Klasse-D-Verstärker mit einer Maximalleistung einstellbar von 20 W bis 300 W

Dies ist ein leistungsstarker Klasse-D-Verstärker einfach zu implementieren. Entwickelt mit den Standardkomponenten, Es kann mit einer Versorgungsspannung zu 300W RMS erreichen bis die von variieren +/- 30in einem +/- 60V in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung. Um einige Werte der Komponenten steigen darüber hinaus, dass die Macht werden revisited sollte, sowohl für maximale Betriebsspannung für die Verlustleistung. Ich habe diese Grenze zu vermeiden, das Diagramm zu verkomplizieren unnötig, die Herstellungskosten und die Gesamtabmessungen zu erhöhen, wodurch.

Dies ist das vollständige Schaltbild eines Verstärkerkanal:

Stückliste

Funktionsprinzip der Klasse D

Dies ist ein selbstschwingende Klasse-D-Verstärker. Dies sorgt für eine ausgezeichnete Leistung dank der abhängigen variablen Frequenz von dem Eingangssignal. Jeder Verstärkerteil wird auf der Grundlage der Funktion unten beschrieben scolta.

Jede Komponente hat mehr als eine Funktion, um die Komplexität der Schaltung und damit die Kosten zu begrenzen,, es ist das Ergebnis der aufeinander folgender Vereinfachungen stammt aus einem langen Studiendesign.

Eingangsstufe

U1A ein Operationsverstärker als ein Wechselrichter angeschlossen.

R1 und C1 bilden einen Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von mit 7 Hz nutzlos unter solchen Frequenzen fallen. R1 definiert die feste Verstärkung und die Eingangsimpedanz des Verstärkers, R2a und R2b sichern die Verstärkung mit der Formel

-(R2a + R2B) / R1

Kein Wert ist entscheidend, Sie können einen beliebigen Wert von 10k auf 100k für R2 wählen.

C2 zusammen mit R2 bilden einen Tiefpassfilter, der die mögliche hochfrequentes Rauschen vermindert.

Seine Grenzfrequenz eingestellt

Ft = 1 / (6,28xR2xC2)

C2 muß als Funktion des Wertes R2 angepasst werden.

Inverter und Integrator

Dies ist der Ring der tatsächlichen Reaktion.

C3 eliminiert die kontinuierliche Komponente des Ausgangs U1a und nochmals mit R3 ein Hochpassfilter bilden,

immer mit der Formel

1 / (6,28xR3xC3) = 3,4Hz.

C3 kann von 2,2 uF bis 10uF problemlos variieren.

C4 wird verwendet, die Intermodulationsverzerrung zu verringern, daß der Integrator U1B erzeugen kann. tatsächlich, R8 fällt durch das Integratorsignal. Sie könnten C4 weglassen, aber, Es ist häufig zu sehen, daß es bei dieser Art von Schaltungen in der Klasse D montiert, auch, ein wenig nach unten’ die Schwingungsfrequenz Antrieb (C4 = 1 nF è 255kHz, Es ist nicht 330kHz).

R8 gibt an, wie die Integratorstufe zusammen mit R3 Verstärkungs.

Der Gewinn ist -R 8 / R3.

Neben 150kOhms R8, der Verstärker wird instabil. R3 ist die Eingangsimpedanz des Integrators und ist eher gering, Es ist daher der Wert der Eingangsstufe von U1a gesehen.

R4 schützt U1B im Falle des Ausfalls. tatsächlich, Wenn die gesättigte Ausgangsspannung, Dies entspricht dem Leistungspotential (durch T1 oder T2 durch R8 gegebenen).

R4 bilden einen Teiler mit R8 begrenzt auf +/- 6VDC maximale Spannung am invertierenden Eingang. R4 konnte die operativen Befugnisse verbunden durch zwei 1N4148-Dioden ersetzt werden, aber, mit einem einzigen Widerstand ist am einfachsten!

Im Normalbetrieb, der invertierende Eingang der Eingangsspannung schwankt +/- 100 mV um und R4 ist nutzlos (der Verstärker arbeitet ohne R4).

Wenn R4 reduziert (bis 1k) Es erhöht die Offsetausgabe. Der Integrator Verhalten verschlechtert. Ein Vorrat eines +/- 50VDC, die Offsetausgabe wird gemessen in:

R4 = 10K: 6mV

R4 = 2.2K: 36mV

R4 = 1k: 71mV

Es wird erreicht, dass es vorteilhaft ist, den Maximalwert möglich R4 zu setzen, aber, berührt immer den maximal zulässigen Ausflug prüfen +/- 10V am invertierenden Eingang. 10k stellt sich heraus, ein guter Kompromiss zu sein.

C5 ist der Kondensatorintegrator. Sein Wert hat großen Einfluss auf die Frequenz der Schwingung (das Herz des Operationsverstärkers in der Klasse D). EIN +/- 50VDC gemessen:

C5 = 220 pF: 255kHz

C5 = 470 pF: 236kHz

C5 = 1 nF: 164kHz

eigentlich, in der Betriebsfrequenz gibt es auch die “Langsamkeit” die TL072, Jahre von der internen Schaltung, mit der sie das Gefühl gemacht. Dies ist, warum wir die Frequenzgrenze unter 300 kHz angenommen haben, aber ausreichend für diesen Verstärker, der Standard-TL072 ist ein guter Budget-Kompromiss, mit einer ausreichend niedrigen Rauschzahl in Audio- und schnell genug für die spezifischen Einsatz von Anwendungen verwendet werden,.

Die Integratorausgangsspannung ist ein Dreiecksignal, das von geht + 1.0in einem + 4.2C5 = 220 pF V Kinder.

Die Wahl der Stromversorgung +/- 9,1V ist ein Wert, mehr als genug.

Gesamter

Die Gesamtverstärkung des Verstärkers ist durch zwei einzelne Amplifikationen in Kaskade definiert: der Verstärker basierend auf U1a und den Integrator.

Im Falle von R2 = 47K hat der Verstärker Verstärkungs, U1a: -R2 / R1 = -47k / 22K = -2.14 (Variable entsprechend der Tabelle)

Verstärkung Supplement: -R8 / R3 = -100k / 4.7K = -21,3 (fest)

Die Gesamtverstärkung des Verstärkers D ist dann -2.14 x (-21.3) = 45, mit einer solchen Amplifikation sind in Ausgabe von 250 W erhalten wirksamen 4 Ohm mit einem Eingangssignal Standard 2 Vpp oder alternativ können wir noch sagen, 0,707 Veff.

Transistor-Ebene Übersetzer

der Transistor T3, ein PNP ermöglicht es dem “Verschiebung” die Integratorausgangsspannung auf -Vcc. tatsächlich, der Strom durch R5 es ist gleich (Vernachlässigen Basisstrom), der Strom fließt durch R7. Putten R5 = R7, dann sind die Spannungen an den Anschlüssen von R 5 und R 7 die gleiche. Wir würden dann R7 in der gleichen Integrator-Ausgangsspannung, subtrahiert die Vbe (Fehler von etwa 0,6 V). Da ein dreieckförmigen Signal verwenden, Sie nicht über einen sehr schnellen Schalttransistor benötigen. Das Potential seines Kollektors wenig variiert und, T3 nicht sättigt nicht während des normalen Betrieb trägt zu einer guten Linearität.

R6 Es begrenzt den Strom, der an Pin 1 eingeben (IM) die IR2184 ein Sättigungsverstärker U1B oder ein Standard-Potential unter der Annahme, T3 leitend und es gab.

Seine Hauptbeschränkung ist mindestens zu unterstützen VCE = Vcc (60V). Die Wahl fiel auf den klassischen BCX42 (125V, 800mA, 330mW) perfekt für diese Anwendung.

Steuerung der Leistungstransistoren: IR2184

Eine Schaltung aus diskreten Komponenten, die diese Funktion gemacht, Es wäre viel teurer in Bezug auf den Gesamtabmessungen und die Verzerrung des Ausgangssignals sowie monetären gewesen.

Eine spezifische integrierte Schaltung macht es sehr einfach, die Kontrolle über die beiden Verstärker MOSFET, Ich entschied mich für die IR2184 (Halbbrückentreiber) von International Rectifier . Die MOSFETs sind mit der Phasenverzögerung mit einer Zeit von etwa angetrieben 0.4uns.

Wenn der Eingang IM (Bein 1) Es ist im Vergleich zu 0 V MIT (Bein 3 was es ist -Vdc), T2 es ist auf, T1 es ist blockiert, was sicherstellt, einen niedrigen Ausgangspegel (-VDC) am Ausgang der letzten.

Wenn das Potential am Stift IM Es ist zwischen 3 V und 5 V mit Bezug auf Pin MIT, T2 ist gesperrt, T1 ist aber, Es kann so nur bleiben 10 die 20 ms, da seine Steuerung wird durch den Bootstrap-Kondensator gespeist C12. Wenn IN bleibt dauerhaft 5VDC, T1 und T2 sind gesperrt und das System nicht schwingt. Der Ausgang der Transistoren ist 0V (verbunden, durch R4 an Masse + R8 oder Lautsprecher).

Der IR2184 zugeführt wird 12 V (zwischen 10V und 15V ist der typische Wert) und verbraucht etwa 30 mA, der bei 250 kHz mit zwei Transistoren IRFB5620 Kommen Sie “Last”.

D4 e R14 Umgang mit Last C12 (Bootstrap-Kondensator). Dieser Kondensator liefert die T1, wenn dieser Befehl ausgeführt wird. T1 kann so für ein paar Dutzend Millisekunden bleiben, aber es ist ausreichend für diesen Verstärker.

Die IR2184 muss den T1 und T2 sehr nahe positioniert werden.

Es sollte eine besondere Spur der sich von dem zu erwarten, die T2-Feeds, die an Pin geht 3 IR2184 Wert seiner Zerstörung, aus dem gleichen Grund die zwei elektrolytischen C7 e C8 Außerdem müssen sie so nah wie möglich an die letzte T1 und T2 montiert werden.

Um die Schaltverluste der Transistoren zu reduzieren,unter Verwendung von Komponenten R11, R12, D1 e D2. Die Dioden ermöglichen eine schnelle Öffnung von MOSFET-Transistoren mit schnelle Entladung der Gate-Kapazität.

Der IR2184 ist in der Lage einen zu hohen Strom zu liefern als 1EIN Zu diesem Zweck. R11 und R12 bieten ein wenig zusätzliche Ausfallzeiten, die vermeidet das Risiko, dass ein MOSFET in einem leitenden Zustand eintritt, bevor die andere interdict hat.

Ausgangsstufe

Die Ausgangsstufe ist durch zwei gleichen N-MOSFET-Transistoren T1 und T2 und durch Entkopplungskondensatoren C7 und C8 gebildet. Die Transistoren sind so bemessen, wie folgt:

VDS = mit +/- 60Versorgung V, Es muss sein, 120V, zu dem ein hinzugefügt werden müssen 30% – 40% etwa Marge.

dann, scelgo VDS = 200V.

ID = 15A (schlimmsten Fall Vcc = 60V / Load = 4 Ohm) Der Vorteil eine hohe ID an ein MOSFET aufweist, ist der Widerstand gering Rdson, mit daraus folgenden Dissipation (Leitungsverluste) niedrig. dann, scelgo ID = 25A

Sie sollten Transistor mit dem niedrigen Gate-Ladung Qg sonst zum Laden gewählt werden, werden mehr Zeit, um das endgültige Signal und Leiten viel Zeit in der linearen Zone abbau, das wäre schädlich für zwei Faktoren, eine Erhöhung der endgültigen Verzerrung und eine Erhöhung der Betriebstemperatur.

Aus diesen Gründen habe ich gewählt, IRFB5620: 25A 200V 60 mOhm für Klasse-D-Verstärker speziell entworfen.

Ausgangsfilter

Die LC-Tiefpassfilter in der Ausgangsberechnung durch die folgende Formel

L1 = x RL 1,41 / 6,28 x F

Betrachtet man die Lautsprecherlast RL 4 Ohm F und die Filtergrenzfrequenz, die zumindest ein paar Oktaven unter der Schaltfrequenz und mindestens eine Oktave über die maximal reproduzierbare Frequenz sein muß I willkürlich als der Wert der Frequenz 43KHz genommen

Anwendung der Formel I dann

L1 = 4×1,41/(6,28×43000) = 20,95 uH

Ich wähle einen Standardwert von 22uH und Neuberechnen der Frequenzwert mit der Formel

F = RLx1,41 / 6,28xL1 = 40,8KHz noch innerhalb der Grenze von einer Oktave in bezug auf die maximale Frequenz,.

Für die Nutzung Kapazität anstelle der Formel

C = 1/(6,28xFxRLx1,41) = 1/(6,28x40800x4x1,41) = 690nF

approssimerò, dass der Standardwert 680nF, aus Feldversuchen die Zugabe von Widerstand R13 in Reihe mit dem Kondensator C14 linearisiert die Reaktion von Sprechern.

Auto Start

Wie bereits erwähnt, wenn der Eingang “IM” die IR2184 ist hoch statisch, T1 und T2 ausgeschaltet sind (C12 entladen und gleichzeitig D4 sperren).
Sie müssen ein paar Millivolt-Signal setzen (ein wenig ‚Musik) Eingang des Verstärkers mit der Eigenschwingung zu starten.
Im normalen Gebrauch eines Audio-Verstärker, Dies stellt kein Problem dar. Dieser Klasse-D-Verstärker ist einfach “im Schlaf” vor dem kleinen musikalischen Stress.

Macht

Unabhängig von zwei Betriebsspannungen zwischen +/- 30V e +/- 60V

Zur Überwindung dieser Grenzen sowohl in der Ober- und Unterseite müssen die Zener mit Konstantstromgeneratoren ersetzt Widerstände einschränkend. dieser Fall die Lösung mit Ausnahme nur das endgültige Schema zu vereinfachen, ein Widerstand, auch wenn Macht, Es ist sicherlich weniger sperrig als zwei Widerstände eine Diode und ein Transistor, der die gleiche Arbeit leisten.

Werte werden auf R2 zu der gewünschten Leistung zugewiesen

Eine Parität des Eingangssignals ist durch den Wert der Widerstände R2a und R2b mit der folgenden Tabelle in Übereinstimmung Verändern die Soll-Leistung ohne Veränderung andere Werte, wenn nicht die duale Versorgungsspannung zu erhalten, zugeführt werden.

praktische Umsetzung

Da ich eine kompakte Schaltung zu machen begonnen habe ich zwei verschiedene entwirren die erste mit diskreten Komponenten, die mir alle notwendigen Anpassungen in der Funktionsprüfung und eine endgültige mit SMD-Bauteilen für diejenigen machen dürfen, die ultra-kompakten beruflichen Leistungen lieben.

Unterhalb der Routing für Tests mit ungefähren Messungen von 10cm x 6cm

Seitenteile und Kupferseite

Dann wurde einmal alles kalibriert und justiert für einen optimalen Betrieb ich die endgültige Version mit dem Einsatz von integrierten SMD-Power-Komponenten übergeben, die noch verbleibenden diskret sind.

Die Größe, die ich nicht in der Lage weiter als zwei Elektrolyt- und die Spule zu reduzieren sind sehr sperrige Gegenstände.

Trotzdem haben die endgültigen Messungen reduziert worden, um die Messung 99mmx43mm 10cm Seite wird durch die Größe der Rippe gegeben und unter nicht die Betriebstemperatur abzusteigen nicht zu erhöhen, wäre in der Lage.

Wenn wir jedoch der Auffassung, dass in einem solchen Streifen Zuschneiden eingegeben es einen Verstärker an die Last von 300 W liefern kann wirksam 4 Ohm es ist bemerkenswert,.

Amilcare Grüße