regelmatig gemoduleerd door het audiosignaal.

Om ervoor te zorgen dat de versterker niet werkt als een 700 kHz-zender, moet aan de uitgang worden gefilterd. Een LC / RC-netwerk bestaande uit L1 / C6 en C7 / R6 doet het goed als een filter ​

Technische specificaties

• Uitgerust met een belasting van 8 Ohm en 12 V voedingsspanning genereerde de versterker 1,6 W.
• Bij gebruik van 4 ohm nam het vermogen toe tot 3 W. Voor zulke kleine gedissipeerde warmte is koeling van de uitgangstransistors niet nodig.
• Het is bewezen dat de harmonische vervorming ongewoon laag is voor een eenvoudig circuit als dit.
• Het totale harmonische vervormingsniveau was lager dan 0,32% van het gemeten bereik van 20 Hz tot 20.000 Hz.

In onderstaande figuur ziet u de print en de indeling van onderdelen voor de versterker. De tijd en kosten voor het bouwen van dit circuit zijn erg laag, dus het biedt een uitstekende kans voor iedereen die PWM beter wil leren begrijpen.

Onderdelen lijst

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

Diversen:
L1 = 39 μH spoel

Eenvoudig 3 transistor klasse-D versterkercircuit

Het uitstekende rendement van de PWM-versterker is zodanig dat een output van 3 W kan worden geproduceerd met een BC107 die als uitgangstransistor wordt gebruikt. Nog beter, er is geen koellichaam voor nodig.

De versterker bevat een spanningsgestuurde pulsbreedte-oscillator die werkt op ongeveer 6 kHz en een klasse D-eindtrap afdwingt.

Er zijn slechts twee scenario's: volledig aan of helemaal uit. Daardoor is de dissipatie ongelooflijk klein en levert het een hoog rendement op. De uitvoergolfvorm lijkt niet op de invoer.

De integraal van de uitgangs- en ingangsgolfvormen zijn echter evenredig met elkaar ten opzichte van de tijd.

De gepresenteerde tabel met componentwaarden laat zien dat elke versterker met een vermogen tussen 3 W en 100 W kan worden vervaardigd. Gegeven dat er sterkere vermogens tot 1 kW kunnen worden bereikt.

Het nadeel is dat het ongeveer 30% vervorming veroorzaakt. Als resultaat kan de versterker alleen worden gebruikt voor geluidsversterking. Het is geschikt voor omroepsystemen omdat de spraak ongelooflijk begrijpelijk is.

Digitale Op-Amp

Het volgende concept laat zien hoe een basisset reset flip-flop IC 4013 kan worden toegepast voor het omzetten van een analoog audiosignaal in een bijbehorend PWM-signaal, dat verder kan worden toegevoerd aan een MOSFET-trap voor de gewenste PWM-versterking.

U kunt de helft van het 4013-pakket gebruiken als versterker voorzien van een digitale uitgang met een inschakelduur die evenredig is met de gewenste uitgangsspanning. Elke keer dat u een analoge uitgang nodig heeft, is een eenvoudig filter voldoende.

Je moet de klokpulsen volgen zoals gespecificeerd en deze moeten significant hoger in frequentie zijn dan de gewenste bandbreedte. De versterking is R1 / R2 terwijl de tijd R1R2C / (R1 + R2) langer moet zijn dan de periode van de klokpulsen.

Toepassingen

Er zijn veel manieren waarop het circuit kan worden gebruikt. Sommige zijn:

1. Verzamel pulsen van het nuldoorgangspunt van het lichtnet en dwing een triac af met de uitgang. Als gevolg hiervan heeft u nu relationele vermogensregeling zonder RFI.
2. Schakel met een snelle klok de stuurtransistors met de uitgang. Het resultaat is een zeer efficiënte PWM-audioversterker.

30 watt PWM-versterker

Een schakelschema voor een 30W klasse-D audioversterker is te zien in het volgende pdf-bestand.

De operationele versterker IC1 versterkt het ingangsaudiosignaal via potentiometer VR1 met variabel volume. Een PWM-signaal (pulsbreedtemodulatie) wordt gegenereerd door het audiosignaal te vergelijken met een 100 kHz driehoekig wale. Dit wordt bereikt door de comparator 1C6. Weerstand RI3 wordt gebruikt om positieve feedback te leveren en C6 wordt feitelijk geïntroduceerd om de bedrijfstijd van de comparator te verlengen.

De uitgang van de comparator schakelt tussen een spanningsuitbreiding van ± 7,5V. De pull-up weerstand R12 biedt + 7.5V terwijl -7.5V wordt geleverd door de interne open emitter transistor van de opamp IC6 op pin 1. Gedurende de tijd dat dit signaal naar een positief niveau beweegt, werkt transistor TR1 als een current sink-aansluiting. Deze stroomafname veroorzaakt een toename van de spanningsval over weerstand R16, die net genoeg wordt om MOSFET TR3 in te schakelen.

Wanneer het signaal naar het negatieve uiterste overschakelt. TR2 verandert in een stroombron die leidt tot een spanningsval over R17. Deze daling wordt net voldoende om TR4 in te schakelen. Kortom, MOSFET's TR3 en TR4 worden afwisselend geactiveerd en genereren een PWM-signaal dat schakelt tussen +/- 15V.

Op dit punt wordt het essentieel om dit versterkte PWM-signaal terug te brengen of om te zetten in de goede audioweergave die een versterkt equivalent kan zijn van het ingevoerde audiosignaal.

Dit wordt bereikt door een gemiddelde van de PWM-duty-cycle te creëren via een Butterworh-laagdoorlaatfilter van de 3e orde met een afsnijfrequentie (25 kHz) die aanzienlijk onder de driehoekige basisfrequentie ligt.

Deze actie leidt tot een enorme verzwakking bij 100 kHz. De verkregen uiteindelijke output gaat over in een audio-output die een versterkte replicatie is van het input-audiosignaal.

De driehoeksgolfgenerator via de circuitconfiguratie 1C2 en 1C5, waarbij IC2 werkt als een blokgolfgenerator met positieve feedback geleverd via R7 en R11. Diodes DI tot D5 werken als een bidirectionele klem. Dit fixeert de spanning op ongeveer +/- 6V.

Een perfecte integrator wordt gecreëerd door vooraf ingestelde VR2, condensator C5 en IC5 die een blokgolf omzet in een driehoeksgolf. Preset VR2 biedt de functie voor freqeuncy-aanpassing.

De 1C5-uitgang op (pin 6) levert feedback aan 1C2, en weerstand R14 en vooraf ingestelde VR3 functioneren als flexibele verzwakker waardoor het niveau van de driehoeksgolf naar wens kan worden aangepast.

Nadat het volledige circuit is gemaakt, moeten VR2 en VR3 worden verfijnd om de hoogste kwaliteit audio-uitvoer mogelijk te maken. Een set gewone 741 opamps voor 1C4 en IC3 kan worden gebruikt als buffers voor eenheidsversterking om de stroom van +/- 7,5 V te leveren.

Condensatoren C3, C4, C11 en C12 worden gebruikt voor filtratie, terwijl de rest van de condensatoren wordt gebruikt voor het ontkoppelen van de voeding.

Het circuit kan worden gevoed met een dubbele +/- 15V DC-voeding, die een 30W 8 ohm-luidspreker door de LC-trap kan sturen met behulp van condensator C13 en inductor L2. Merk op dat een bescheiden koellichaam waarschijnlijk nodig kan zijn voor MOSFET TR3 en TR4.