Amplificatore audio sperimentale in classe D

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Ho realizzato un amplificatore audio di classe D interamente con componenti discreti, anche se non è il più raccomandato, l’idea di questo progetto è puramente educativa per comprendere il funzionamento di un amplificatore di classe D e montare un piccolo circuito sperimentale che funziona correttamente con una potenza ridotta alimentato a 5V

Questo circuito potrebbe essere diviso in quattro blocchi:
1) Il generatore di dente di sega lineare
2) Il comparatore

3) stadio di potenza

4) filtro di uscita
In base ai primi due blocchi genero un’uscita PWM
Fondamentalmente e riassumendo un po’ tutto, non è altro che un generatore PWM a ciclo di lavoro variabile in funzione alla tensione di ingresso (in questo caso l’audio).
Il circuito se abbinato ad un buon driver per mosfet e con adeguati finali può salire tranquillamente in potenza.

dallo schema si nota che non esiste nessun componente di potenza i mosfet usati sono in contenitore To 92, il mio intento è di sperimentare un circuito e spiegarne le scelte.

Anima del circuito proposto è il generatore a dente di sega lineare, avrei potuto infischiarmene di fare fronti di salita lineari ma poi l’uscita finale sarebbe stata distorta. Per determinare la rampa di salita basta sfruttare la carica di un condensatore e ho risolto. Il problema è che la tensione sulle armature del condensatore dipende dalla corrente di carica. Praticamente misuro la quantità di elettroni accumulati, fin qui tutto bene se non fosse che la corrente ha andamento discontinuo, cala al crescere della tensione accumulata sulle armature. Si veda la differenza tra una rampa lineare in rosso e quella reale in verde. Naturalmente la pendenza sarà proporzionale alla corrente circolante.

Un trucco usato spesso consiste nel considerare solo un piccolo tratto centrale, l’errore percentuale della pendenza è accettabile. Errore che comunque persiste perché la corrente di carica non è costante e nemmeno la tensione rilevata sulle armature. Unico sistema per avere una rampa costante è quello di usare una corrente costante, proprio tale sistema ho usato nel mio circuito.

Sono partito da uno schema classico per poi apportare le modifiche, nello specifico la modifica delle resistenze R2, R3 e R4 tali resistenze determinano i livelli inferiore e superiore di commutazione del comparatore con isteresi.  Nel mio caso ho considerato che la tensione di ingresso di qualsiasi preamplificatore è 2Vpp perciò il mio dente di sega dovrà avere quella ampiezza in maniera da avere massima modulazione con il picco positivo e modulazione zero col picco negativo. Non potendo partire da zero con il comparatore ho scelto il valore medio di 2,5V al quale sommare il segnale alternato che in questo modo oscillerà tra

2.5V-1V=1,5V

e

2,5V+1V=3,5V

Stabilite le soglie con una alimentazione a 5V la resistenza R2 assumerà il valore 6k8, R3 3k3 e R4 15k, in teoria dai calcoli il valore di questa ultima resistenza doveva essere 16K ma l’errore nelle soglie si nota nella terza cifra dopo la virgola, ho ritenuto l’errore accettabile.

Il meno è fatto!! Ora tocca caricare il condensatore C con una corrente costante e per fare ciò deve poter variare in maniera continua il valore di R1, oppure sostituirla con un generatore di corrente costante ed è appunto quello che ho fatto. Stabilito questo ora incorro in nuovi problemi, il generatore fornisce corrente di carica ma non quella di scarica, fortunatamente la scarica lineare non mi serve, devo poter abbassare la tensione il più rapidamente possibile per poi ricominciare la carica. Risolvo il tutto con un diodo che scarica il condensatore quando l’uscita del comparatore diventa bassa, tale diodo risulta polarizzato inversamente quando la tensione in uscita è alta. La presenza del diodo verso il transistor evita inneschi indesiderati durante la scarica, di fatto isolando il transistor quando l’uscita del comparatore è a zero.

Ora ho al pin 6 del LM2901 una onda a dente di sega con le caratteristiche dello schema, tale uscita andrà a al comparatore C che fa capo al pin 10, il pin 11 riceverà il segnale audio debitamente amplificato se fosse necessario dal comparatore B che fa capo ai pin 2, 4 e 5 configurato come amplificatore operazionale con guadagno 10. Le capacità di disaccoppiamento C2 E C3 sono sufficienti ad avere una banda passante inferiore di 10Hz. L’uscita 13 di C e la complementare 14 di D servono a pilotare i mosfet che formano lo stadio di potenza, non avendo a portata di mano NMOS ho optato per due PMOS, le potenze basse e le basse tensioni mi permettono di farlo a patto di invertire tra loro i terminali D ed S. Sul punto di unione dei due mosfet ho ora la uscita in PWM che ha lo stesso andamento del segnale audio modulante. Tale segnale è composto da una portante a 42KH modulato dal segnale audio, demodulandolo e bloccando la componente ad onda quadra ho in uscita il segnale modulante amplificato. Il sistema più semplice è usare un filtro LC passabasso.

Il calcolo per le componenti L e C si basa su queste formule

Approssimato al valore standard standard 22uH

Approssimato al valore standard standard 680nF 

In ultimo un esempio di come potrebbe essere realizzato uno stampato, per pudore non mostro la mia versione su breadboard, non è effettivamente una gran bellezza. Comunque, visto l’esiguo numero di componenti tutti saranno in grado di riprodurlo, noterete che all’ascolto non è puro hi-fi ma non è peggiore di tanti lettori MP3 di fascia bassa.

Saluti Amilcare