מגבר Class D מתנודד בעצמו של 350 וואט: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

מבוא ולמה הפכתי את זה להנחיה:

באינטרנט, יש המון הדרכות המראות לאנשים כיצד לבנות מגברים מסוג D משלהם. הם יעילים, פשוטים להבנה, וכולם משתמשים באותה טופולוגיה כללית. יש גל משולש בתדר גבוה שנוצר על ידי חלק אחד במעגל, והוא מושווה לאות השמע כדי לווסת את מתגי הפלט (כמעט תמיד MOSFET) להפעלה וכיבוי. לרוב העיצובים מסוג "DIY Class D" אין משוב, ואלה שנשמעים נקיים רק באזור הבאס. הם מייצרים מגברי סאב מקובלים במקצת, אך בעלי עיוות משמעותי באזורי הטרבל. אלה ללא משוב, בשל זמן המתים הנדרש עבור מיתוג MOSFET, יש צורת גל פלט שנראית כמו גל משולש, בניגוד לגל סינוס. קיימות הרמוניות לא רצויות משמעותיות, מה שמוביל לירידה ניכרת באיכות הצליל שגורמת למוזיקה להישמע כמו לצאת מהחצוצרה. הצליל קצת חצוף, לא כל כך מחורר של המגבר שלי בכיתה D, הוא הסיבה לכך שהחלטתי לחקור ולבנות מגבר באמצעות הטופולוגיה הלא ברורה והלא מנוצלת הזו.

עם זאת, "משווה גל המשולש" הקלאסי הוא לא הדרך היחידה לבנות מגבר מסוג D. יש דרך טובה יותר. במקום שהמתנד יווסת את האות, למה שלא להפוך את כל המגבר למתנד? פלט ה- MOSFET מונע (באמצעות מעגלי כונן מתאימים) על ידי פלט של משווה עם הכניסה החיובית המקבלת את השמע הנכנס והכניסה השלילית המקבלת גרסה (מוקטנת) של מתח המוצא של המגבר. Hysteresis משמש במשווה כדי לווסת את תדירות הפעולה ולמנוע מצבי תהודה לא יציבים בתדירות גבוהה. יתר על כן, רשת snubber RC משמשת על פני הפלט כדי לדכא את הצלצול בתדר התהודה של מסנן הפלט ולהקטין את הסטת הפאזה לכמעט 90 מעלות בתדירות ההפעלה של המגבר בסביבות 100 Khz. השמטת המסנן הפשוט אך הקריטי הזה תגרום למגבר להשמדה עצמית, מכיוון שעלולים להיווצר מתח של כמה מאות וולט, ולהרוס את קבלים המסנן באופן מיידי.

עקרון הפעולה:

נניח שהמגבר הופעל לראשונה וכל המתחים הם אפס. בשל ההיסטריה שלו, המשווה יחליט למשוך את הפלט חיובי או שלילי. בדוגמה זו, נניח שהמשווה מושך את הפלט שלילי. בתוך כמה עשרות מיקרו שניות, מתח המוצא של המגבר ירד מספיק כדי להפוך את המשווה ולשלוח את המתח חזרה למעלה, ומחזור זה חוזר סביב 60 עד 100 אלף פעמים בכל שנייה, תוך שמירה על המתח הרצוי ביציאה. בשל העכבה הגבוהה של מסנן המסנן והעכבה הנמוכה של קבל המסנן בתדר זה, אין הרבה רעש על הפלט, ובשל תדירות ההפעלה הגבוהה, הוא נמצא הרבה מעל הטווח הנשמע. אם מתח הכניסה יגדל, מתח המוצא יגדל מספיק כדי שמתח המשוב יגיע למתח היציאה. בדרך זו מושגת הגברה.

יתרונות על פני סוג D סטנדרטי:

1. עכבת פלט נמוכה במיוחד: מכיוון שפלט ה- MOSFET של הפלט לא יחזור אחורה עד שמתח המוצא הרצוי לאחר הגעת המסנן, העכבה של הפלט היא כמעט אפסית. אפילו עם הבדל של 0.1 וולט בין מתח היציאה בפועל לרצוי, המעגל יזרק אמפר ליציאה עד שהמתח יעיף את המשווה לאחור (או משהו יפוצץ).

2. יכולת הנעה של עומסים תגובתיים בצורה נקייה: בשל עכבת הפלט הנמוכה ביותר, מסוג D-נדנוד עצמי יכול להניע מערכות רמקולים רב כיווניים עם מטבלים ופסגות עכבה גדולות עם מעט עיוות הרמוני. מערכות סאב ניידות בעלות עכבה נמוכה בתדר התהודה של הנמל הן דוגמה מצוינת לרמקול שמגבר "משווה גל משולש" ללא משוב יתקשה לנהוג בו היטב.

3. תגובת תדר רחבה: ככל שהתדר עולה, המגבר ינסה לפצות על ידי שינוי מחזור ההפעלה כדי לשמור על מתח המשוב תואם את מתח הכניסה. בשל הנחתה של המסנן בתדרים גבוהים, תדרים גבוהים יתחילו להיצמד ברמת מתח נמוכה יותר מאשר נמוכים יותר, אך בשל מוזיקה שיש בה הרבה יותר כוח חשמלי בבס מאשר הטרבל (בערך התפלגות 1/f, יותר אם אתה השתמש בהגברת בס), זו לא בעיה כלל.

4. יציבות: אם היא מתוכננת כראוי ועם רשת סנוברית במקומה, מרווח הפאזה של כמעט 90 ° של מסנן הפלט בתדר ההפעלה מבטיח שהמגבר לא יהפוך ליציב, גם אם יניע עומסים כבדים תחת קליפה כבדה. אתה תנפץ משהו, כנראה הרמקולים או המשנים שלך, לפני שהמגבר לא יציב.

5. יעילות וגודל קטן: בשל אופי הוויסות העצמי של המגבר, הוספת הרבה זמן מת לצורות גל המיתוג של MOSFET אינה משפיעה על איכות הצליל. יעילות של עומס מלא של מעל 90% אפשריות עם משרן באיכות טובה ו- MOSFET (אני משתמש במגבר שלי IRFB4115). כתוצאה מכך, גוף קירור קטן יחסית ב- FETs מספיק ומאוורר נדרש רק אם הוא פועל בתוך מארז מבודד בעוצמה גבוהה.

שלב 1: חלקים, חומרים מתכלים ותנאים מוקדמים

דרישות מוקדמות:

בניית כל סוג של מעגל בעל עוצמה גבוהה, במיוחד כזו שנועדה לשחזר אודיו בצורה נקיה, דורשת הכרת מושגי האלקטרוניקה הבסיסיים. יהיה עליך לדעת כיצד פועלים קבלים, משרנים, נגדים, MOSFET ומגברי אופ, כמו גם כיצד לתכנן נכון מעגל טיפול בחשמל. אתה גם צריך לדעת כיצד להלחם רכיבים דרך חור וכיצד להשתמש בלוח חשבונות (או לבנות PCB). הדרכה זו מיועדת לאנשים שבנו בעבר מעגלים מסובכים למדי. אין צורך בידע אנלוגי נרחב, מכיוון שרוב מעגלי המשנה בכל מגבר מסוג D עוסקים בשתי רמות מתח בלבד - מופעלות או כבויות.

יהיה עליך גם לדעת כיצד להשתמש באוסילוסקופ (רק בפונקציות הבסיסיות) וכיצד ניתן לאתר באגים במעגלים שאינם פועלים כמתוכנן. סביר מאוד, עם מעגל בעל מורכבות זו, כי בסופו של דבר יהיה לך תת-מעגל שאינו פועל בפעם הראשונה שאתה בונה אותו. חפש ותקן את הבעיה לפני שתמשיך לשלב הבא, ניפוי באגים במעגל משנה אחד הוא הרבה יותר קל מאשר ניסיון למצוא תקלה אי שם בלוח כולו. יש צורך בשימוש באוסילוסקופ כדי למצוא תנודה לא מכוונת ולוודא שאותות נראים כפי שהם צריכים.

טיפים כלליים:

בכל מגבר מסוג D יהיו לך מתח גבוה וזרמים המתחלפים בתדרים גבוהים, שיש להם פוטנציאל לייצר רעש רב. יהיו לך גם מעגלי שמע בעלי צריכת חשמל נמוכה שרגישים לרעש ויקלטו ויגבירו אותו. שלב הכניסה ושלב ההספק צריכים להיות בקצוות מנוגדים של הלוח.

הארקה טובה, במיוחד בשלב העוצמה, היא גם חיונית. וודא כי חוטי הארקה פועלים ישירות מהמסוף השלילי לכל נהג שער ומשווה. קשה יותר מדי חוטי קרקע. אם אתה עושה זאת על גבי מעגל מודפס, השתמש במטוס קרקעי להארקה.

חלקים שתצטרכו:

(שלח לי הודעה אם פספסתי, אני די בטוח שזו רשימה מלאה)

(כל דבר שכותרתו HV צריך להיות מדורג לפחות על המתח המוגבר כדי להניע את הרמקול, רצוי יותר)

(ניתן להציל הרבה כאלה מאלקטרוניקה ומכשירים שנזרקים לפח, במיוחד קבלים)

• ספק כוח 24 וולט המסוגל 375 וואט (השתמשתי בסוללת ליתיום, אם השתמשת בסוללה וודא שיש לך LVC (ניתוק מתח נמוך))
• ממיר כוח Boost המסוגל לספק 350 וואט ב -65 וולט. (חפש "ממיר כוח Yeeco 900 וואט" באמזון ותמצא את זה שהשתמשתי בו.)
• "לוח פרפ" או לוח פרוטו לבנות עליו הכל. אני ממליץ שיהיה לך לפחות 15 אינץ 'מרובע לעבודה עבור הפרויקט הזה, 18 אם אתה רוצה לבנות את לוח הקלט על אותו לוח.
• כיור קירור להרכבת ה- MOSFET אליו
• קבלים 220uf
• קבלים 2x470uf, אחד חייב להיות מדורג עבור מתח כניסה (לא HV)
• קבלים 2x470nf
• 1x קבל 1nf
• קבלים קרמיים 12x 100nf (או שאתה יכול להשתמש בפולי)
• 2 קבלים פולי 100nf [HV]
• 1x 1uf פולי קבלים [HV]
• 1x 470uf LOW ESR קבלים אלקטרוליטיים [HV]
• דיודה 2x1n4003 (כל דיודה שיכולה לעמוד בפני 2*HV או יותר זה בסדר)
• נתיך 10 אמפר (או חתיכה קצרה של חוט 30AWG לרוחב בלוק מסוף)
• משרן 2x 2.5mh (או הרוח בעצמך)
• 4x IRFB4115 כוח MOSFET [HV] [חייב להיות אמיתי!]
• נגדים שונים, אתה יכול להוריד אותם מ- eBay או אמזון תמורת כמה דולרים
• 4 x 2k פוטנציומטרים לקצץ
• 2x מגבר KIA4558 אופ (או מגברי אודיו מסוג דומים)
• 3x LM311 משווים
• ווסת מתח 1x 7808
• לוח ממיר באק "Lm2596", אתה יכול למצוא אותם ב- eBay או אמזון תמורת כמה דולרים
• 2x IC נהג שער NCP5181 (אתה עלול לפוצץ קצת, לקבל יותר) [חייב להיות אמיתי!]
• כותרת 3 פינים לחיבור ללוח קלט (או יותר סיכות לקשיחות מכנית)
• חוטים או בלוקים מסופים לרמקולים, חשמל וכו '
• חוט חשמל 18AWG (לחיווט שלב הכוח)
• 22 חוט חיבור AWG (לחיווט כל השאר)
• שנאי אודיו בעל עוצמה נמוכה של 200 אוהם לשלב הכניסה
• מאוורר מחשב קטן של 12V/200ma (או פחות) לקירור המגבר (אופציונלי)

כלים וחומרים:

• אוסצילוסקופ ברזולוציה של 2us/div לפחות עם בדיקה 1x ו- 10x (אתה יכול להשתמש בנגד 50k ו- 5k כדי ליצור בדיקה 10x משלך)
• מולטימטר שיכול לבצע מתח, זרם והתנגדות
• הלחמה ומלחם (אני משתמש בקסטר 63/37, איכות טובה ללא עופרת עובד גם אם אתה מנוסה)
• פראייר הלחמה, פתילה וכו '. אתה תעשה טעויות במעגל כה גדול, במיוחד בעת הלחמת המשרן, זה כאב.
• חותכי חוט ופשיטות
• משהו שיכול לייצר גל מרובע של כמה HZ, כמו לוח לחם וטיימר 555

שלב 2: למד כיצד פועל שיעור מתנודד עצמי D (אופציונלי אך מומלץ)

לפני שתתחיל, כדאי שתדע כיצד למעשה המעגל פועל. זה יעזור מאוד בכל בעיה שתתעורר בהמשך, ויעזור לך להבין מה עושה כל חלק בסכימה המלאה.

התמונה הראשונה היא גרף המיוצר על ידי LTSpice המציג את תגובת המגבר לשינוי מיידי של מתח הכניסה. כפי שאתה יכול לראות מהגרף, הקו הירוק מנסה לעקוב אחר הקו הכחול. ברגע שהקלט משתנה, הקו הירוק עולה מהר ככל שהוא יכול ומתייצב עם מינימום חריגה. הקו האדום הוא המתח של שלב הפלט לפני המסנן. לאחר השינוי, המגבר מתיישב במהירות ומתחיל להתנדנד שוב סביב נקודת ההגדרה.

התמונה השנייה היא תרשים המעגל הבסיסי. קלט השמע מושווה לאות המשוב, המייצר אות להנעת שלב הפלט כדי לקרב את הפלט לכניסה. היסטריה במשווה גורמת למעגל להתנדנד סביב המתח הרצוי בתדר גבוה בהרבה מכדי שאוזניים או רמקולים יכולים להגיב אליו.

אם יש לך LTSpice, אתה יכול להוריד ולשחק עם הקובץ הסכימטי.asc. נסה לשנות את r2 כדי לשנות את התדירות ולראות את המעגל משתגע כשאתה מסיר את הנודניק שמבלם תנודות מוגזמות סביב נקודת התהודה של מסנן ה- LC.

גם אם אין לך LTSpice, לימוד התמונות ייתן לך מושג טוב כיצד הכל עובד. עכשיו בואו נתחיל לבנות.

שלב 3: בנה את ספק הכוח

לפני שתתחיל להלחים משהו, תסתכל על הפריסה הסכימטית והדוגמא. הסכימה היא SVG (גרפיקה וקטורית) כך שמרגע שתוריד אותו תוכל להתקרב כמה שתרצה מבלי לאבד רזולוציה. החליט היכן אתה עומד למקם את הכל על הלוח ולאחר מכן בנה את ספק הכוח. חבר את המתח והסוללה והקפד ששום דבר לא יתחמם. השתמש במולטימטר כדי להתאים את הלוח "lm2596" להפלט של 12 וולט ובדוק שהווסת 7808 פלט 8 וולט.

זהו זה עבור אספקת החשמל.

שלב 4: בנה את שלב הפלט ואת מנהל ההתקן של השער

מכל תהליך הבנייה, זהו השלב הקשה מכולם. בנה את הכל ב"מעגל נהג השער "וב"שלב ההספק" בסכימה, וודא כי ה- FET מחוברים לגוף החום.

בתרשים, תראה חוטים שנראים לא הולכים לשום מקום ואומרים "vDrv". אלה נקראים תוויות בסכמטיות וכל התוויות בעלות אותו טקסט מתחברות יחדיו. חבר את כל החוטים המסומנים "vDrv" לפלט של לוח הוויסות של 12V.

לאחר השלמת שלב זה, הפעל את המעגל באמצעות אספקה מוגבלת בזרם (אתה יכול להשתמש בנגד בסדרה עם ספק הכוח) ולוודא ששום דבר לא מתחמם. נסה לחבר כל אחד מאותות הקלט לנהג השער ל- 8v מספק החשמל (אחד בכל פעם) ובדוק שהשערים הנכונים מונעים. לאחר שתוודא שאתה יודע שכונן השער פועל.

בשל כונן השער באמצעות מעגל אתחול, אינך יכול לבדוק את הפלט ישירות על ידי מדידת מתח היציאה. שים את מולטימטר על בדיקת דיודה ובדוק בין כל מסוף רמקולים לכל מסוף חשמל.

1. חיובי לדובר 1
2. חיובי לדובר 2
3. שלילי לדובר 1
4. שלילי לדובר 2

כל אחת מהן צריכה להראות מוליכות חלקית רק בדרך אחת, ממש כמו דיודה.

אם הכל עובד, מזל טוב, בדיוק סיימת את החלק הקשה ביותר בלוח. זכרת הארקה נכונה, נכון?

שלב 5: בנה מחולל אותות MOSFET Gate Drive

לאחר שתסיים את נהג השער ואת שלב ההספק, אתה מוכן לבנות את החלק של המעגל שיוצר את האותות שאומרים לנהגי השער אילו FETs להפעיל באיזו שעה.

בנה הכל ב"מחולל אותות הנהג MOSFET עם זמן מת "בתרשים, וודא שלא תשכח אף אחד מהקבלים הזעירים. אם תשמיט אותם, המעגל עדיין יבדוק מצוין, אך לא יעבוד היטב כאשר תנסה להניע רמקול עקב התנודות הטפילות.

לאחר מכן, בדוק את המעגל על ידי הזנת גל מרובע של כמה הרץ לתוך "מחולל אותות הנהג MOSFET עם זמן מת" ממחולל האותות שלך או ממעגל טיימר 555. חבר את מתח הסוללה ל- "HV in" באמצעות נגד הגבלת זרם.

חבר אוסצילוסקופ ליציאות הרמקולים. אתה צריך לקבל מתח סוללה שהופך את הקוטביות כמה פעמים בשנייה. שום דבר לא צריך להתחמם והתפוקה צריכה להיות גל מרובע נחמד וחד. עודף קטן זה בסדר, כל עוד זה לא עולה על 1/3 מתח הסוללה.

אם הפלט מייצר גל מרובע נקי, המשמעות היא שכל מה שבנית עד כה עובד. נותר רק מעגל משנה אחד עד לסיום.

שלב 6: משווה, מגבר דיפרנציאלי ורגע האמת

כעת אתה מוכן לבנות את החלק של המעגל שעושה למעשה את אפנון המחלקה D.

בנה את כל ה"משווה עם היסטריזה "ו-" מגבר דיפרנציאלי למשוב "בסכימה, כמו גם את שני נגדי 5k השומרים על המעגל יציב כאשר שום דבר אינו מחובר לקלט.

חבר את החשמל למעגל (אך עדיין לא HV ב) ובדוק שסיכות 2 ו -3 של U6 צריכות להיות ממש קרוב למחצית Vreg (4 וולט).

אם שני הערכים הללו נכונים, חבר סאב על פני מסופי הפלט. חבר את החשמל וה- HV למתח הסוללה דרך נגד מגביל זרם (אתה יכול להשתמש בסאב 4 אוהם או יותר כנגד). אתה צריך לשמוע פופ קטן והסאב -וופר לא צריך לנוע בכיוון זה או אחר יותר ממילימטר בערך. בדוק עם אוסצילוסקופ כדי לוודא שהאותות הנכנסים ויוצאים ממנהלי השער NCP5181 נקיים ובעלי כ -40% מחזור עבודה כל אחד. אם זה לא המצב, התאם את שני הנגדים המשתנים עד שהם. תדירות גלי הכונן של השער תהיה נמוכה מ- 70-110 KHZ הרצויים עקב חוסר חיבור HV למגבר המתח.

אם אותות כונני השער אינם מתנדנדים כלל, נסה להחליף את SPK1 ו- SPK2 למגבר הדיפרנציאלי. אם זה עדיין לא עובד, השתמש באוסילוסקופ כדי לאתר את התקלה. זה כמעט בטוח במעגל ההשוואתי או המגבר הדיפרנציאלי.

לאחר שהמעגל פועל, השאר את הרמקול מחובר והוסף את מודול מגביר המתח כדי להגביר את המתח העובר ל- HV בסביבות 65-70 וולט (זכור את הנתיך). הפעל את המעגל וודא ששום דבר לא מתחמם בתחילה, במיוחד ה- MOSFET והמשרן. המשך לעקוב אחר הטמפרטורות במשך כ -5 דקות. זה נורמלי שהמשרן מתחמם, כל עוד לא חם מדי לגעת ברציפות. ה- MOSFETS צריך להיות לא יותר מחום מעט.

בדוק שוב את תדירות ומחזור הפעולה של גלי הכונן של השער. התאם למחזור עבודה של 40% וודא שהתדירות נעה בין 70 ל -110 קילו -הרץ. אם לא, התאם את R10 בסכימה כדי לתקן את התדר. אם התדר נכון, אתה מוכן להתחיל לנגן צליל עם המגבר.

שלב 7: קלט שמע ובדיקה אחרונה

כעת, כאשר המגבר עצמו פועל באופן משביע רצון, הגיע הזמן לבנות את שלב הקלט. על לוח אחר (או על אותו לוח אם יש לך מקום), בנה את המעגל בהתאם לסכימה המופיעה בשלב זה (עליך להוריד אותו), וודא שהוא מוגן בחתיכת מתכת מקורקעת אם הוא קרוב לכל רעש שנוצר. רכיבים. חבר את החשמל והקרקע למעגל מהמגבר, אך אל תחבר את אות השמע עדיין. בדוק שאות השמע הוא בסביבות 4 וולט ומשתנה מעט כאשר אתה מפעיל את פוטנציומטר "התאמת קיזוז DC". כוונן את הפוטנציומטר ל -4 וולט והלחם את חוט כניסת השמע לשאר המעגל.

למרות שהסכימה מציגה שימוש בשקע אוזניות ככניסה, אתה יכול גם להוסיף מתאם Bluetooth עם הפלט שלו מחובר למקום שבו נמצא שקע השמע. ניתן להפעיל את מתאם ה- Bluetooth באמצעות וסת 7805. (היה לי 7806 והשתמשתי בדיודה כדי להוריד עוד 0.7 וולט).

הפעל שוב את המגבר וחבר כבל לשקע AUX בלוח הקלט. כנראה שיהיה איזה סטטי קלוש.

אם הסטטי חזק מדי יש כמה דברים שאתה יכול לנסות:

• האם הגנת היטב על שלב הקלט? גם המשווים מייצרים רעש.
• הוסף קבל 100nf על פני הפלט של השנאי.
• הוסף קבל 100nf בין אודיו החוצה לאדמה והנח נגד 2k בתור לפני הקבל.
• ודא שכבל ה- Aux אינו ליד כבלי הפלט של ספק הכוח או המגבר.

לאט (במשך מספר דקות) תגביר את עוצמת הקול, וודא ששום דבר לא מתחמם מדי או מתעוות. כוונן את הרווח כך שהמגבר לא ייצמד אלא אם עוצמת הקול תהיה מקסימלית.

בהתאם לאיכות ליבת המשרן ולגודל גוף הקירור, ייתכן שיהיה רעיון טוב להוסיף מאוורר קטן, המופעל ממעקה ה -12 וולט, כדי לקרר את המגבר.זהו רעיון טוב במיוחד אם אתה מכניס אותו לקופסה.