Amplificador de clase D auto oscilante de 350 vatios: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Introducción y por qué hice este instructivo:

En Internet, hay multitud de tutoriales que muestran a las personas cómo construir sus propios amplificadores de clase D. Son eficientes, fáciles de entender y todos utilizan la misma topología general. Una parte del circuito genera una onda triangular de alta frecuencia y se compara con la señal de audio para modular los interruptores de salida (casi siempre MOSFET) de encendido y apagado. La mayoría de estos diseños "DIY Class D" no tienen retroalimentación, y los que sí suenan limpios en la región de graves. Hacen amplificadores de subwoofer algo aceptables, pero tienen una distorsión significativa en las regiones de agudos. Los que no tienen retroalimentación, debido al tiempo muerto requerido para la conmutación MOSFET, tienen una forma de onda de salida que se parece a una onda triangular, a diferencia de una onda sinusoidal. Están presentes armónicos no deseados significativos, lo que lleva a una disminución notable en la calidad del sonido que hace que la música suene como si saliera de una trompeta. El sonido algo trompetero y no tan impactante de mi anterior amplificador de clase D es la razón por la que decidí investigar y construir un amplificador usando esta topología oscura y subutilizada.

Sin embargo, el clásico "comparador de ondas triangulares" no es la única forma de construir un amplificador de clase D. Hay una mejor manera. En lugar de hacer que un oscilador module la señal, ¿por qué no hacer que todo el amplificador sea el oscilador? Los MOSFET de salida son impulsados (a través de un circuito de control adecuado) por la salida de un comparador con la entrada positiva recibiendo el audio entrante y la entrada negativa recibiendo una versión (reducida) del voltaje de salida del amplificador. La histéresis se utiliza en el comparador para regular la frecuencia de funcionamiento y evitar modos de resonancia de alta frecuencia inestables. Además, se utiliza una red de amortiguación RC a través de la salida para suprimir el timbre en la frecuencia de resonancia del filtro de salida y disminuir el cambio de fase a cerca de 90 grados en la frecuencia de funcionamiento del amplificador de alrededor de 100 Khz. La omisión de este filtro simple pero crítico hará que el amplificador se autodestruya, ya que se pueden generar voltajes de varios cientos de voltios, destruyendo instantáneamente los condensadores del filtro.

Principio de funcionamiento:

Suponga que el amplificador se enciende primero y que todos los voltajes están en cero. Debido a su histéresis, el comparador decidirá sacar la salida positiva o negativa. Para este ejemplo, asumiremos que el comparador saca la salida negativa. En unas pocas decenas de microsegundos, el voltaje de salida del amplificador ha disminuido lo suficiente como para voltear el comparador y enviar el voltaje hacia arriba nuevamente, y este ciclo se repite alrededor de 60 a 100 mil veces por segundo, manteniendo el voltaje deseado en la salida. Debido a la alta impedancia del inductor del filtro y la baja impedancia del condensador del filtro a esta frecuencia, no hay mucho ruido en la salida y, debido a la alta frecuencia de funcionamiento, está muy por encima del rango audible. Si el voltaje de entrada aumenta, el voltaje de salida aumentará lo suficiente como para que el voltaje de retroalimentación alcance el voltaje de salida. De esta forma se consigue la amplificación.

Ventajas sobre la clase D estándar:

1. Impedancia de salida extremadamente baja: debido a que los MOSFET de salida no volverán a cambiar hasta que se alcance el voltaje de salida deseado después de que se alcance el filtro, la impedancia de la salida es prácticamente cero. Incluso con una diferencia de 0.1 voltios entre el voltaje de salida real y el deseado, el circuito descargará amperios en la salida hasta que el voltaje invierta el comparador hacia atrás (o algo explote).

2. Capacidad para impulsar limpiamente cargas reactivas: debido a la impedancia de salida extremadamente baja, la clase D auto-oscilante puede controlar sistemas de altavoces de múltiples vías con grandes caídas y picos de impedancia con muy poca distorsión armónica. Los sistemas de subwoofer portados con baja impedancia en la frecuencia de resonancia del puerto son un excelente ejemplo de un altavoz que un amplificador de "comparador de onda triangular" sin retroalimentación tendría dificultades para manejar bien.

3. Amplia respuesta de frecuencia: a medida que aumenta la frecuencia, el amplificador intentará compensar variando más el ciclo de trabajo para mantener la tensión de retroalimentación coincidente con la tensión de entrada. Debido a la atenuación del filtro de las frecuencias altas, las frecuencias altas comenzarán a recortarse a un nivel de voltaje más bajo que las más bajas, pero debido a que la música tiene mucha más potencia eléctrica en los graves que en los agudos (aproximadamente una distribución de 1 / f, más si usar refuerzo de graves), esto no es un problema en absoluto.

4. Estabilidad: Si está diseñado correctamente y con una red de amortiguación en su lugar, el margen de fase de casi 90 ° del filtro de salida a la frecuencia de operación asegura que el amplificador no se volverá inestable, incluso si maneja cargas pesadas bajo saturación pesada. Explotarás algo, probablemente tus altavoces o subwoofers, antes de que el amplificador se vuelva inestable.

5. Eficiencia y tamaño pequeño: debido a la naturaleza autorreguladora del amplificador, agregar mucho tiempo muerto a las formas de onda de conmutación del MOSFET no afecta la calidad del sonido. Son posibles eficiencias de carga completa de más del 90% con un inductor de buena calidad y MOSFET (yo uso IRFB4115 en mi amplificador). Como resultado, un disipador de calor relativamente pequeño en los FET es suficiente y solo se requiere un ventilador si se opera dentro de un gabinete aislado a alta potencia.

Paso 1: Piezas, consumibles y requisitos previos

Requisitos previos:

La construcción de cualquier tipo de circuito de alta potencia, especialmente uno diseñado para reproducir audio de forma limpia, requiere un conocimiento de conceptos básicos de electrónica. Necesitará saber cómo funcionan los condensadores, inductores, resistencias, MOSFET y amplificadores operacionales, así como cómo diseñar correctamente una placa de circuito de manejo de energía. También necesita saber cómo soldar componentes de orificios pasantes y cómo usar la placa de separación (o construir una PCB). Este tutorial está dirigido a personas que ya han construido circuitos moderadamente complicados. No se necesitan amplios conocimientos analógicos, ya que la mayoría de los subcircuitos de cualquier amplificador de clase D se ocupan de solo dos niveles de voltaje: encendido o apagado.

También necesitará saber cómo usar un osciloscopio (solo las funciones básicas) y cómo depurar circuitos que no funcionan como se esperaba. Es muy probable que, con un circuito de esta complejidad, acabe teniendo un subcircuito que no funcione la primera vez que lo construya. Encuentre y solucione el problema antes de pasar al siguiente paso, depurar un subcircuito es mucho más fácil que tratar de encontrar una falla en algún lugar de toda la placa. El uso de un osciloscopio es necesario para encontrar una oscilación involuntaria y verificar que las señales se vean como deberían.

Consejos generales:

En cualquier amplificador de clase D, tendrá altos voltajes y corrientes que cambian a altas frecuencias, lo que tiene el potencial de generar una gran cantidad de ruido. También tendrá circuitos de audio de baja potencia que son sensibles al ruido y lo captarán y amplificarán. La etapa de entrada y la etapa de potencia deben estar en extremos opuestos de la placa.

También es esencial una buena conexión a tierra, especialmente en la etapa de potencia. Asegúrese de que los cables de tierra vayan directamente desde el terminal negativo a cada controlador de puerta y comparador. Es difícil tener demasiados cables de tierra. Si está haciendo esto en una placa de circuito impreso, use un plano de tierra para la conexión a tierra.

Piezas que necesitará:

(Envíame un mensaje si me perdí alguno, estoy bastante seguro de que esta es una lista completa)

(Todo lo etiquetado como HV debe estar clasificado para al menos el voltaje aumentado para impulsar el altavoz, preferiblemente más)

(Muchos de estos se pueden rescatar de dispositivos electrónicos y electrodomésticos tirados en un contenedor de basura, especialmente condensadores)

• Fuente de alimentación de 24 voltios capaz de 375 vatios (utilicé una batería de litio, si usa una batería, asegúrese de tener un LVC (corte de bajo voltaje))
• Impulsar el convertidor de potencia capaz de proporcionar 350 vatios a 65 voltios. (Busque "Convertidor de potencia Yeeco de 900 vatios" en Amazon y encontrará el que utilicé).
• "Tablero perfilado" o proto-tablero para construir todo. Recomiendo tener al menos 15 pulgadas cuadradas para trabajar en este proyecto, 18 si desea construir la placa de entrada en la misma placa.
• Disipador de calor para montar los MOSFET en
• Condensador 220uf
• Condensador 2x 470uf, uno debe estar clasificado para voltaje de entrada (no HV)
• Condensador de 2x 470nf
• Condensador 1x 1nf
• Condensador de cerámica 12x 100nf (o puede usar poli)
• Condensador polivinílico 2x 100nf [HV]
• 1 condensador de polietileno de 1 uf [HV]
• 1 condensador electrolítico LOW ESR de 470 uf [HV]
• 2x diodo 1n4003 (cualquier diodo que pueda soportar 2 * HV o más está bien)
• 1 fusible de 10 amperios (o un trozo corto de cable de 30 AWG a través de un bloque de terminales)
• 2x inductor de 2,5 mh (o enrolle el suyo)
• 4x IRFB4115 MOSFET de potencia [HV] [¡Debe ser GENUINO!]
• Resistencias surtidas, puedes conseguirlas en eBay o Amazon por unos pocos dólares
• Potenciómetros de ajuste 4x 2k
• 2 amplificadores operacionales KIA4558 (o amplificadores operacionales de audio similares)
• Comparadores 3x LM311
• 1x regulador de voltaje 7808
• 1x tablero convertidor buck "Lm2596", puedes encontrarlos en eBay o Amazon por unos pocos dólares
• 2x controlador de puerta NCP5181 IC (puede quemar un poco, obtener más) [¡Debe ser GENUINO!]
• Cabezal de 3 pines para conectar a la placa de entrada (o más pines para rigidez mecánica)
• Cables o bloques de terminales para altavoces, alimentación, etc.
• Cable de alimentación de 18 AWG (para cablear la etapa de potencia)
• Cable de conexión 22 AWG (para cablear todo lo demás)
• Transformador de audio de baja potencia de 200 ohmios para etapa de entrada
• Ventilador de computadora pequeño de 12v / 200ma (o menos) para enfriar el amplificador (opcional)

Herramientas y suministros:

• Osciloscopio de resolución de al menos 2us / div con una sonda 1x y 10x (puede usar una resistencia de 50k y 5k para hacer su propia sonda 10x)
• Multímetro que puede hacer voltaje, corriente y resistencia.
• Soldador y soldador (yo uso Kester 63/37, BUENA CALIDAD sin plomo también funciona si tiene experiencia)
• Succionador de soldadura, mecha, etc. Cometerá errores en un circuito tan grande, especialmente al soldar el inductor, es un fastidio.
• Cortadores y pelacables
• Algo que pueda generar una onda cuadrada de unos pocos HZ, como una placa de pruebas y un temporizador 555

Paso 2: aprenda cómo funciona la clase D auto-oscilante (opcional pero recomendado)

Antes de comenzar, es una buena idea conocer cómo funciona realmente el circuito. Será de gran ayuda con cualquier problema que pueda tener más adelante y lo ayudará a comprender qué hace cada parte del esquema completo.

La primera imagen es un gráfico producido por LTSpice que muestra la respuesta del amplificador a un cambio instantáneo de voltaje de entrada. Como puede ver en el gráfico, la línea verde intenta seguir la línea azul. Tan pronto como cambia la entrada, la línea verde sube tan rápido como puede y se asienta con un rebasamiento mínimo. La línea roja es el voltaje de la etapa de salida antes del filtro. Después del cambio, el amplificador se estabiliza rápidamente y comienza a oscilar alrededor del punto de ajuste una vez más.

La segunda imagen es el diagrama de circuito básico. La entrada de audio se compara con la señal de retroalimentación, que genera una señal para impulsar la etapa de salida para acercar la salida a la entrada. La histéresis en el comparador hace que el circuito oscile alrededor del voltaje deseado a una frecuencia demasiado alta para que los oídos o los parlantes respondan.

Si tiene LTSpice, puede descargar y jugar con el archivo de esquema.asc. Intente cambiar r2 para cambiar la frecuencia y observe cómo el circuito se vuelve loco mientras quita el amortiguador que amortigua la oscilación excesiva alrededor del punto de resonancia del filtro LC.

Incluso si no tiene LTSpice, estudiar las imágenes le dará una buena idea de cómo funciona todo. Ahora vayamos a construir.

Paso 3: construya la fuente de alimentación

Antes de comenzar a soldar cualquier cosa, eche un vistazo al diseño esquemático y de ejemplo. El esquema es un SVG (gráfico vectorial), por lo que una vez que lo descargue, puede hacer zoom tanto como desee sin perder resolución. Decida dónde va a colocar todo en el tablero y luego construya la fuente de alimentación. Conecte el voltaje y la tierra de la batería y asegúrese de que nada se caliente. Use un multímetro para ajustar la placa "lm2596" para que dé salida a 12 voltios y verifique que el regulador 7808 dé salida a 8 voltios.

Eso es todo por la fuente de alimentación.

Paso 4: Construya la etapa de salida y el controlador de puerta

De todo el proceso de construcción, este es el paso más difícil de todos. Construya todo en el "Circuito controlador de puerta" y la "Etapa de potencia" en el esquema, asegurándose de que los FET estén conectados al disipador de calor.

En el esquema, verá cables que parecen no ir a ninguna parte y dicen "vDrv". Estos se denominan etiquetas en el schmatic y todas las etiquetas con el mismo texto se conectan entre sí. Conecte todos los cables etiquetados "vDrv" a la salida de la placa del regulador de 12v.

Después de completar esta etapa, encienda este circuito con una fuente de corriente limitada (puede usar una resistencia en serie con la fuente de alimentación) y asegúrese de que nada se caliente. Intente conectar cada una de las señales de entrada al controlador de puerta a 8v de la fuente de alimentación (una a la vez) y verifique que se estén accionando las puertas correctas. Una vez que haya verificado que sabe que la unidad de la puerta está funcionando.

Debido a que la unidad de puerta utiliza un circuito de arranque, no puede probar la salida directamente midiendo el voltaje de salida. Ponga el multímetro en verificación de diodos y verifique entre cada terminal de altavoz y cada terminal de alimentación.

1. Positivo al altavoz 1
2. Positivo al altavoz 2
3. Negativo al altavoz 1
4. Negativo al altavoz 2

Cada uno debe mostrar conductividad parcial de una sola manera, como un diodo.

Si todo funciona, felicitaciones, acaba de terminar la sección más difícil del tablero. Recordaste la conexión a tierra adecuada, ¿verdad?

Paso 5: Construya el generador de señal de unidad de puerta MOSFET

Una vez que haya terminado el controlador de la puerta y la etapa de potencia, estará listo para construir la parte del circuito que genera las señales que le dicen a los controladores de la puerta qué FET encender a qué hora.

Construya todo en el "generador de señal del controlador MOSFET con tiempo muerto" en el esquema, asegurándose de no olvidar ninguno de los pequeños condensadores. Si los omite, el circuito seguirá probando bien, pero no funcionará bien cuando intente conducir un altavoz debido a que los comparadores oscilan parásitamente.

A continuación, pruebe el circuito alimentando una onda cuadrada de unos pocos hercios en el "generador de señal del controlador MOSFET con tiempo muerto" desde su generador de señal o circuito temporizador 555. Conecte el voltaje de la batería a "HV in" a través de una resistencia limitadora de corriente.

Conecte un osciloscopio a las salidas de los altavoces. Debería conseguir que el voltaje de la batería invierta la polaridad unas cuantas veces por segundo. Nada debería calentarse y la salida debería ser una onda cuadrada nítida y agradable. Un poco de sobreimpulso está bien, siempre que no sea más de 1/3 del voltaje de la batería.

Si la salida produce una onda cuadrada limpia, significa que todo lo que ha construido hasta ahora está funcionando. Solo queda un subcircuito hasta su finalización.

Paso 6: comparador, amplificador diferencial y el momento de la verdad

Ahora está listo para construir la parte del circuito que realmente realiza la modulación de clase D.

Construya todo en el "Comparador con histéresis" y "Amplificador diferencial para retroalimentación" en el esquema, así como las dos resistencias de 5k que mantienen el circuito estable cuando no hay nada conectado a la entrada.

Conecte la energía al circuito (pero no HV todavía) y verifique que los pines 2 y 3 de U6 estén realmente cerca de la mitad de Vreg (4 voltios).

Si ambos valores son correctos, conecte un subwoofer a través de los terminales de salida. conecte la alimentación y el HV al voltaje de la batería a través de una resistencia limitadora de corriente (puede usar un subwoofer de 4 ohmios o más como resistencia). Debería oír un pequeño pop y el subwoofer no debería moverse en un sentido u otro más de un milímetro más o menos. Verifique con un osciloscopio para asegurarse de que las señales que entran y salen de los controladores de puerta NCP5181 estén limpias y tengan un ciclo de trabajo de alrededor del 40% cada una. Si este no es el caso, ajuste las dos resistencias variables hasta que lo estén. La frecuencia de las ondas de activación de la puerta será más baja que los 70-110 KHZ deseados debido a que HV no está conectado al amplificador de voltaje.

Si las señales de accionamiento de la puerta no oscilan en absoluto, intente cambiar SPK1 y SPK2 yendo al amplificador diferencial. Si aún no funciona, use un osciloscopio para localizar la falla. Es casi seguro que esté en el circuito comparador o amplificador diferencial.

Una vez que el circuito esté funcionando, deje el altavoz conectado y agregue el módulo de aumento de voltaje para aumentar el voltaje que va a HV a alrededor de 65-70 voltios (recuerde el fusible). Encienda el circuito y asegúrese de que nada se caliente inicialmente, especialmente los MOSFET y el inductor. Continúe controlando las temperaturas durante unos 5 minutos. Es normal que el inductor se caliente, siempre que no esté demasiado caliente para tocarlo continuamente. Los MOSFETS no deben estar más que ligeramente calientes.

Verifique nuevamente la frecuencia y el ciclo de trabajo de las ondas impulsoras de la puerta. Ajuste para un ciclo de trabajo del 40% y asegúrese de que la frecuencia esté entre 70 y 110 Khz. Si no es así, ajuste R10 en el esquema para corregir la frecuencia. Si la frecuencia es correcta, está listo para comenzar a reproducir sonido con el amplificador.

Paso 7: Entrada de audio y prueba final

Ahora que el amplificador en sí está funcionando satisfactoriamente, es hora de construir la etapa de entrada. En otra placa (o la misma si tiene espacio), construya el circuito de acuerdo con el esquema proporcionado con este paso (debe descargarlo), asegurándose de que esté blindado con una pieza de metal conectada a tierra si está cerca de cualquier ruido que genere componentes. Conecte la alimentación y la tierra al circuito desde el amplificador, pero no conecte la señal de audio todavía. Compruebe que la señal de audio sea de alrededor de 4 voltios y cambie ligeramente cuando gire el potenciómetro de "ajuste de compensación de CC". Ajuste el potenciómetro a 4 voltios y suelde el cable de entrada de audio al resto del circuito.

Aunque el esquema muestra el uso de un conector para auriculares como entrada, también puede agregar un adaptador bluetooth con su salida conectada a donde está el conector de audio. El adaptador bluetooth puede ser alimentado por un regulador 7805. (Tenía un 7806 y usé un diodo para bajar otros 0.7 voltios).

Encienda el amplificador nuevamente y conecte un cable al conector AUX en la placa de entrada. Probablemente habrá algo de estática débil.

Si la estática es demasiado fuerte, hay un par de cosas que puede probar:

• ¿Escudaste bien la etapa de entrada? Los comparadores también generan ruido.
• Agregue un capacitor de 100nf a través de la salida del transformador.
• Agregue un capacitor de 100nf entre la salida de audio y la tierra y coloque una resistencia de 2k en línea antes del capacitor.
• Asegúrese de que el cable auxiliar no esté cerca de la fuente de alimentación o los cables de salida del amplificador.

Lentamente (durante varios minutos) suba el volumen, asegurándose de que nada se caliente demasiado o se distorsione. Ajuste la ganancia para que el amplificador no se corte a menos que el volumen esté al máximo.

Dependiendo de la calidad del núcleo del inductor y del tamaño del disipador de calor, puede ser una buena idea agregar un pequeño ventilador, alimentado desde el riel de 12v, para enfriar el amplificador. Esta es una idea especialmente buena si la va a poner en una caja.