Mạch công suất Class D liền nguồn : Bạn đã luôn muốn xây dựng bộ khuếch đại công suất âm thanh của riêng mình? Một dự án điện tử mà bạn không chỉ nhìn thấy kết quả mà còn nghe thấy chúng?

Nếu câu trả lời của bạn là có, thì bạn nên tiếp tục đọc bài viết này về cách xây dựng Mạch công suất Class D liền nguồn của riêng bạn. Tôi sẽ giải thích cho bạn cách chúng hoạt động và sau đó hướng dẫn bạn từng bước để biến điều kỳ diệu xảy ra một mình.

Cơ bản lý thuyết Mạch công suất Class D liền nguồn

Bộ mạch công suất Class D là gì? Câu trả lời có thể chỉ là một câu: Nó là một bộ khuếch đại chuyển mạch. Nhưng để hiểu đầy đủ về cách thức hoạt động của một cái, tôi cần dạy bạn tất cả các ngóc ngách của nó.

Hãy bắt đầu với câu đầu tiên. Các bộ khuếch đại truyền thống, như lớp AB, hoạt động như các thiết bị tuyến tính. So sánh điều này với bộ khuếch đại chuyển đổi, được gọi như vậy vì các bóng bán dẫn công suất (MOSFET) hoạt động giống như công tắc, thay đổi trạng thái của chúng từ TẮT sang BẬT. Điều này cho phép đạt hiệu quả rất cao, lên đến 80 – 95%. Do đó, bộ khuếch đại không tạo ra nhiều nhiệt và không yêu cầu tản nhiệt lớn như các bộ khuếch đại tuyến tính AB. Để so sánh, ampli hạng B chỉ có thể đạt hiệu suất tối đa là 78,5% (trên lý thuyết).

Dưới đây, bạn có thể thấy sơ đồ khối của bộ khuếch đại PWM Class-D cơ bản, giống như sơ đồ mà chúng tôi đang chế tạo.

Tín hiệu đầu vào được chuyển đổi thành tín hiệu hình chữ nhật, được điều chế độ rộng xung bằng cách sử dụng bộ so sánh. Về cơ bản, điều này có nghĩa là đầu vào được mã hóa thành chu kỳ nhiệm vụ của các xung hình chữ nhật. Tín hiệu hình chữ nhật được khuếch đại và sau đó bộ lọc thông thấp dẫn đến phiên bản công suất cao hơn của tín hiệu tương tự ban đầu.

Có những phương pháp khác để chuyển đổi tín hiệu thành xung, chẳng hạn như điều chế ΔΣ (delta-sigma), nhưng đối với dự án này, chúng tôi sẽ sử dụng PWM.

Điều chế độ rộng xung sử dụng bộ so sánh

Trong biểu đồ bên dưới, bạn có thể thấy cách chúng tôi biến đổi tín hiệu hình sin (đầu vào) thành tín hiệu hình chữ nhật bằng cách so sánh với tín hiệu tam giác.

Bấm để phóng to

Tại đỉnh dương của sóng sin, chu kỳ làm việc của xung hình chữ nhật là 100% trong khi ở đỉnh âm là 0%. Tần số thực của tín hiệu tam giác cao hơn nhiều, theo thứ tự hàng trăm kHz, để sau này chúng ta có thể trích xuất tín hiệu ban đầu của mình.

Một bộ lọc thực, không phải bộ lọc lý tưởng, không có sự chuyển đổi hoàn hảo “tường gạch” từ băng thông sang dải dừng, vì vậy chúng tôi muốn tín hiệu tam giác có tần số cao hơn ít nhất 10 lần so với 20KHz, là giới hạn thính giác trên của con người. .

Tầng công suất Mạch công suất Class D liền nguồn

Lý thuyết là một khía cạnh và thực hành là một khía cạnh khác. Nếu chúng ta muốn đưa sơ đồ khối trước đó vào thực tế, chúng ta sẽ vấp phải một số vấn đề.

Hai vấn đề là thời gian tăng và giảm của các thiết bị trong giai đoạn công suất và thực tế là chúng tôi đang sử dụng một bóng bán dẫn NMOS cho trình điều khiển phía cao.

Bởi vì việc chuyển đổi các MOSFET không được thực hiện ngay lập tức mà giống như đi lên và xuống dốc, thời gian BẬT của các bóng bán dẫn sẽ trùng nhau, tạo ra kết nối trở kháng thấp giữa các đường ray cung cấp điện tích cực và tiêu cực. Điều này gây ra xung hiện tại cao đi qua MOSFET của chúng tôi, có thể dẫn đến hỏng hóc.

Để ngăn chặn điều này, chúng ta cần chèn một số thời gian chết giữa các tín hiệu điều khiển MOSFET bên cao và bên thấp. Một cách để đạt được điều này là sử dụng trình điều khiển MOSFET chuyên dụng của International Rectifier (Infineon), chẳng hạn như IR2110S hoặc IR2011S . Hơn nữa, các IC này cung cấp điện áp cổng tăng cường cần thiết cho NMOS phía cao.

Bộ lọc thông thấp

Đối với giai đoạn lọc, một trong những cách tốt nhất để làm điều này là sử dụng bộ lọc Butterworth.

Các loại bộ lọc này có phản ứng rất phẳng trong băng thông. Điều này có nghĩa là tín hiệu mà chúng ta muốn đạt được sẽ không bị suy giảm quá nhiều.

Chúng tôi muốn lọc các tần số cao hơn 20 kHz. Tần số cắt được tính ở -3dB, vì vậy chúng tôi muốn nó cao hơn một chút để không lọc âm thanh mà chúng tôi muốn nghe. Tốt nhất là chọn thứ gì đó từ 40 đến 60 kHz. Yếu tố chất lượng $$Q=\frac{\mathrm{1/}}{\sqrt{2}}$$.

Đây là các công thức được sử dụng để tính giá trị của cuộn cảm và tụ điện :

Xây dựng bộ khuếch đại tự làm của bạn

Bây giờ chúng ta đã biết cách hoạt động của bộ khuếch đại Class-D, hãy xây dựng một bộ khuếch đại.

Đầu tiên, tôi đặt tên cho bộ khuếch đại này là Luke-The-Warm vì bộ tản nhiệt chỉ gần như ấm lên, trái ngược với bộ khuếch đại Class AB, bộ khuếch đại có tản nhiệt có thể khá nóng nếu không được làm mát tích cực.

Dưới đây bạn có thể xem sơ đồ của bộ khuếch đại mà tôi đã thiết kế. Nó dựa trên thiết kế tham chiếu IRAUDAMP1 của International Rectifier (Infineon). Sự khác biệt chính là thay vì điều chế ΔΣ, tôi sử dụng PWM.

Bấm để phóng to

Bây giờ tôi sẽ cho bạn biết một số lựa chọn thiết kế và cách các thành phần hoạt động với nhau. Hãy bắt đầu từ phía bên trái.

Mạch đầu vào

Đối với mạch đầu vào, tôi quyết định rằng tốt nhất nên sử dụng bộ lọc thông cao, sau đó là bộ lọc thông thấp. Nó là đơn giản.

Tạo xung tam giác

Đối với Tạo xung tam giác , tôi đã sử dụng  LMC555 , là biến thể CMOS của chip 555 nổi tiếng. Quá trình sạc và xả của tụ điện tạo ra một hình tam giác đẹp, không hoàn hảo (nó tăng và giảm theo cấp số nhân) nhưng nếu thời gian tăng và giảm bằng nhau thì nó hoạt động hoàn hảo.

Các giá trị của điện trở và tụ điện đặt tần số xấp xỉ 200kHz. Bất kỳ cao hơn mức này và chúng tôi sẽ gặp rắc rối vì trình so sánh và trình điều khiển MOSFET không phải là thiết bị nhanh nhất.

Phần so sánh

Đối với bộ so sánh, bạn có thể sử dụng bất kỳ thành phần nào bạn muốn — nó chỉ cần nhanh. Tôi đã sử dụng những gì tôi có sẵn, LM393AP . Ở thời gian phản hồi 300ns, nó không phải là nhanh nhất và chắc chắn có thể được cải thiện nhưng nó thực hiện công việc. Nếu bạn muốn sử dụng các IC khác, chỉ cần cẩn thận kiểm tra xem các chân có khớp với nhau không hoặc bạn sẽ phải sửa đổi thiết kế PCB.

Về lý thuyết, op-amp có thể được sử dụng như một bộ so sánh, nhưng trên thực tế, op-amp được thiết kế cho các loại công việc khác, vì vậy hãy đảm bảo bạn sử dụng một bộ so sánh thực tế.

Bởi vì chúng tôi cần hai đầu ra từ bộ so sánh, một đầu ra cho trình điều khiển bên cao và một cho trình điều khiển bên thấp, tôi quyết định sử dụng LM393AP. Đây là hai bộ so sánh trong một gói và chúng tôi chỉ hoán đổi các đầu vào cho bộ so sánh thứ hai. Một cách tiếp cận khác là sử dụng bộ so sánh có hai đầu ra, chẳng hạn như  LT1016 của Công nghệ tuyến tính. Những thiết bị này có thể cung cấp hiệu suất được cải thiện đôi chút, nhưng chúng cũng có thể đắt hơn.

Các bộ so sánh này được cấp nguồn bởi nguồn lưỡng cực 5V, được cung cấp bởi hai điốt zener điều chỉnh điện áp từ nguồn điện chính, là ± 30V.

Điều khiển MOSFET

Đối với trình điều khiển MOSFET, tôi đã chọn sử dụng IR2110. Một giải pháp thay thế là IR2011, được sử dụng trong thiết kế tham chiếu. Mạch tích hợp này đảm bảo bổ sung thời gian chết mà tôi đã nói ở phần trước.

Vì chân VSS của IC được gắn với nguồn điện âm, chúng ta cần chuyển mức tín hiệu từ bộ so sánh. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bóng bán dẫn PNP và điốt 1N4148.

Để điều khiển MOSFET, chúng tôi cấp nguồn cho IR2110 với 12V được tham chiếu đến điện áp nguồn âm; điện áp này được tạo ra bằng cách sử dụng BD241 kết hợp với zener 12V. MOSFET phía cao cần được điều khiển bởi điện áp cổng cao hơn nút chuyển mạch khoảng 12V, VS. Điều này đòi hỏi một điện áp cao hơn nguồn cung cấp tích cực; IR2110 cung cấp điện áp ổ đĩa này với sự trợ giúp của tụ điện bootstrap của chúng tôi, C10.

Bộ lọc

Cuối cùng là bộ lọc. Tần số cắt là 40kHz và điện trở tải là 4 ohm vì chúng ta có loa 4 ohm (các giá trị được sử dụng ở đây cũng sẽ hoạt động với loa 8 ohm, nhưng tốt nhất nên điều chỉnh bộ lọc tùy theo loa bạn chọn). Với thông tin này, chúng tôi có thể tính toán các giá trị của cuộn cảm và tụ điện:

Chúng ta có thể làm tròn xuống 22µH một cách an toàn.

Giá trị tiêu chuẩn gần nhất là 680nF.

Ghi chú về xây dựng

Bây giờ bạn đã biết tất cả về hoạt động bên trong, tất cả những gì bạn phải làm là đọc rất kỹ vài dòng tiếp theo, tải xuống các tệp bên dưới, mua các thành phần cần thiết, khắc PCB và bắt đầu lắp ráp.

Bộ lọc thông thấp

Đối với bộ lọc thông thấp, bạn có thể sử dụng tụ điện 680nF để đạt được càng gần giá trị tính toán càng tốt, nhưng bạn cũng có thể sử dụng tụ điện 1µF mà không gặp bất kỳ sự cố nào (Tôi thiết kế PCB để bạn có thể sử dụng song song hai tụ điện pha trộn và kết hợp).

Các tụ điện này cần phải là polypropylene hoặc polyester — nói chung không phải là một ý tưởng hay khi sử dụng các tụ điện gốm với tín hiệu âm thanh. Và bạn cần đảm bảo rằng các tụ điện mà bạn đang sử dụng để lọc được xếp hạng cho điện áp cao, ít nhất là 100VAC (nhiều hơn không ảnh hưởng đến). Các tụ điện còn lại trong thiết kế cũng cần có định mức điện áp phù hợp.

Tôi thiết kế bộ khuếch đại này cho công suất đầu ra khoảng 100-150W. Bạn nên sử dụng nguồn điện lưỡng cực có đường ray ± 30V. Bạn có thể tăng cao hơn mức này, nhưng đối với điện áp khoảng ± 40V, bạn cần đảm bảo rằng bạn thay đổi giá trị của điện trở R4 và R5 thành 2K2.

Không cần thiết nhưng bạn nên sử dụng bộ tản nhiệt cho BD241C vì nó khá nóng.

MOSFET

Đối với các MOSFET nguồn, tôi khuyên bạn nên sử dụng IRF540N hoặc IRFB41N15D . Các MOSFET này có phí cổng thấp để chuyển đổi nhanh hơn và R _DS (bật) thấp để tiêu thụ điện năng thấp hơn. Bạn cũng cần đảm bảo rằng MOSFET có định mức V _DS (điện áp từ nguồn vào nguồn) tối đa phù hợp . Bạn có thể sử dụng IRF640N , nhưng R _DS (bật) cao hơn đáng kể, dẫn đến bộ khuếch đại có hiệu suất thấp hơn. Đây là bảng so sánh ba MOSFET này:

Cuộn cảm

Bây giờ là cuộn cảm. Bạn có thể mua một cái đã được làm sẵn nhưng tôi khuyên bạn nên tự làm – dù sao thì đây cũng là một dự án DIY.

Mua một hình xuyến T106-2. Nó cần phải là bột sắt; ferrite có thể hoạt động nhưng nó sẽ cần một khoảng trống hoặc nó sẽ bão hòa. Sử dụng hình xuyến nói trên, cuộn 40 vòng dây tráng men đồng đường kính 0,8-1mm (AWG20-18) . Đó là nó. Đừng lo lắng nếu nó không hoàn hảo — chỉ cần làm cho nó thật chặt chẽ.

Điện trở

Cuối cùng, tất cả các điện trở, trừ khi được ghi chú (R4, R5), là 1 / 4W.

Thử nghiệm

Khi tôi thiết kế PCB, tôi đã làm nó để nó rất dễ kiểm tra. Tín hiệu đầu vào có đầu nối riêng và có hai đầu cực nối đất: một đầu nối cho nguồn điện và một đầu nối cho loa.

Để loại bỏ tiếng ồn (50/60 Hz, từ tần số chính), tôi sử dụng cấu hình nối đất sao; điều này có nghĩa là kết nối tất cả các mặt đất (mặt đất khuếch đại, mặt đất tín hiệu và mặt đất loa) tại cùng một điểm, tốt nhất là trên PCB cấp nguồn, sau mạch chỉnh lưu.

Bạn có thể tìm thấy toàn bộ Hóa đơn nguyên vật liệu trong các tệp bên dưới, nơi bạn cũng có thể tìm thấy các tệp PCB ở cả định dạng PDF và tệp KiCAD.

Goodies.zip

Lời kết Mạch công suất Class D liền nguồn

Tôi hy vọng rằng những thông tin trong bài viết này là đủ để bạn xây dựng một bộ khuếch đại công suất âm thanh của riêng mình. Tôi hy vọng nó cũng khiến bạn hào hứng với việc xây dựng bộ khuếch đại của riêng mình.

Có rất nhiều thứ có thể được cải thiện trong dự án này. Bạn có tất cả các thông tin và tệp cần thiết, nhưng bạn không cần phải theo dõi chúng đến thư.

Bạn có thể sử dụng các thành phần SMD, cải thiện mạch so sánh bằng cách sử dụng một đầu ra bổ sung hoặc thử IR2011S thay vì IR2110. Chỉ cần đốt lên sắt hàn đó, khắc PCB của bạn và bắt đầu hoạt động. Nó không thành vấn đề nếu nó không hoạt động trong lần thử đầu tiên.

Đó là tất cả về thử và sai. Cuối cùng khi bạn sẽ nghe thấy âm thanh sống động phát ra từ loa của mình, tất cả sẽ rất xứng đáng.

Nếu bạn gặp bất kỳ sự cố nào với bản dựng của mình, hãy bình luận tại đây hoặc đăng trên diễn đàn bằng cách sử dụng càng nhiều thông tin càng tốt. Chúng tôi sẽ giải quyết nó.