Gli amplificatori audio progettati per amplificare un segnale audio analogico attraverso la modulazione di larghezza di impulso o l'elaborazione PWM e con ciclo di lavoro regolabile sono noti con molti nomi tra cui amplificatore digitale, amplificatore di classe D, amplificatore commutato e amplificatore PWM.
Poiché può funzionare a efficienze elevate, a Amplificatore in classe D. è diventato un concetto preferito per le applicazioni mobili e di comunicazione pubblica in cui la distorsione è trascurabile.
Perché gli amplificatori PWM sono così efficienti
È perché convertono il segnale audio analogico in contenuto modulato PWM equivalente. Questo segnale audio PWM modulato viene amplificato in modo efficiente dai dispositivi di uscita come MOSFET o BJT e quindi riconvertito in una versione analogica ad alta potenza utilizzando speciali induttori sugli altoparlanti collegati.
Lo sappiamo semiconduttore dispositivi come MOSFET e BJT 'non mi piace' venga utilizzato in regioni indefinite di un segnale di ingresso e tende a surriscaldarsi. Ad esempio a MOSFET non si accenderà correttamente quando i segnali di gate sono inferiori a 8 V e i BJT non rispondono correttamente a una trasmissione di base inferiore a 0,5 V, con conseguente elevata quantità di dissipazione del calore attraverso il dissipatore di calore del corpo.
I segnali analogici essendo esponenziali per natura costringono i dispositivi di cui sopra a lavorare con potenziali di lento aumento e di caduta lenta scomodi e sfavorevoli, causando un'elevata dissipazione del calore e maggiori inefficienze.
PWM il concetto di amplificazione al contrario, consente a questi dispositivi di funzionare accendendoli completamente o spegnendoli completamente, senza potenziali intermedi indefiniti. Per questo motivo i dispositivi non irradiano calore e l'amplificazione audio è resa con alta efficienza e perdite minime.
Vantaggi dell'amplificatore digitale rispetto all'amplificatore lineare
- Gli amplificatori digitali o PWM utilizzano l'elaborazione PWM e quindi i dispositivi di uscita amplificano i segnali con la minima dissipazione di calore. Gli amplificatori lineari utilizzano un design a inseguitore di emettitore e dissipano un'elevata quantità di calore durante l'amplificazione del suono.
- Gli amplificatori digitali possono funzionare con un numero inferiore di dispositivi di potenza in uscita rispetto agli amplificatori lineari.
- A causa della minima dissipazione del calore, non sono necessari dissipatori di calore o dissipatori di calore più piccoli, rispetto agli amplificatori lineari che dipendono da grandi dissipatori di calore.
- Gli amplificatori PWM digitali sono più economici, più leggeri e altamente efficienti rispetto agli amplificatori lineari.
- Gli amplificatori digitali possono funzionare con ingressi di alimentazione più piccoli rispetto agli amplificatori lineari.
In questo post, il primo amplificatore di potenza PWM di seguito è gestito da una batteria da 6 V e genera fino a 5W di potenza in uscita. Data la sua sfacciata capacità di uscita, l'amplificatore PWM si trova spesso nei megafoni.
Un problema comune con gli amplificatori AF mobili è che a causa della loro proprietà di bassa efficienza è difficile produrre alta potenza da una bassa tensione di alimentazione.
Tuttavia, l'amplificatore PWM nella nostra discussione ha un'efficienza quasi del 100% a un livello di distorsione accettabile con i megafoni e la relativa P.A. dispositivi. Di seguito vengono spiegati alcuni fattori che contribuiscono alla progettazione:
Modulazione della larghezza di impulso
Il principio della modulazione di larghezza di impulso (PWM) è rappresentato nella Figura 1 di seguito.
Il concetto è semplice: il duty cycle di un segnale rettangolare di frequenza più alta è controllato da un segnale di ingresso. Il tempo di accensione dell'impulso è relativo all'ampiezza istantanea del segnale di ingresso.
La quantità di tempo di accensione e spegnimento oltre alla frequenza è costante. Pertanto, quando manca un segnale di ingresso, viene prodotto un segnale a onda quadra simmetrica.
Per ottenere una qualità del suono relativamente buona, la frequenza del segnale rettangolare deve essere doppia rispetto alla frequenza più alta nel segnale di ingresso.
Il segnale risultante può essere utilizzato per alimentare un altoparlante. La Figura 4 mostra una chiara conversione nella traccia dell'oscilloscopio.
La traccia superiore mostra il segnale di uscita post-filtrato e misurato attraverso l'altoparlante. L'ampiezza del rimanente Segnale PWM che si sovrappone l'onda sinusoidale è piccola.
Interruttori elettronici come amplificatori
La Figura 2 descrive il funzionamento standard dell'amplificatore PWM con l'aiuto dello schema a blocchi.
Supponiamo che quando l'ingresso è in cortocircuito, l'interruttore Speralimenta il condensatore C7con una corrente IDue. Ciò avviene fino al raggiungimento di una tensione di commutazione limite superiore adeguata.
Quindi collega R7a terra. Dopodiché, C7viene scaricato alla tensione di commutazione del limite inferiore di Sper. Di conseguenza, C7e R7produce un'onda quadra con una frequenza di 50 kHz.
Quando un segnale AF viene inviato all'ingresso dell'amplificatore, la corrente aggiuntiva I1riduce o aumenta relativamente il tempo di carica, oppure aumenta e diminuisce il tempo di scarica.
Quindi, il segnale in ingresso modifica il duty factor del segnale ad onda quadra che si vede all'uscita dell'altoparlante.
Ci sono due leggi che sono essenziali per il funzionamento di base dell'amplificatore PWM.
- Il primo è l'interruttore Sbè controllato in anti-fase con Spermentre si tiene l'altro terminale dell'altoparlante come tensione alternativa a quella del segnale PWM.
Questa configurazione produce un risultato dello stadio di uscita di potenza del tipo a ponte di commutazione. Successivamente, ad ogni polarità, l'altoparlante viene forzato con la piena tensione di alimentazione in modo da ottenere il massimo consumo di corrente.
2. In secondo luogo, esaminiamo gli induttori L1e ioDue. Lo scopo degli induttori è quello di integrare il segnale rettangolare e convertirlo in sinusoidale come mostrato nella traccia dell'oscilloscopio in precedenza. Inoltre, funzionano anche come soppressori di armoniche del segnale rettangolare a 50 kHz.
Elevata resa sonora da un design modesto
Dallo schema nella figura sopra, è possibile identificare facilmente i componenti elettronici utilizzati nello schema a blocchi.
Una manciata di parti come il resistore R1, i condensatori di accoppiamento C1e C4, controllo del volume P1e un amplificatore basato sull'amplificatore operazionale A1fa il lavoro di polarizzazione per un microfono a condensatore (o elettrostatico).
L'intera operazione crea il segmento di ingresso dell'amplificatore PWM. Come discusso in precedenza, gli interruttori Spere Sbsono costruiti da interruttori elettronici ES1dita dei piedi4e coppie di transistor T1-T3e TDue-T4.
Le indicazioni delle parti per i componenti elettronici che compongono il generatore PWM sono relative a quelle descritte nello schema a blocchi.
Probabilmente l'amplificatore PWM è straordinariamente efficiente perché i transistor di uscita non vengono riscaldati anche se forzati con una condizione di azionamento completo. In breve, la dissipazione nello stadio di potenza è praticamente nulla.
Il fattore più importante da considerare prima di selezionare gli induttori L1e ioDueè che devono essere in grado di canalizzare 3 A senza saturarsi.
La considerazione sull'induttanza effettiva viene solo seconda. Ad esempio, gli induttori utilizzati in questo progetto sono stati ottenuti da un dimmer.
Lo scopo dei diodi D3a D6è quello di contenere il back EMF prodotto dagli induttori a un valore ragionevolmente sicuro.
Inoltre, l'ingresso non invertente di opamp A1è formato da D1, C3, DDuee R3. Questa tensione di ingresso, filtrata in modo efficiente, è pari alla metà della tensione di alimentazione.
Quando si utilizza un amplificatore operazionale tradizionale, il guadagno di tensione viene assegnato da un anello di feedback negativo. R4e R5imposterà il guadagno su 83 per garantire una sensibilità del microfono sufficiente.
Nel caso in cui utilizzi sorgenti di segnale ad alta impedenza, R4può essere amplificato secondo necessità.
L1e ioDuecausare lo sfasamento e per questo motivo, il feedback è possibile con l'assistenza del segnale ad onda quadra al collettore di T1rispetto al segnale sinusoidale dell'altoparlante.
Combinato con C5l'opamp fornisce la significativa integrazione del segnale di feedback PWM.
Il sistema di feedback riduce la distorsione dell'amplificatore, ma non così ampiamente da poterlo utilizzare per altre applicazioni oltre che per la comunicazione al pubblico.
Normalmente, per un amplificatore di classe D con bassa distorsione sarebbe necessaria una quantità significativamente maggiore di tensione di alimentazione e un progetto di circuito complicato.
L'implementazione di questa configurazione ostacolerebbe l'efficienza complessiva del circuito. Prestare attenzione quando si scelgono interruttori elettronici nell'amplificatore poiché i tipi HCMOS sono quelli adatti.
Un tipico CMOS tipo 4066 è estremamente lento e inadeguato per attivare un 'cortocircuito' su T1-T3e TDue-T4. Non solo, ma c'è anche un rischio maggiore di sovraccaricare o addirittura danneggiare in modo permanente l'amplificatore.
Amplificatore PWM per applicazione megafono
Gli appassionati di elettronica preferiscono utilizzare l'amplificatore di classe D per alimentare un altoparlante a tromba perché può produrre il suono più forte per un livello di potenza selezionato.
Utilizzando un pacco batteria da 6 V e un altoparlante a camera di pressione, il modello di amplificatore è stato facilmente costruito.
Gli attuali 4 W di potenza in uscita erano misurabili in un megafono con una discreta gamma audio.
Quattro batterie a secco da 1,5 V o monocellule alcaline sono state collegate in serie per fornire la tensione al megafono. Nel caso in cui desideri utilizzare questa configurazione frequentemente, opta per una batteria NiCd ricaricabile o di tipo gel (Dryfit).
Poiché il consumo di corrente massimo del megafono è di 0,7 A, un alcalino standard è adatto a supportare il funzionamento per 24 ore a piena potenza di uscita.
Se prevedi un uso non continuativo, la scelta di un set di celle a secco sarà più che sufficiente.
Tieni presente che qualunque fonte di alimentazione utilizzi, non deve mai attraversare più di 7 V.
Il motivo sono gli interruttori HCMOS in IC1non funzionerebbe correttamente a quel livello di tensione o più.
Fortunatamente, per l'amplificatore, la soglia massima per la tensione di alimentazione è maggiore di 11 V.
Di seguito viene fornito il design PCB per l'amplificatore in classe D PWM sopra spiegato:
Un altro buon amplificatore PWM
Un amplificatore PWM ben progettato comprenderà un generatore di onde rettangolari simmetriche.
Il ciclo di lavoro di questa onda rettangolare è modulato dal segnale audio.
Invece di funzionare in modo lineare, i transistor di uscita funzionano come interruttori, quindi sono completamente accesi o spenti. In uno stato dormiente, il ciclo di lavoro della forma d'onda è del 50%.
Ciò significa che ogni transistor di uscita è completamente saturo o anche noto come conduttore, per la stessa durata. Di conseguenza, la tensione di uscita media è zero.
Ciò significa che se uno degli interruttori rimane chiuso un po 'più a lungo dell'altro, la tensione di uscita media sarà negativa o positiva a seconda della polarità del segnale di ingresso.
Pertanto, possiamo osservare che la tensione di uscita media è relazionale al segnale di ingresso. Questo perché i transistor di uscita funzionano interamente come interruttori, quindi c'è una perdita di potenza tremendamente bassa nello stadio di uscita.
Il design
La Figura 1 mostra l'intero schema dell'amplificatore PWM di classe D. Possiamo vedere che l'amplificatore PWM non deve essere troppo complesso.
Il segnale audio in ingresso viene applicato a un amplificatore operazionale IC1 che funge da comparatore. Questa configurazione porta una manciata di trigger di Schmitt che sono collegati in parallelo al circuito.
Ci sono per due ragioni. In primo luogo, deve esserci una forma d'onda 'quadra' e in secondo luogo, è richiesta la corrente di pilotaggio di base adeguata per lo stadio di uscita. In questa fase sono installati due transistor semplici ma veloci (BD137 / 138).
L'intero amplificatore oscilla e genera un'onda quadra. Il motivo è che un ingresso dal comparatore (IC1) è collegato all'uscita tramite una rete RC.
Inoltre, entrambi gli ingressi di IC1 sono polarizzati alla prima metà della tensione di alimentazione impiegando un partitore di tensione R3 / R4.
Ogni volta che l'uscita di IC1 è bassa e gli emettitori di T1 / T2 sono alti, la carica del condensatore C3 avviene attraverso il resistore R7. Allo stesso tempo, ci sarà un aumento di tensione sull'ingresso non invertente.
Una volta che questa tensione crescente attraversa il livello di put invertente, l'uscita di IC1 passa da bassa ad alta.
Di conseguenza, gli emettitori di T1 / T2 cambiano da alto a basso. Questa condizione consente a C3 di scaricarsi attraverso R7 e la tensione sull'ingresso positivo scende al di sotto della tensione sull'ingresso negativo.
Anche l'uscita di IC1 ritorna a uno stato basso. Alla fine, viene prodotta un'onda quadra ad una frequenza decisa da R7 e C3. I valori forniti generano un'oscillazione a 700 kHz.
Utilizzando un file oscillatore , possiamo modulare la frequenza. Il livello di ingresso invertente di IC1 che di solito viene utilizzato come riferimento non rimane costante ma è deciso dal segnale audio.
Inoltre, l'ampiezza determina il punto esatto in cui l'uscita del comparatore inizia a cambiare. Di conseguenza, lo “spessore” delle onde quadre viene regolarmente modulato dal segnale audio.
Per garantire che l'amplificatore non funzioni come un trasmettitore a 700 kHz, è necessario applicare un filtro alla sua uscita. Una rete LC / RC che comprende L1 / C6 e C7 / R6 fa un buon lavoro come a filtro .
Specifiche tecniche
- Dotato di un carico di 8 ohm e di una tensione di alimentazione di 12 V, l'amplificatore ha generato 1,6 W.
- Quando vengono utilizzati 4 ohm, la potenza aumenta a 3 W. Per un calore dissipato così piccolo, non è richiesto il raffreddamento dei transistor di uscita.
- È dimostrato che la distorsione armonica è insolitamente bassa per un circuito semplice come questo.
- Il livello di distorsione armonica totale era inferiore allo 0,32% dalla gamma misurata da 20 Hz a 20.000 Hz.
Nella figura sotto, puoi vedere il PCB e la disposizione delle parti per l'amplificatore. Il tempo e il costo di costruzione di questo circuito sono molto bassi, quindi rappresenta un'eccellente possibilità per chiunque desideri migliorare la comprensione del PWM.
Elenco delle parti
Resistenze:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 Ohm
P1 = Potenziometro logaritmico 100k
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V
C9 - 2n2
Semiconduttori:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138
Miscellanea:
L1 = 39μH induttore
Semplice circuito amplificatore in classe D a 3 transistor
L'eccezionale efficienza dell'amplificatore PWM è tale che è possibile produrre un'uscita di 3 W con un BC107 utilizzato come transistor di uscita. Ancora meglio, non richiede un dissipatore di calore.
L'amplificatore comprende un oscillatore a larghezza di impulso controllato in tensione che opera a circa 6 kHz e impone uno stadio di uscita di classe D.
Ci sono solo due scenari: pieno o completamente spento. A causa di ciò, la dissipazione è incredibilmente piccola e di conseguenza produce un'elevata efficienza. La forma d'onda in uscita non assomiglia all'ingresso.
Tuttavia, l'integrale delle forme d'onda di uscita e di ingresso sono proporzionali tra loro rispetto al tempo.
La tabella dei valori dei componenti presentata mostra che è possibile fabbricare qualsiasi amplificatore con uscite comprese tra 3 W e 100 W. Detto questo, è possibile ottenere potenze maggiori fino a 1 kW.
Lo svantaggio è che crea circa il 30% di distorsione. Di conseguenza, l'amplificatore può essere utilizzato solo per l'amplificazione del suono. È adatto per i sistemi di diffusione sonora perché il discorso è incredibilmente comprensibile.
Amplificatore operazionale digitale
Il concetto seguente mostra come utilizzare un flip flop di ripristino del set di base IC 4013 potrebbe essere applicato per convertire il segnale audio analogico in un segnale PWM corrispondente, che può essere ulteriormente alimentato a uno stadio MOSFET per l'amplificazione PWM desiderata.
È possibile utilizzare metà del pacchetto 4013 come amplificatore dotato di un'uscita digitale con un ciclo di lavoro proporzionale alla tensione di uscita desiderata. Ogni volta che hai bisogno di un'uscita analogica, un semplice filtro farebbe il lavoro.
È necessario seguire gli impulsi di clock come specificato e questi devono essere significativamente più alti in frequenza rispetto alla larghezza di banda desiderata. Il guadagno è R1 / R2 mentre il tempo R1R2C / (R1 + R2) deve essere più lungo del periodo degli impulsi di clock.
Applicazioni
Ci sono molti modi in cui il circuito può essere utilizzato. Alcuni sono:
- Acquisire impulsi dal punto di passaggio per lo zero della rete e applicare un triac all'uscita. Di conseguenza, ora hai il controllo del potere relazionale senza RFI.
- Utilizzando un orologio veloce, commuta i transistor del driver con l'uscita. Il risultato è un amplificatore audio PWM altamente efficiente.
Amplificatore PWM da 30 watt
Uno schema del circuito per un amplificatore audio in classe D da 30W può essere visto nel seguente file pdf.
30 watt classe D ScaricaL'amplificatore operazionale IC1 amplifica il segnale audio in ingresso attraverso il potenziometro a volume variabile VR1. Un segnale PWM (modulazione di larghezza di impulso) viene generato confrontando il segnale audio con un triangolo di 100 kHz. Ciò si ottiene tramite il comparatore 1C6. Il resistore RI3 viene impiegato per fornire un feedback positivo e C6 viene effettivamente introdotto per migliorare il tempo di funzionamento del comparatore.
L'uscita del comparatore commuta tra gli estremi di tensione di ± 7,5 V. Il resistore di pull-up R12 offre + 7,5 V mentre -7,5 V è fornito dal transistor a emettitore aperto interno dell'amplificatore operazionale IC6 al pin 1. Durante il tempo in cui questo segnale si sposta a livello positivo, il transistor TR1 funziona come un terminale sink di corrente. Questo assorbimento di corrente provoca un aumento della caduta di tensione sul resistore R16, che diventa appena sufficiente per accendere il MOSFET TR3.
Quando il segnale passa all'estremo negativo. TR2 si trasforma in una sorgente di corrente che porta a una caduta di tensione su R17. Questa caduta diventa appena sufficiente per accendere TR4. Fondamentalmente, i MOSFET TR3 e TR4 vengono attivati alternativamente generando un segnale PWM che passa da +/- 15V.
A questo punto diventa fondamentale riportare o convertire questo segnale PWM amplificato nella buona riproduzione audio che può essere un equivalente amplificato del segnale audio in ingresso.
Ciò si ottiene creando una media del ciclo di lavoro PWM attraverso un filtro passa-basso Butterworh di 3 ° ordine con una frequenza di taglio (25kHz) significativamente inferiore alla frequenza di base del triangolo.
Questa azione porta a un'enorme attenuazione a 100kHz. L'output finale ottenuto si trasforma in un'uscita audio che è una replica amplificata del segnale audio in ingresso.
Il generatore di onde triangolari attraverso la configurazione circuitale 1C2 e 1C5, dove IC2 funziona come un generatore di onde quadre con feedback positivo fornito tramite R7 e R11. I diodi da DI a D5 funzionano come un morsetto bidirezionale. Questo fissa la tensione a circa +/- 6V.
Un integratore perfetto viene creato tramite VR2 preimpostato, condensatore C5 e IC5 che trasforma un'onda quadra in un'onda triangolare. Preset VR2 fornisce la funzione di regolazione della frequenza.
L'uscita 1C5 su (pin 6) fornisce feedback a 1C2, e il resistore R14 e il preset VR3 funzionano come attenuatori flessibili che consentono di regolare il livello dell'onda triangolare secondo necessità.
Dopo aver realizzato il circuito completo, VR2 e VR3 devono essere ottimizzati per consentire l'uscita audio della massima qualità. Un set di normali amplificatori operazionali 741 per 1C4 e IC3 può essere impiegato come buffer di guadagno unitario per fornire l'alimentazione +/- 7,5V.
I condensatori C3, C4, C11 e C12 vengono utilizzati per la filtrazione, mentre il resto dei condensatori viene utilizzato per disaccoppiare l'alimentazione.
Il circuito può essere alimentato con un doppio alimentatore da +/- 15 V CC, che sarà in grado di pilotare un altoparlante da 30 W 8 ohm attraverso lo stadio LC utilizzando il condensatore C13 e l'induttore L2. Si noti che potrebbero essere necessari dei modesti dissipatori di calore per i MOSFET TR3 e TR4.
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