Amplifier Kelas D Berosilasi Sendiri 350 Watt: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Pendahuluan dan mengapa saya membuat ini dapat diinstruksikan:

Di internet, ada banyak sekali tutorial yang menunjukkan kepada orang-orang bagaimana membuat amplifier kelas D mereka sendiri. Mereka efisien, mudah dimengerti, dan semuanya menggunakan topologi umum yang sama. Ada gelombang segitiga frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh satu bagian dari rangkaian, dan dibandingkan dengan sinyal audio untuk memodulasi sakelar keluaran (hampir selalu MOSFET) hidup dan mati. Sebagian besar desain "DIY Kelas D" ini tidak memiliki umpan balik, dan desain yang hanya terdengar bersih di wilayah bass. Mereka membuat amplifier subwoofer yang dapat diterima, tetapi memiliki distorsi yang signifikan di daerah treble. Yang tanpa umpan balik, karena waktu mati yang diperlukan untuk switching MOSFET, memiliki bentuk gelombang keluaran yang terlihat seperti gelombang segitiga, berlawanan dengan gelombang sinus. Harmonik signifikan yang tidak diinginkan hadir, menyebabkan penurunan kualitas suara yang nyata yang membuat suara musik seperti keluar dari terompet. Suara yang agak terompet dan tidak terlalu keras dari amplifier kelas D saya sebelumnya adalah alasan saya memutuskan untuk meneliti dan membangun amplifier menggunakan topologi yang tidak jelas dan kurang dimanfaatkan ini.

Namun, "pembanding gelombang segitiga" klasik bukan satu-satunya cara untuk membangun penguat kelas D. Ada cara yang lebih baik. Alih-alih memiliki osilator yang memodulasi sinyal, mengapa tidak menjadikan seluruh penguat sebagai osilator? MOSFET keluaran didorong (melalui sirkuit penggerak yang sesuai) oleh keluaran komparator dengan masukan positif yang menerima audio yang masuk dan masukan negatif yang menerima versi tegangan keluaran penguat (diperkecil). Histeresis digunakan dalam komparator untuk mengatur frekuensi operasi dan mencegah mode resonansi frekuensi tinggi yang tidak stabil. Selanjutnya, jaringan snubber RC digunakan di seluruh keluaran untuk menekan dering pada frekuensi resonansi filter keluaran dan mengurangi pergeseran fasa hingga mendekati 90 derajat pada frekuensi operasi penguat sekitar 100 Khz. Kelalaian filter sederhana namun kritis ini akan menyebabkan amplifier rusak sendiri, karena tegangan beberapa ratus volt dapat dihasilkan, menghancurkan kapasitor filter secara instan.

Prinsip operasi:

Asumsikan penguat pertama kali dimulai dan semua tegangan berada pada nol. Karena histeresis itu, komparator akan memutuskan untuk menarik output baik positif atau negatif. Untuk contoh ini, kita akan mengasumsikan bahwa komparator menarik output negatif. Dalam beberapa puluh mikrodetik, tegangan output penguat telah cukup menurun untuk membalik komparator dan mengirim tegangan naik kembali, dan siklus ini berulang sekitar 60 hingga 100 ribu kali setiap detik, menjaga tegangan yang diinginkan pada output. Karena impedansi tinggi filter induktor dan impedansi rendah kapasitor filter pada frekuensi ini, tidak ada banyak kebisingan pada output, dan karena frekuensi operasi yang tinggi, itu jauh di atas rentang yang dapat didengar. Jika tegangan input meningkat, tegangan output akan meningkat cukup sehingga tegangan umpan balik mencapai tegangan output. Dengan cara ini amplifikasi tercapai.

Keuntungan dibandingkan standar kelas D:

1. Impedansi keluaran yang sangat rendah: Karena MOSFET keluaran tidak akan beralih kembali sampai tegangan keluaran yang diinginkan setelah filter tercapai, impedansi keluaran hampir nol. Bahkan dengan perbedaan 0,1 volt antara tegangan keluaran aktual dan yang diinginkan, rangkaian akan membuang amp ke dalam keluaran sampai tegangan membalik komparator kembali (atau sesuatu meledak).

2. Kemampuan untuk menggerakkan beban reaktif dengan bersih: Karena impedansi keluaran yang sangat rendah, kelas D yang berosilasi sendiri dapat menggerakkan sistem speaker multi-arah dengan penurunan dan puncak impedansi yang besar dengan distorsi harmonik yang sangat kecil. Sistem subwoofer porting dengan impedansi rendah pada frekuensi resonansi port adalah contoh utama dari speaker yang penguat "komparator gelombang segitiga" tanpa umpan balik akan berjuang untuk mengemudi dengan baik.

3. Respons frekuensi yang lebar: Saat frekuensi meningkat, amplifier akan mencoba mengkompensasi dengan memvariasikan siklus kerja lebih banyak untuk menjaga tegangan umpan balik sesuai dengan tegangan input. Karena redaman filter pada frekuensi tinggi, frekuensi tinggi akan mulai terpotong pada tingkat tegangan yang lebih rendah daripada yang lebih rendah, tetapi karena musik memiliki daya listrik yang jauh lebih besar pada bass daripada treble (kira-kira distribusi 1/f, lebih banyak jika Anda gunakan bass boost), ini bukan masalah sama sekali.

4. Stabilitas: Jika dirancang dengan benar dan dengan jaringan snubber terpasang, margin fase hampir 90° dari filter keluaran pada frekuensi operasi memastikan bahwa amplifier tidak akan menjadi tidak stabil, bahkan jika mengemudikan beban berat di bawah kliping yang berat. Anda akan meledakkan sesuatu, kemungkinan speaker atau sub, sebelum amp menjadi tidak stabil.

5. Efisiensi dan ukuran kecil: Karena sifat penguat yang mengatur sendiri, menambahkan banyak waktu mati ke bentuk gelombang switching MOSFET tidak mempengaruhi kualitas suara. Efisiensi beban penuh lebih dari 90% dimungkinkan dengan induktor dan MOSFET berkualitas baik (saya menggunakan IRFB4115s di amplifier saya). Akibatnya, heat sink yang relatif kecil pada FET sudah cukup dan kipas hanya diperlukan jika beroperasi di dalam selungkup berinsulasi dengan daya tinggi.

Langkah 1: Suku Cadang, Persediaan, dan Prasyarat

Prasyarat:

Membangun segala jenis sirkuit berdaya tinggi, terutama yang dirancang untuk mereproduksi audio dengan bersih, memerlukan pengetahuan tentang konsep elektronik dasar. Anda perlu mengetahui cara kerja kapasitor, induktor, resistor, MOSFET, dan op-amp serta cara mendesain papan sirkuit penanganan daya dengan benar. Anda juga perlu tahu cara menyolder komponen melalui lubang dan cara menggunakan stripboard (atau membuat PCB). Tutorial ini ditujukan untuk orang-orang yang telah membangun sirkuit yang cukup rumit sebelumnya. Pengetahuan analog yang luas tidak diperlukan, karena sebagian besar subsirkuit di amplifier kelas D mana pun hanya berurusan dengan dua level tegangan - hidup atau mati.

Anda juga perlu mengetahui cara menggunakan osiloskop (hanya fungsi dasar) dan cara men-debug sirkuit yang tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Sangat mungkin, dengan rangkaian kompleksitas ini, Anda akan memiliki sub-sirkuit yang tidak berfungsi saat pertama kali Anda membuatnya. Temukan dan perbaiki masalah sebelum melanjutkan ke langkah berikutnya, men-debug satu sub-sirkuit jauh lebih mudah daripada mencoba menemukan kesalahan di suatu tempat di seluruh papan. Penggunaan osiloskop diperlukan untuk menemukan osilasi yang tidak diinginkan dan memverifikasi bahwa sinyal terlihat sebagaimana mestinya.

Kiat Umum:

Pada penguat kelas D apa pun, Anda akan memiliki tegangan dan arus tinggi yang beralih pada frekuensi tinggi, yang berpotensi menghasilkan banyak noise. Anda juga akan memiliki sirkuit audio berdaya rendah yang peka terhadap kebisingan dan akan menangkap dan memperkuatnya. Tahap input dan tahap daya harus berada di ujung papan yang berlawanan.

Pentanahan yang baik, terutama di tahap daya, juga penting. Pastikan kabel arde langsung dari terminal negatif ke setiap driver gerbang dan komparator. Sulit untuk memiliki terlalu banyak kabel ground. Jika Anda melakukan ini pada papan sirkuit tercetak, gunakan ground plane untuk grounding.

Bagian yang Anda perlukan:

(Kirim pesan kepada saya jika saya melewatkannya, saya cukup yakin ini adalah daftar lengkap)

(Semua yang berlabel HV perlu diberi peringkat setidaknya untuk tegangan yang ditingkatkan untuk menggerakkan speaker, sebaiknya lebih)

(Banyak dari ini dapat diselamatkan dari elektronik dan peralatan yang dibuang ke tempat sampah, terutama kapasitor)

• Catu daya 24 volt mampu 375 watt (saya menggunakan baterai lithium, jika menggunakan baterai pastikan Anda memiliki LVC (low voltage cutoff))
• Boost konverter daya mampu memberikan 350 watt pada 65 volt. (Cari "Yeeco power converter 900 watts" di Amazon dan Anda akan menemukan yang saya gunakan.)
• "Papan perf" atau papan proto untuk membangun semuanya. Saya merekomendasikan memiliki setidaknya 15 inci persegi untuk bekerja dengan proyek ini, 18 jika Anda ingin membangun papan input di papan yang sama.
• Heatsink untuk memasang MOSFET ke
• Kapasitor 220uf
• Kapasitor 2x 470uf, harus diberi peringkat untuk tegangan input (bukan HV)
• 2x 470nf Kapasitor
• 1x 1nf Kapasitor
• Kapasitor Keramik 12x 100nf (atau bisa juga menggunakan poli)
• 2x 100nf Poli kapasitor [HV]
• 1x 1uf Poli kapasitor [HV]
• 1x 470uf RENDAH ESR kapasitor elektrolit [HV]
• 2x 1n4003 dioda (dioda apa pun yang dapat menahan 2 * HV atau lebih baik-baik saja)
• Sekering 1x 10 amp (atau kabel pendek 30AWG melintasi blok terminal)
• 2x 2.5mh induktor (atau gulung sendiri)
• 4x IRFB4115 Power MOSFET [HV] [Harus ASLI!]
• Berbagai macam resistor, Anda bisa mendapatkannya dari eBay atau Amazon dengan beberapa dolar
• Potensiometer Pemangkas 4x 2k
• 2x KIA4558 Op amp (atau op amp audio serupa)
• 3x LM311 komparator
• 1x7808 pengatur tegangan
• 1x papan konverter uang "Lm2596", Anda dapat menemukannya di eBay atau Amazon dengan beberapa dolar
• 2x IC driver gerbang NCP5181 (Anda mungkin meledak, dapatkan lebih banyak) [Harus ASLI!]
• Header 3-pin untuk terhubung ke papan input (atau lebih banyak pin untuk kekakuan mekanis)
• Kabel atau blok terminal untuk speaker, daya, dll
• Kabel daya 18AWG (untuk memasang kabel tahap daya)
• 22 AWG hook-up wire (untuk memasang kabel lainnya)
• 200 ohm transformator audio daya rendah untuk tahap input
• Kipas komputer kecil 12v/200ma (atau kurang) untuk mendinginkan amplifier (opsional)

Alat dan perlengkapan:

• Osiloskop dengan resolusi minimal 2us/div dengan probe 1x dan 10x (Anda dapat menggunakan resistor 50k dan 5k untuk membuat probe 10x Anda sendiri)
• Multimeter yang dapat melakukan tegangan, arus dan hambatan
• Solder dan solder besi (saya menggunakan Kester 63/37, KUALITAS BAIK bebas timah juga berfungsi jika Anda berpengalaman)
• Pengisap solder, sumbu, dll. Anda AKAN membuat kesalahan pada sirkuit sebesar ini, terutama saat menyolder induktor, itu menyakitkan.
• Pemotong kawat dan penari telanjang
• Sesuatu yang dapat menghasilkan gelombang persegi beberapa HZ, seperti papan tempat memotong roti dan timer 555

Langkah 2: Pelajari Cara Kerja Kelas D Berosilasi Sendiri (opsional Tapi Direkomendasikan)

Sebelum Anda mulai, ada baiknya untuk mengetahui cara kerja rangkaian sebenarnya. Ini akan sangat membantu dengan masalah apa pun yang mungkin Anda hadapi lebih lanjut, dan akan membantu Anda memahami apa yang dilakukan setiap bagian dari skema lengkap.

Gambar pertama adalah grafik yang dihasilkan oleh LTSpice yang menunjukkan respons penguat terhadap perubahan tegangan input seketika. Seperti yang Anda lihat dari grafik, garis hijau mencoba mengikuti garis biru. Segera setelah input berubah, garis hijau naik secepat mungkin dan diselesaikan dengan overshoot minimal. Garis merah adalah tegangan dari tahap keluaran sebelum filter. Setelah perubahan, amplifier dengan cepat mengendap dan mulai berosilasi di sekitar set point sekali lagi.

Gambar kedua adalah diagram rangkaian dasar. Masukan audio dibandingkan dengan sinyal umpan balik, yang menghasilkan sinyal untuk menggerakkan tahap keluaran untuk membawa keluaran lebih dekat ke masukan. Histeresis di komparator menyebabkan rangkaian berosilasi di sekitar tegangan yang diinginkan pada frekuensi yang terlalu tinggi untuk ditanggapi oleh telinga atau speaker.

Jika Anda memiliki LTSpice, Anda dapat mengunduh dan bermain-main dengan file skema.asc. Coba ubah r2 untuk mengubah frekuensi dan perhatikan sirkuit menjadi gila saat Anda melepas snubber yang meredam osilasi berlebihan di sekitar titik resonansi filter LC.

Bahkan jika Anda tidak memiliki LTSpice, mempelajari gambar akan memberi Anda ide bagus tentang cara kerja semuanya. Sekarang mari kita mulai membangun.

Langkah 3: Bangun Catu Daya

Sebelum Anda mulai menyolder apa pun, lihat skema dan contoh tata letak. Skema adalah SVG (grafik vektor) jadi setelah Anda mengunduhnya, Anda dapat memperbesar sebanyak yang Anda mau tanpa kehilangan resolusi. Putuskan di mana Anda akan meletakkan segala sesuatu di papan tulis, dan kemudian bangun catu daya. Hubungkan tegangan baterai dan ground dan pastikan tidak ada yang menjadi panas. Gunakan multimeter untuk menyesuaikan papan "lm2596" untuk menghasilkan 12 volt dan periksa apakah regulator 7808 menghasilkan 8 volt.

Itu saja untuk catu daya.

Langkah 4: Bangun Panggung Output dan Driver Gerbang

Dari keseluruhan proses pembuatan, ini adalah langkah tersulit dari semuanya. Bangun semua yang ada di "Sirkuit driver gerbang" dan "Tahap daya" dalam skema, pastikan FET terpasang ke unit pendingin.

Dalam skema, Anda akan melihat kabel yang tampaknya tidak mengarah ke mana-mana dan mengatakan "vDrv". Ini disebut label dalam skema dan semua label dengan teks yang sama terhubung bersama. Hubungkan semua kabel berlabel "vDrv" ke output papan regulator 12v.

Setelah menyelesaikan tahap ini, nyalakan sirkuit ini dengan catu daya terbatas (Anda dapat menggunakan resistor secara seri dengan catu daya) dan pastikan tidak ada yang menjadi panas. Coba kaitkan setiap sinyal input ke driver gerbang ke 8v dari catu daya (satu per satu) dan periksa apakah gerbang yang benar sedang digerakkan. Setelah Anda memverifikasi bahwa Anda tahu drive gerbang berfungsi.

Karena gerbang drive menggunakan rangkaian bootstrap, Anda tidak dapat menguji output secara langsung dengan mengukur tegangan output. Letakkan multimeter pada pemeriksaan dioda dan periksa antara setiap terminal speaker dan setiap terminal daya.

1. Positif untuk Pembicara 1
2. Positif untuk Pembicara 2
3. Negatif ke Pembicara 1
4. Negatif ke Pembicara 2

Masing-masing harus menunjukkan konduktivitas parsial hanya satu arah, seperti dioda.

Jika semuanya berhasil, selamat, Anda baru saja menyelesaikan bagian tersulit dari papan. Anda ingat landasan yang tepat, kan?

Langkah 5: Bangun Generator Sinyal Penggerak Gerbang MOSFET

Setelah Anda menyelesaikan driver gerbang dan tahap daya, Anda siap untuk membangun bagian sirkuit yang menghasilkan sinyal yang memberi tahu driver gerbang FET apa yang harus dihidupkan pada jam berapa.

Bangun semuanya di "generator sinyal driver MOSFET dengan waktu mati" dalam skema, pastikan Anda tidak melupakan kapasitor kecil apa pun. Jika Anda menghilangkannya, rangkaian akan tetap berfungsi dengan baik, tetapi tidak akan berfungsi dengan baik saat Anda mencoba menggerakkan speaker karena komparator berosilasi secara parasit.

Selanjutnya, uji sirkuit dengan memasukkan gelombang persegi beberapa hertz ke "generator sinyal driver MOSFET dengan waktu mati" dari generator sinyal Anda atau sirkuit timer 555. Hubungkan tegangan baterai ke "HV in" melalui resistor pembatas arus.

Hubungkan osiloskop ke output speaker. Anda harus mendapatkan polaritas pembalikan tegangan baterai beberapa kali per detik. Tidak ada yang harus menjadi hangat dan outputnya harus berupa gelombang persegi yang bagus dan tajam. Sedikit overshoot tidak masalah, asalkan tidak lebih dari 1/3 tegangan baterai.

Jika output menghasilkan gelombang persegi yang bersih, itu berarti semua yang Anda buat sejauh ini berfungsi. Hanya satu sub-sirkuit yang tersisa sampai selesai.

Langkah 6: Pembanding, Penguat Diferensial, dan Momen Kebenaran

Anda sekarang siap untuk membangun bagian dari rangkaian yang benar-benar melakukan modulasi kelas D.

Bangun semuanya di "Pembanding dengan histeresis" dan "Penguat diferensial untuk umpan balik" dalam skema, serta dua resistor 5k yang menjaga sirkuit stabil ketika tidak ada yang terhubung ke input.

Hubungkan daya ke sirkuit (tetapi belum HV masuk) dan periksa apakah pin 2 dan 3 dari U6 harus benar-benar mendekati setengah Vreg (4 volt).

Jika kedua nilai tersebut benar, pasang subwoofer melintasi terminal output. sambungkan daya dan HV ke tegangan baterai melalui resistor pembatas arus (Anda dapat menggunakan subwoofer 4 ohm atau lebih besar sebagai resistor). Anda akan mendengar bunyi letupan kecil dan subwoofer tidak boleh bergerak lebih dari satu milimeter atau lebih. Periksa dengan osiloskop untuk memastikan bahwa sinyal yang masuk dan keluar dari driver gerbang NCP5181 bersih dan masing-masing memiliki siklus tugas sekitar 40%. Jika ini tidak terjadi, sesuaikan kedua resistor variabel sampai sesuai. Frekuensi gelombang penggerak gerbang akan lebih rendah dari 70-110 KHZ yang diinginkan karena HV tidak terhubung ke penguat tegangan.

Jika sinyal penggerak gerbang tidak berosilasi sama sekali, coba alihkan SPK1 dan SPK2 ke penguat diferensial. Jika masih tidak berhasil, gunakan osiloskop untuk melacak kesalahan. Ini hampir pasti di komparator atau rangkaian penguat diferensial.

Setelah rangkaian berfungsi, biarkan speaker terhubung dan tambahkan modul penguat tegangan untuk meningkatkan tegangan yang masuk ke HV menjadi sekitar 65-70 volt (ingat sekring). Nyalakan sirkuit, dan pastikan tidak ada yang menjadi panas pada awalnya, terutama MOSFET dan induktor. Lanjutkan pemantauan suhu selama sekitar 5 menit. Adalah normal untuk induktor menjadi hangat, asalkan tidak terlalu panas untuk disentuh terus menerus. MOSFET seharusnya tidak lebih dari sedikit hangat.

Periksa frekuensi dan siklus kerja gelombang penggerak gerbang lagi. Sesuaikan siklus kerja 40% dan pastikan frekuensinya antara 70 dan 110 Khz. Jika tidak, sesuaikan R10 dalam skema untuk memperbaiki frekuensi. Jika frekuensinya benar, Anda siap untuk mulai memutar suara dengan amplifier.

Langkah 7: Input Audio dan Pengujian Akhir

Sekarang amplifier itu sendiri bekerja dengan memuaskan, saatnya untuk membangun tahap input. Di papan lain (atau papan yang sama jika Anda memiliki ruang), buat sirkuit sesuai dengan skema yang disediakan dengan langkah ini (Anda harus mengunduhnya), pastikan itu terlindung dengan sepotong logam yang diarde jika dekat dengan pembangkit kebisingan komponen. Pasang daya dan ground ke sirkuit dari amplifier, tetapi jangan sambungkan sinyal audio. Periksa apakah sinyal audio berada di sekitar 4 volt dan sedikit berubah saat Anda memutar potensiometer "penyesuaian offset DC". Sesuaikan potensiometer untuk 4 volt dan solder kabel input audio ke seluruh rangkaian.

Meskipun skema menunjukkan menggunakan jack headphone sebagai input, Anda juga dapat menambahkan adaptor bluetooth dengan kabel outputnya ke tempat jack audio berada. Adaptor bluetooth dapat ditenagai oleh regulator 7805. (Saya memiliki 7806 dan menggunakan dioda untuk menjatuhkan 0,7 volt lagi).

Nyalakan lagi amplifier, dan colokkan kabel ke jack AUX pada papan input. Mungkin akan ada beberapa statis samar.

Jika statis terlalu keras, ada beberapa hal yang dapat Anda coba:

• Apakah Anda melindungi tahap input dengan baik? Komparator menghasilkan kebisingan juga.
• Tambahkan kapasitor 100nf di output transformator.
• Tambahkan kapasitor 100nf antara audio out dan ground dan tempatkan resistor 2k sejajar sebelum kapasitor.
• Pastikan kabel aux tidak berada di dekat catu daya atau kabel output amplifier.

Perlahan (selama beberapa menit) naikkan volume, pastikan tidak ada yang terlalu panas atau terdistorsi. Sesuaikan penguatan sehingga amplifier tidak terpotong kecuali volumenya maksimal.

Tergantung pada kualitas inti induktor dan ukuran unit pendingin, mungkin ide yang baik untuk menambahkan kipas kecil, yang ditenagai dari rel 12v, untuk mendinginkan amplifier. Ini adalah ide yang sangat bagus jika Anda akan memasukkannya ke dalam kotak.