הסבירו 4 מעגלי מגבר PWM יעילים

מגברי שמע אשר נועדו להגביר אות שמע אנלוגי באמצעות אפנון רוחב הדופק או עיבוד PWM ועם מחזור חובה מתכוונן ידועים בשמות רבים, כולל מגבר דיגיטלי, מגבר Class-D, מגבר מוגבר ומגבר PWM.

מכיוון שהוא יכול לבצע יעילות גבוהה, א מגבר Class-D הפך למושג מועדף עבור יישומים ניידים וכריזה שבהם העיוות הוא זניח.

מדוע מגברי PWM יעילים כל כך

זה בגלל שהם ממירים את אות השמע האנלוגי לתוכן שווה ערך של PWM. אות שמע PWM מווסת זה מוגבר ביעילות על ידי התקני הפלט כגון MOSFET או BJT ואז מומר חזרה לגרסה אנלוגית בעלת הספק גבוה באמצעות משרנים מיוחדים על פני הרמקולים המחוברים.

אנחנו יודעים את זה מוֹלִיך לְמֶחֱצָה מכשירים כגון MOSFET ו- BJT 'לא אוהב' להיות מופעל באזורים לא מוגדרים של אות קלט ונוטים להתחמם. לדוגמא א MOSFET לא יופעל כראוי כאשר אותות השער נמוכים מ- 8 וולט, ו- BJT לא יגיבו כראוי מתחת לכונן הבסיס של 0.5 וולט, וכתוצאה מכך פיזור חום גבוה דרך גוף הקירור שלהם.

אותות אנלוגיים שהם אקספוננציאליים מטבעם מכריחים את המכשירים הנ'ל לעבוד עם עלייה איטית ולא נוחה של עלייה ופוטנציאל נפילה איטי, מה שגורם לפיזור חום גבוה ולא יעילות רבה יותר.

PWM לעומת זאת, הרעיון להגברה מאפשר למכשירים אלה לעבוד על ידי הפעלה מלאה או כיבוי מלא ללא פוטנציאלים בלתי מוגדרים ביניים. בשל כך, המכשירים אינם מקרינים שום חום והגברת השמע ניתנת ביעילות גבוהה ובמינימום הפסדים.

יתרונות המגבר הדיגיטלי בהשוואה למגבר הליניארי

• מגברים דיגיטליים או PWM משתמשים בעיבוד PWM ולכן התקני הפלט מגבירים את האותות בפיזור חום מינימלי. מגברים לינאריים משתמשים בתכנון עוקב פולט ומפיצים כמות גבוהה של חום במהלך הגברה קולית.
• מגברים דיגיטליים יכולים לעבוד עם פחות מכשירי הספק יציאה בהשוואה למגברים ליניאריים.
• בגלל פיזור חום מינימלי, אין צורך בקירור קירור או בקירור קירור קטן יותר, בהשוואה למגברים ליניאריים שתלויים בקירורי קירור גדולים.
• מגברי PWM דיגיטליים זולים, קלים ויעילים ביותר בהשוואה למגברים לינאריים.
• מגברים דיגיטליים יכולים לפעול עם כניסות אספקת חשמל קטנות יותר ממגברים לינאריים.

בהודעה זו, מגבר הספק PWM הראשון למטה מופעל על ידי סוללת 6 וולט ומייצר עד 5 וואט כוח. לאור יכולת הפלט הבוטה שלו, מגבר ה- PWM נמצא לעתים קרובות במגפונים.

בעיה נפוצה במגברי AF ניידים היא שבשל תכונת היעילות הנמוכה שלהם קשה לייצר הספק גבוה ממתח אספקה ​​נמוך.

עם זאת, למגבר ה- PWM בדיון שלנו יש כמעט 100% יעילות ברמת עיוות המקובלת על מגפונים ו- P.A. קשורים. מכשירים. להלן כמה גורמים התורמים לעיצוב:

אפנון רוחב דופק

העיקרון של אפנון רוחב הדופק (PWM) מיוצג באיור 1 להלן.

הרעיון פשוט: מחזור החובה של אות מלבני בתדר גבוה יותר נשלט על ידי אות קלט. זמן ההפעלה של הדופק הוא יחסית למשרעת הרגע של אות הכניסה.

כמות הזמן בזמן והזמן בנוסף לתדר קבועה. לכן, כאשר חסר אות קלט, מופק אות גל מרובע סימטרי.

כדי להשיג איכות צליל טובה יחסית, תדר האות המלבני חייב להיות כפול מהתדר הגבוה ביותר באות הקלט.

האות המתקבל עשוי לשמש להפעלת רמקול. איור 4 מראה המרה ברורה במעקב האוסצילוסקופ.

המעקב העליון מראה את אות הפלט לאחר סינון ונמדד על פני הרמקול. משרעת הנותרים אות PWM שחופף את גל הסינוס קטן.

מתגים אלקטרוניים כמגברים

איור 2 מתאר את הפעולה הסטנדרטית של מגבר ה- PWM בעזרת תרשים הבלוקים.

בואו נניח שכאשר הקלט נמצא במעגל קצר, עברו על S_לקבלים כוח C₇עם זרם אני_שתיים. זה מתרחש עד להשגת מתח מיתוג גבול עליון מתאים.

ואז, זה מחבר את R₇לקרקע. לאחר מכן, ג₇משוחרר למתח מיתוג הגבול התחתון של S_ל. כתוצאה מכך, ג₇ו- ר₇מייצר גל מרובע בתדר של 50 קילוהרץ.

כאשר מופעל אות AF לכניסת המגבר, הזרם הנוסף אני₁מפחית או מגדיל יחסית את זמן הטעינה, או מגדיל ומקטין את זמן הפריקה.

אז, אות הקלט משנה את גורם החובה של אות הגל המרובע שנראה ביציאת הרמקול.

ישנם שני חוקים החיוניים להפעלה הבסיסית של מגבר ה- PWM.

1. הראשון הוא מתג S_בנשלט באנטי פאזה עם S_לתוך החזקת מסוף הרמקול האחר כמתח חלופי לזה של אות ה- PWM.

התקנה זו מייצרת תוצאה של שלב פלט הכוח המיתוג מסוג הגשר. לאחר מכן, בכל קוטביות, הרמקול נאלץ במתח האספקה ​​המלא כך שתושג צריכת זרם מקסימאלית.

2. שנית, אנו בוחנים את המשרנים L₁ול_שתיים. מטרת המשרנים היא לשלב את האות המלבני ולהמיר אותם לסינוסואיד כפי שמוצג במעקב ההיקף קודם. יתר על כן, הם גם פועלים ומדכא הרמוניות של האות המלבני 50 קילוהרץ.

פלט סאונד גבוה מעיצוב צנוע

מהסכמה באיור לעיל, תוכלו לזהות בקלות את הרכיבים האלקטרוניים המשמשים בתרשים הבלוקים.

קומץ חלקים כמו הנגד R1, קבלים צימוד C₁ו- ג₄, בקרת עוצמת קול P₁ומגבר המבוסס סביב אופמפ א₁עושה את עבודת הטיה עבור מיקרופון קבלים (או אלקטרוסטטי).

כל הפעולה הזו יוצרת את קטע הקלט של מגבר ה- PWM. כפי שנדון קודם, מתגים S_לו- S_בבנויים על ידי מתגים אלקטרוניים ES₁אצבעות רגליים₄וזוגות טרנזיסטור T₁-ט₃ו- ת_שתיים-ט₄.

אינדיקציות החלק לרכיבים האלקטרוניים הבונים את מחולל ה- PWM מתייחסות לאלו המתוארות בתרשים הבלוקים.

ככל הנראה מגבר ה- PWM יעיל באופן נדיר מכיוון שטרנזיסטורי הפלט אינם מתחממים גם כאשר הם נאלצים במצב של כל הכונן. בקיצור, יש כמעט פיזור בשלב הפלט הכוח.

הגורם החיוני ביותר שעליך לקחת בחשבון לפני בחירת משרנים L₁ול_שתייםהיא שהם חייבים להיות מסוגלים לערוץ 3 A בלי להיות רוויים.

שיקול ההשראה בפועל מגיע רק למקום השני. לדוגמא, המשרנים ששימשו בפרויקט זה הושגו ממעבה קל.

מטרת הדיודות ד₃לד '₆הוא להכיל את ה- EMF האחורי המיוצר על ידי המשרנים לערך בטוח יחסית.

יתר על כן, הקלט הלא הפוך של opamp A₁נוצר על ידי ד₁, ג₃, ד_שתייםו- ר₃. מתח כניסה זה, המסונן ביעילות, שווה לחצי מתח האספקה.

בעת שימוש במגבר אופמפי מסורתי, רווח המתח מוקצה על ידי לולאת משוב שלילית. ר₄ו- ר₅יגדיר את הרווח ל 83 כדי לוודא שרגישות מספקת למיקרופון.

במקרה שאתה משתמש במקורות אות בעלי עכבה גבוהה, R₄ניתן להגביר לפי הצורך.

ל₁ול_שתייםלגרום לתזוזת הפאזה ובגלל זה, משוב אפשרי בעזרת אות הגל המרובע בקולט T₁בהשוואה לאות הרמקול הסינוסי.

בשילוב עם C₅ה- opamp מספק את האינטגרציה המשמעותית של אות המשוב PWM.

מערכת המשוב מפחיתה את עיוותו של המגבר אך לא כל כך בהרחבה שתוכלו להשתמש בו ליישום אחר פרט לכתובת הציבורית.

בדרך כלל נדרשת כמות מוגברת של מתח אספקה ​​ותכנון מעגלים מסובך עבור מגבר Class-D עם עיוות נמוך.

יישום התקנה זו יפגע ביעילות הכוללת של המעגל. שימו לב בבחירת מתגים אלקטרוניים במגבר שכן סוגי HCMOS מתאימים.

CMOS מסוג 4066 טיפוסי הוא איטי ביותר ולא מתאים להפעיל 'קצר חשמלי' על פני T₁-ט₃ו- ת_שתיים-ט₄. לא רק זאת, אלא קיים גם סיכון מוגבר לעבודה מוגזמת או אפילו לפגיעה קבועה במגבר.

מגבר PWM ליישום מגפון

חובבי אלקטרוניקה מעדיפים להעסיק את המגבר מסוג D להפעלת רמקול מסוג קרן מכיוון שהוא יכול להפיק את הצליל הכי חזק לרמת הספק שנבחרה.

באמצעות חבילת סוללות 6 וולט ורמקול תא לחץ, דגם המגבר נבנה בקלות.

4 וואט ההספק הקיים היה ניתן למדידה במגפון עם טווח שמע הגון.

ארבע סוללות יבשות 1.5 וולט או חד תאים אלקליין חוברו בסדרה כדי לספק מתח למגפון. אם ברצונך להשתמש בהתקנה זו לעיתים קרובות, בחר בסוללת NiCd נטענת או סוללת ג'ל (Dryfit).

מכיוון שצריכת הזרם המרבית של המגפון היא 0.7 A, אלקליין סטנדרטי מתאים לתמיכה בפעולה למשך 24 שעות בהספק מלא.

אם אתם מתכננים שימוש לא רציף, בחירת סט של תאים יבשים תהיה די והותר.

זכור כי לא משנה באיזה מקור כוח אתה משתמש, הוא לעולם לא יעבור יותר מ -7 V.

הסיבה היא מתגי HCMOS ב- IC₁לא יתפקד כראוי באותה רמת מתח או יותר.

למרבה המזל, עבור המגבר, הסף המקסימאלי למתח אספקה ​​גדול מ- 11 V.

תכנון PCB עבור מגבר PWM Class-D שהוסבר לעיל ניתן להלן:

עוד מגבר PWM טוב

מגבר PWM מעוצב היטב יכלול מחולל גל מלבני סימטרי.

מחזור החובה של גל מלבני זה מווסת על ידי אות השמע.

במקום לפעול באופן ליניארי, טרנזיסטורי הפלט פועלים כמתגים, כך שהם מופעלים או כבויים לחלוטין. במצב רדום, מחזור החובה של צורת הגל הוא 50%.

כלומר כל טרנזיסטור יציאה רווי לחלוטין או מכונה גם מוליך, למשך אותו משך זמן. כתוצאה מכך, מתח היציאה הממוצע הוא אפס.

המשמעות היא שאם אחד המתגים יישאר סגור מעט יותר מהשני, מתח המוצא הממוצע יהיה שלילי או חיובי, בהתאם לקוטביות אות הכניסה.

לכן, אנו יכולים לראות כי מתח היציאה הממוצע הוא יחס אות הקלט. הסיבה לכך היא שטרנזיסטורי הפלט עובדים כמתגים לחלוטין, ומכאן שיש הפסד כוח נמוך מאוד בשלב הפלט.

העיצוב

איור 1 מתאר את כל הסכימה של מגבר PWM מסוג D. אנו יכולים לראות כי מגבר ה- PWM אינו צריך להיות מורכב מדי.

אות השמע קלט מוחל על מגבר OP1 IC המתפקד כמשווה. התקנה זו מובילה קומץ מפעילי שמיט המחוברים במקביל למעגל.

הם שם משתי סיבות. ראשית, חייב להיות צורת גל 'מרובעת' ושנית, נדרש זרם כונן הבסיס המתאים לשלב הפלט. בשלב זה, מותקנים שני טרנזיסטורים פשוטים אך מהירים (BD137 / 138).

המגבר כולו מתנדנד ויוצר גל מרובע. הסיבה היא שקלט אחד מהמשווה (IC1) מחובר לפלט דרך רשת RC.

יתר על כן, שתי הכניסות של IC1 מוטות למחצית הראשונה של מתח האספקה ​​על ידי שימוש במחלק מתח R3 / R4.

בכל פעם שפלט ה- IC1 נמוך והפולטים של T1 / T2 גבוהים, טעינה של הקבל C3 מתרחשת דרך הנגד R7. יחד עם זאת, תחול עלייה במתח בכניסה הלא הפוכה.

ברגע שהמתח המסלים הזה חוצה את רמת ההופך ההפוך, מחוץ ל- IC1 מתחלף מנמוך לגבוה.

כתוצאה מכך, הפולטים של T1 / T2 הופכים מגבוה לנמוך. מצב זה מאפשר ל- C3 לפרוק דרך R7 והמתח בכניסת הפלוס יורד מתחת למתח בכניסה המינוס.

התפוקה של IC1 חוזרת גם למצב נמוך. בסופו של דבר, תפוקת גל מרובע מופקת בתדר שנקבע על ידי R7 ו- C3. הערכים המסופקים מייצרים תנודה ב 700 קילוהרץ.

שימוש ב- מַתנֵד אנחנו יכולים לווסת את התדר. רמת ה- IC1 של הכניסה ההפוכה המשמשת בדרך כלל כהפניה אינה נשארת קבועה אלא נקבעת על ידי אות השמע.

יתר על כן, המשרעת קובעת את הנקודה המדויקת שבה מתחיל להשתנות פלט המשווה. כתוצאה מכך, 'עובי' הגלים המרובעים מווסת באופן קבוע על ידי אות השמע.

כדי להבטיח שהמגבר אינו פועל כמשדר של 700 קילוהרץ, יש לבצע סינון בפלט שלו. רשת LC / RC הכוללת L1 / C6 ו- C7 / R6 עושה עבודה טובה כ- לְסַנֵן .

מפרט טכני

• מצויד בעומס של 8 אוהם ומתח אספקה ​​של 12 וולט, המגבר ייצר 1.6 וואט.
• כאשר משתמשים בה 4 אוהם, ההספק עלה ל -3 W. עבור חום כה קטן שהתפזר, אין צורך בקירור טרנזיסטורי הפלט.
• הוכח שהעיוות ההרמוני נמוך באופן יוצא דופן למעגל פשוט כזה.
• רמת העיוות ההרמונית הכוללת הייתה נמוכה מ- 0.32% מהטווח הנמדד של 20 הרץ ל -20,000 הרץ.

באיור למטה, תוכלו לראות את ה- PCB ואת פריסת החלקים עבור המגבר. הזמן והעלות לבניית מעגל זה הם נמוכים מאוד ולכן זה מהווה סיכוי מצוין לכל מי שמעוניין להשתפר בהבנת PWM.

רשימת חלקים

נגדים:
R1 - 22k
R2, R7 - 1 מיליון
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8.2 אוהם
P1 = פוטנציומטר לוגריתמי 100k
קונאקיטור;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 וולט
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 וולט
C9 - 2n2
מוליכים למחצה:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

שונות:
משרן L1 = 39μH

מעגל מגבר פשוט 3 טרנזיסטור Class-D

היעילות הבולטת של מגבר ה- PWM היא כזו שניתן לייצר פלט של 3 וואט עם BC107 המשמש כטרנזיסטור הפלט. אפילו יותר טוב, זה לא דורש גוף קירור.

המגבר כולל מתנד רוחב דופק מבוקר מתח הפועל סביב 6 קילוהרץ ואוכף שלב יציאה מסוג D.

ישנם רק שני תרחישים - מלא או כבוי לחלוטין. בשל כך, הפיזור הוא קטן להפליא וכתוצאה מכך מניב יעילות גבוהה. צורת גל הפלט לא נראית כמו הקלט.

עם זאת, האינטגרל של צורות גל הפלט והקלט פרופורציונליות זו לזו ביחס לזמן.

הטבלה המוצגת של ערכי הרכיבים מראה כי ניתן לייצר כל מגבר עם יציאות בין 3 ל -100 וואט. בהתחשב בכך, ניתן להשיג הספקים חזקים יותר עד 1 קילוואט.

החיסרון הוא שהוא יוצר סביב 30% מהעיוות. כתוצאה מכך, ניתן להשתמש במגבר להגברת סאונד בלבד. זה מתאים למערכות כריזה מכיוון שהנאום מובן להפליא.

מגבר אופ-דיגיטלי

הרעיון הבא מראה כיצד להשתמש בכפכף איפוס סט בסיסי IC 4013 ניתן להחיל להמרת אות שמע אנלוגי לאות PWM המתאים, אשר ניתן להזין אותו עוד לשלב MOSFET לצורך הגברה PWM הרצויה.

אתה יכול להשתמש במחצית חבילת 4013 כמגבר המסופק ליציאה דיגיטלית עם מחזור חובה שהוא פרופורציונאלי למתח היציאה הרצוי. בכל פעם שאתה צריך פלט אנלוגי, פילטר פשוט יעשה את העבודה.

עליכם לעקוב אחר פעימות השעון כמפורט ואלה חייבים להיות גבוהים משמעותית בתדירות מרוחב הפס הרצוי. הרווח הוא R1 / R2 ואילו הזמן R1R2C / (R1 + R2) חייב להיות ארוך יותר מהתקופה של פעימות השעון.

יישומים

ישנן דרכים רבות בהן ניתן להשתמש במעגל. חלקם הם:

1. השג פולסים מנקודת מעבר האפס של הרשת והאכוף טריאק עם הפלט. כתוצאה מכך, כעת יש לך שליטה בכוח יחסי ללא RFI.
2. בעזרת שעון מהיר, החלף את טרנזיסטורי הנהג עם הפלט. התוצאה היא מגבר שמע PWM יעיל ביותר.

מגבר PWM 30 וואט

תרשים מעגלים עבור מגבר אודיו Class -D Class 30D ניתן לראות בקובץ pdf הבא.

המגבר התפעולי IC1 מגביר את אות השמע הקלט באמצעות פוטנציומטר VR1 הנשלט על ידי נפח משתנה. אות PWM (אפנון רוחב דופק) נוצר על ידי השוואת אות השמע עם משולש של 100 קילוהרץ. זה נעשה באמצעות המשווה 1C6. הנגד RI3 משמש לספק משוב חיובי ו- C6 מוצג למעשה כדי לשפר את זמן פעולת המשווה.

יציאת המשווה עוברת בין מתח קיצוני של ± 7.5V. הנגד המושך R12 מציע + 7.5 וולט בעוד -7.5 וולט מסופק על ידי הטרנזיסטור הפולט הפתוח הפתוח של מגבר ה- IC6 בסיכה 1. במהלך הזמן שאות זה עובר לרמה חיובית, הטרנזיסטור TR1 עובד כמו מסוף הכיור הנוכחי. כיור זרם זה גורם לעלייה בירידת המתח על פני הנגד R16, אשר הופכת להיות מספיק כדי להפעיל את MOSFET TR3.

כאשר האות עובר לקיצוניות השלילית. TR2 הופך למקור זרם המוביל לירידת מתח על פני R17. ירידה זו הופכת להיות מספיק כדי להפעיל את TR4. בעיקרון, MOSFETs TR3 ו- TR4 מופעלים לסירוגין ויוצרים אות PWM שעובר בין +/- 15V.

בשלב זה הופך להיות חיוני להחזיר או להמיר את אות ה- PWM המוגבר הזה להעתקת שמע טובה שעשויה להיות מקבילה מוגברת של אות השמע הקלט.

זה מושג על ידי יצירת ממוצע של מחזור החובה של PWM באמצעות מסנן מעברי נמוכה של Butterworh מסדר ג 'בעל תדר ניתוק (25kHz) משמעותית מתחת לתדר בסיס המשולש.

פעולה זו מובילה להחלשה עצומה ב 100kHz. הפלט הסופי שהושג משתלב לפלט שמע המהווה שכפול מוגבר של אות השמע.

מחולל הגל המשולש דרך תצורת המעגל 1C2 ו- 1C5, שם IC2 עובד כמו מחולל גל מרובע עם משוב חיובי המסופק דרך R7 ו- R11. דיודות DI עד D5 עובדות כמו מהדק דו כיווני. זה מתקן את המתח לכ +/- 6 וולט.

אינטגרטור מושלם נוצר באמצעות VR2 קבוע מראש, קבלים C5 ו- IC5 ההופכים גל מרובע לגל משולש. VR2 מוגדר מראש מספק את תכונת ההתאמה לשירותים חופשיים.

פלט 1C5 ב- (סיכה 6) מספק משוב ל- 1C2, והנגד R14 ו VR3 מוגדרים מראש מתפקדים כמנחת גמיש המאפשר לשנות את מפלס גל המשולש כנדרש.

לאחר ביצוע המעגל המלא, יש לכוונן את VR2 ו- VR3 בכדי לאפשר את פלט השמע באיכות הגבוהה ביותר. קבוצה של 741 מגברי אופ רגילים עבור 1C4 ו- IC3 יכולה לשמש כמאגרי רווח אחדות כדי לספק +/- 7.5 וולט.

הקבלים C3, C4, C11 ו- C12 משמשים לסינון ואילו שאר הקבלים משמשים לניתוק ניתוק האספקה.

המעגל יכול להשתדר עם ספק כפול +/- 15 וולט DC, אשר יוכל להניע רמקול 30W 8 אוהם דרך שלב LC באמצעות הקבל C13 והמשרן L2. שים לב שכנראה קירורי קירור צנועים עשויים להיות נחוצים עבור MOSFET TR3 ו- TR4.