4 Penjelasan Sirkuit Penguat PWM yang Efisien

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Penguat audio yang dirancang untuk memperkuat sinyal audio analog melalui modulasi lebar pulsa atau pemrosesan PWM dan dengan siklus kerja yang dapat disesuaikan dikenal dengan banyak nama termasuk penguat digital, penguat Kelas-D, penguat sakelar dan penguat PWM.

Karena dapat bekerja dengan efisiensi tinggi, a Penguat Kelas-D telah menjadi konsep favorit untuk aplikasi alamat seluler dan publik di mana distorsi dapat diabaikan.



Mengapa Penguat PWM sangat Efisien

Itu karena mereka mengubah sinyal audio analog menjadi konten termodulasi PWM yang setara. Sinyal audio PWM termodulasi ini diperkuat secara efisien oleh perangkat keluaran seperti MOSFET atau BJT dan kemudian diubah kembali menjadi versi analog daya tinggi menggunakan induktor khusus di seluruh pengeras suara yang terhubung.

Kami tahu itu semikonduktor perangkat seperti MOSFET, dan BJT 'tidak suka' dioperasikan di wilayah sinyal input yang tidak ditentukan dan cenderung menjadi panas. Misalnya a MOSFET tidak akan menyala dengan benar saat sinyal gerbang di bawah 8V, dan BJT tidak akan merespons dengan benar pada penggerak dasar di bawah 0,5 V, yang mengakibatkan tingginya jumlah pembuangan panas melalui heatsink tubuh mereka.



Sinyal analog yang bersifat eksponensial memaksa perangkat di atas untuk bekerja dengan potensi kenaikan lambat dan penurunan lambat yang tidak nyaman dan tidak menguntungkan, menyebabkan pembuangan panas tinggi dan inefisiensi yang lebih besar.

PWM Sebaliknya, konsep amplifikasi, memungkinkan perangkat ini untuk bekerja baik dengan menyalakannya sepenuhnya atau mematikannya sepenuhnya, tanpa potensi menengah yang tidak ditentukan. Karena itu, perangkat tidak memancarkan panas apa pun dan amplifikasi audio dibuat dengan efisiensi tinggi dan kerugian minimum.

Keunggulan Penguat Digital Dibandingkan dengan Penguat Linier

  • Amplifier digital atau PWM menggunakan pemrosesan PWM dan oleh karena itu perangkat keluaran memperkuat sinyal dengan pembuangan panas minimum. Amplifier linier menggunakan desain pengikut emitor dan menghilangkan panas dalam jumlah besar selama penguatan suara.
  • Amplifier digital dapat bekerja dengan jumlah perangkat daya keluaran yang lebih sedikit dibandingkan dengan amplifier linier.
  • Karena pembuangan panas minimal, tidak diperlukan heatsink atau heatsink yang lebih kecil, dibandingkan dengan ampli linier yang bergantung pada heatsink besar.
  • Amplifier PWM digital lebih murah, lebih ringan, dan sangat efisien dibandingkan dengan amplifier linier.
  • Amplifier digital dapat beroperasi dengan input catu daya yang lebih kecil daripada amplifier linier.

Dalam posting ini, penguat daya PWM pertama di bawah ini dioperasikan oleh baterai 6 V dan menghasilkan daya keluaran hingga 5W. Mengingat kapasitas keluarannya yang mencolok, penguat PWM sering ditemukan dalam megafon.

Masalah umum dengan amplifier AF seluler adalah karena sifat efisiensinya yang rendah, sulit untuk menghasilkan daya tinggi dari tegangan suplai rendah.

Namun, penguat PWM dalam diskusi kita memiliki efisiensi hampir 100% pada tingkat distorsi yang dapat diterima dengan megafon dan P.A. perangkat. Beberapa faktor yang berkontribusi pada desain dijelaskan di bawah ini:

Modulasi lebar pulsa

Prinsip Pulse Width Modulation (PWM) direpresentasikan pada Gambar 1 di bawah ini.

Konsepnya sederhana: siklus kerja sinyal persegi panjang dengan frekuensi yang lebih tinggi dikendalikan oleh sinyal masukan. Waktu nyala pulsa relatif terhadap amplitudo sesaat dari sinyal input.

Besarnya waktu on-time dan off-time selain frekuensinya adalah konstan. Oleh karena itu, ketika sinyal masukan hilang, sinyal gelombang persegi simetris dihasilkan.

Untuk mencapai kualitas suara yang relatif baik, frekuensi sinyal persegi harus dua kali lipat dari frekuensi tertinggi pada sinyal input.

Sinyal yang dihasilkan dapat digunakan untuk menyalakan loudspeaker. Gambar 4 menunjukkan konversi yang jelas dalam jejak osiloskop.

Jejak atas dengan sinyal keluaran sinusoidal dan jejak bawah dengan sinyal kontrol PWM

Jejak atas menunjukkan sinyal keluaran setelah penyaringan dan diukur di seluruh loudspeaker. Amplitudo yang tersisa Sinyal PWM yang tumpang tindih gelombang sinus kecil.

Sakelar Elektronik sebagai Amplifier

Gambar 2 menjelaskan operasi standar penguat PWM dengan bantuan diagram blok.

Diagram blok penguat kelas-D

Anggaplah saat input mengalami hubung singkat, alihkan Suntukkapasitor listrik C7dengan I saat inidua. Ini terjadi sampai tegangan switching batas atas yang sesuai tercapai.

Kemudian, menghubungkan R7ke tanah. Setelah itu, C7dibuang ke tegangan switching batas bawah dari S.untuk. Akibatnya, C7dan R7menghasilkan gelombang persegi dengan frekuensi 50 kHz.

Ketika sinyal AF dipengaruhi ke input penguat, arus tambahan I1relatif mengurangi atau menambah waktu pengisian, atau menambah dan mengurangi waktu pengosongan.

Jadi, sinyal masukan mengubah faktor tugas dari sinyal gelombang persegi yang terlihat pada keluaran loudspeaker.

Ada dua hukum yang penting untuk operasi dasar penguat PWM.

  1. Yang pertama adalah sakelar Sbdikendalikan dalam anti-fase dengan S.untuksambil memegang terminal loudspeaker lain sebagai tegangan alternatif dari sinyal PWM.

Pengaturan ini menghasilkan hasil dari tahap keluaran daya tipe jembatan switching. Setelah itu, pada setiap polaritas, loudspeaker dipaksa dengan tegangan suplai penuh sehingga konsumsi arus maksimum tercapai.

2. Kedua, kita melihat induktor L1dan sayadua. Tujuan dari induktor adalah untuk mengintegrasikan sinyal persegi panjang dan mengubahnya menjadi sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada jejak lingkup sebelumnya. Selain itu, mereka juga berfungsi dan penekan harmonik dari sinyal persegi panjang 50 kHz.

Output Suara Tinggi dari Desain Sederhana

Skema penguat kelas-D 4 W yang digunakan untuk tujuan alamat publik.

Dari skema pada gambar di atas, Anda dapat dengan mudah mengidentifikasi komponen elektronik yang digunakan dalam diagram blok.

Beberapa bagian seperti resistor R1, kapasitor kopling C1dan C4, kontrol volume P.1dan penguat berbasis di sekitar opamp A1melakukan pekerjaan bias untuk kapasitor (atau elektrostatis) mikrofon.

Seluruh operasi ini menciptakan segmen input penguat PWM. Seperti dibahas sebelumnya, sakelar Suntukdan Sbdibangun oleh sakelar elektronik ES1ke ES4dan pasangan transistor T1-T3dan Tdua-T4.

Indikasi bagian untuk komponen elektronik yang membentuk generator PWM berhubungan dengan yang dijelaskan dalam diagram blok.

Mungkin penguat PWM sangat efisien karena transistor keluaran tidak dipanaskan bahkan ketika dipaksa dengan kondisi semua-drive. Singkatnya, praktis tidak ada disipasi dalam tahap keluaran daya.

Faktor paling vital yang perlu Anda pertimbangkan sebelum memilih induktor L1dan sayaduaadalah bahwa mereka harus dapat menyalurkan 3 A tanpa menjadi jenuh.

Pertimbangan induktansi sebenarnya hanya berada di urutan kedua. Misalnya, induktor yang digunakan dalam proyek ini diperoleh dari peredup cahaya.

Tujuan dari dioda D3ke D6adalah untuk menahan EMF belakang yang diproduksi oleh induktor ke nilai yang cukup aman.

Selain itu, masukan non-pembalik dari opamp A1dibentuk oleh D1, C3, Dduadan R3. Tegangan input ini, disaring secara efisien, sama dengan setengah dari tegangan suplai.

Saat menggunakan penguat opamp tradisional, penguatan tegangan diberikan oleh loop umpan balik negatif. R4dan R5akan mengatur penguatan ke 83 untuk memastikan sensitivitas mikrofon yang memadai.

Jika Anda menggunakan sumber sinyal impedansi tinggi, R4dapat diperkuat sesuai kebutuhan.

L1dan sayaduamenyebabkan pergeseran fasa dan karena itu, umpan balik dimungkinkan dengan bantuan sinyal gelombang persegi pada kolektor T1dibandingkan dengan sinyal loudspeaker sinusoidal.

Dikombinasikan dengan C5opamp memberikan integrasi yang signifikan dari sinyal umpan balik PWM.

Sistem umpan balik mengurangi distorsi penguat tetapi tidak terlalu luas sehingga Anda dapat menggunakannya untuk aplikasi lain selain alamat publik.

Biasanya, jumlah tegangan suplai yang meningkat secara signifikan dan desain sirkuit yang rumit akan diperlukan untuk penguat Kelas-D dengan distorsi rendah.

Menerapkan pengaturan ini akan menghambat efisiensi keseluruhan sirkuit. Perhatikan saat memilih sakelar elektronik pada amplifier karena jenis HCMOS cocok.

Jenis CMOS 4066 sangat lamban dan tidak sesuai untuk memicu 'arus pendek' di T1-T3dan Tdua-T4. Tidak hanya itu, tetapi ada juga risiko tinggi untuk bekerja terlalu keras atau bahkan merusak amplifier secara permanen.

Amplifier PWM untuk Aplikasi Megaphone

Penggemar elektronik lebih suka menggunakan amplifier kelas-D untuk menyalakan loudspeaker jenis tanduk karena dapat menghasilkan suara paling keras untuk tingkat daya yang dipilih.

Dengan menggunakan baterai 6 V dan loudspeaker ruang tekanan, model penguat mudah dibuat.

Daya keluaran 4 W yang ada dapat diukur dalam megafon dengan jangkauan audio yang layak.

Empat baterai kering 1,5 V atau sel monosel alkalin dihubungkan secara seri untuk memasok voltase untuk megafon. Jika Anda ingin sering menggunakan pengaturan ini, pilihlah baterai NiCd atau tipe gel (Dryfit) yang dapat diisi ulang.

Karena konsumsi arus maksimum megafon adalah 0,7 A, basa standar cocok untuk mendukung operasi selama 24 jam dengan daya keluaran penuh.

Jika Anda berencana untuk penggunaan tidak terus menerus, memilih satu set sel kering sudah lebih dari cukup.

Ingatlah bahwa sumber daya apa pun yang Anda gunakan, tidak boleh melewati lebih dari 7 V.

Alasannya adalah saklar HCMOS di IC1tidak akan berfungsi dengan baik pada level tegangan itu atau lebih.

Untungnya, untuk penguat, ambang maksimum untuk tegangan suplai lebih besar dari 11 V.

Desain PCB untuk penguat kelas-D PWM yang dijelaskan di atas diberikan di bawah ini:

Amplifier PWM Bagus Lainnya

Penguat PWM yang dirancang dengan baik akan terdiri dari generator gelombang persegi panjang simetris.

Siklus kerja gelombang persegi panjang ini dimodulasi oleh sinyal audio.

Alih-alih beroperasi secara linier, transistor keluaran beroperasi sebagai sakelar, jadi mereka benar-benar hidup atau mati. Dalam keadaan tidak aktif, siklus kerja bentuk gelombang adalah 50%.

Itu berarti setiap transistor keluaran jenuh penuh atau juga dikenal sebagai konduksi, untuk durasi yang sama. Akibatnya, tegangan keluaran rata-rata adalah nol.

Ini berarti jika salah satu sakelar tetap tertutup sedikit lebih lama dari yang lain, tegangan keluaran rata-rata akan menjadi negatif atau positif tergantung pada polaritas sinyal masukan.

Oleh karena itu, kita dapat mengamati bahwa tegangan keluaran rata-rata berhubungan dengan sinyal masukan. Ini karena transistor keluaran bekerja sepenuhnya sebagai sakelar, oleh karena itu ada kehilangan daya yang sangat rendah pada tahap keluaran.

Desain

Gambar 1 menggambarkan seluruh skema penguat PWM kelas-D. Kita bisa melihat penguat PWM tidak perlu terlalu rumit.

Dengan hanya 12 V, penguat PWM berosilasi sendiri akan menghasilkan 3 W menjadi 4 ohm.

Sinyal audio input diterapkan ke op-amp IC1 yang berfungsi sebagai pembanding. Pengaturan ini mengarahkan beberapa pemicu Schmitt yang terhubung secara paralel ke rangkaian.

Mereka ada karena dua alasan. Pertama, harus ada bentuk gelombang 'persegi' dan kedua, arus penggerak basis yang memadai diperlukan untuk tahap keluaran. Dalam tahap ini, ada dua transistor sederhana namun cepat (BD137 / 138) terpasang.

Seluruh penguat berosilasi dan menghasilkan gelombang persegi. Pasalnya, salah satu masukan dari komparator (IC1) dipasang ke keluaran melalui jaringan RC.

Selanjutnya, kedua input IC1 bias ke paruh pertama tegangan suplai dengan menggunakan pembagi tegangan R3 / R4.

Setiap kali output IC1 rendah dan pemancar T1 / T2 tinggi, pengisian kapasitor C3 terjadi melalui resistor R7. Pada saat yang sama, akan ada kenaikan tegangan pada input non-pembalik.

Setelah tegangan yang meningkat ini melintasi tingkat put pembalik, keluaran IC1 bertukar dari rendah ke tinggi.

Hasilnya, pemancar T1 / T2 berubah dari tinggi ke rendah. Kondisi ini memungkinkan C3 untuk keluar melalui R7 dan tegangan pada masukan plus turun di bawah tegangan pada masukan minus.

Output dari IC1 juga kembali ke keadaan rendah. Pada akhirnya, keluaran gelombang persegi dihasilkan pada frekuensi yang ditentukan oleh R7 dan C3. Nilai yang diberikan menghasilkan osilasi pada 700 kHz.

Menggunakan osilator , kami dapat memodulasi frekuensi. Level input pembalik dari IC1 yang biasanya digunakan sebagai referensi tidak tetap konstan tetapi ditentukan oleh sinyal audio.

Selanjutnya, amplitudo menentukan titik yang tepat di mana keluaran dari komparator mulai berubah. Akibatnya, “ketebalan” gelombang persegi secara teratur dimodulasi oleh sinyal audio.

Untuk memastikan amplifier tidak beroperasi sebagai pemancar 700 kHz, penyaringan harus dilakukan pada outputnya. Jaringan LC / RC yang terdiri dari L1 / C6 dan C7 / R6 berfungsi dengan baik sebagai a Saring .

Spesifikasi teknis

  • Dilengkapi dengan beban sebesar 8 ohm dan tegangan suplai 12 V, amplifier yang dihasilkan 1,6 W.
  • Ketika digunakan 4 ohm, daya meningkat menjadi 3 W. Untuk panas yang hilang sekecil itu, pendinginan transistor keluaran tidak diperlukan.
  • Terbukti bahwa distorsi harmonik sangat rendah untuk rangkaian sederhana seperti ini.
  • Tingkat distorsi harmonik total lebih rendah dari 0,32% dari rentang terukur 20 Hz hingga 20.000 Hz.

Pada gambar di bawah, Anda dapat melihat PCB dan tata letak bagian-bagian untuk amplifier. Waktu dan biaya untuk membangun sirkuit ini sangat rendah sehingga memberikan peluang bagus bagi siapa saja yang ingin memahami PWM dengan lebih baik.

PCB dan tata letak bagian penguat PWM.

Daftar Bagian

Resistor:
R1 - 22k
R2, R7 - 1M
R3, R4 - 2.2k
R6 - 420 k
R6 - 8,2 Ohm
P1 = 100k Potensiometer logaritmik
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100μF / 16 V.
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1000p / 10 V.
C9 - 2n2
Semikonduktor:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Miscellaneous:
L1 = 39μH Induktor

Rangkaian Amplifier Kelas-D Transistor 3 Sederhana

Efisiensi yang luar biasa dari penguat PWM sedemikian rupa sehingga output 3 W dapat dihasilkan dengan BC107 yang digunakan sebagai transistor output. Lebih baik lagi, tidak membutuhkan heatsink.

Penguat terdiri dari osilator lebar pulsa yang dikontrol tegangan yang beroperasi pada sekitar 6 kHz dan menjalankan tahap keluaran kelas-D.

Hanya ada dua skenario - aktif atau nonaktif penuh. Karena itu, disipasi menjadi sangat kecil dan akibatnya menghasilkan efisiensi yang tinggi. Bentuk gelombang keluaran tidak terlihat seperti masukan.

Namun, integral dari bentuk gelombang keluaran dan masukan adalah proporsional satu sama lain relatif terhadap waktu.

Tabel nilai komponen yang disajikan menunjukkan bahwa penguat apa pun dengan output antara 3 W hingga 100 W dapat dibuat. Karena itu, daya yang lebih kuat hingga 1 kW dapat dicapai.

Kerugiannya adalah itu menciptakan sekitar 30% distorsi. Hasilnya, amplifier hanya dapat digunakan untuk penguatan suara. Ini cocok untuk sistem alamat publik karena pidatonya sangat bisa dimengerti.

Op-Amp Digital

Konsep berikut menunjukkan bagaimana menggunakan set reset flip flop dasar IC 4013 dapat diterapkan untuk mengubah sinyal audio analog menjadi sinyal PWM yang sesuai, yang selanjutnya dapat diumpankan ke tahap MOSFET untuk amplifikasi PWM yang diinginkan.

Anda dapat menggunakan setengah dari paket 4013 sebagai penguat yang menyediakan keluaran digital dengan siklus kerja yang sebanding dengan tegangan keluaran yang diinginkan. Kapan pun Anda membutuhkan keluaran analog, filter sederhana akan melakukan pekerjaan itu.

Anda harus mengikuti pulsa clock seperti yang ditentukan dan frekuensi ini harus jauh lebih tinggi daripada bandwidth yang diinginkan. Penguatannya adalah R1 / R2 sedangkan waktu R1R2C / (R1 + R2) harus lebih panjang dari periode pulsa clock.

Aplikasi

Ada banyak cara rangkaian dapat digunakan. Beberapa diantaranya adalah:

  1. Dapatkan pulsa dari titik persimpangan nol listrik dan aktifkan triac dengan output. Hasilnya, Anda sekarang memiliki kontrol daya relasional tanpa RFI.
  2. Menggunakan jam cepat, ganti transistor driver dengan output. Hasilnya adalah penguat audio PWM yang sangat efisien.

Penguat PWM 30 watt

Diagram rangkaian untuk Penguat Audio Kelas -D 30W dapat dilihat pada file pdf berikut.

Kelas D 30 watt Unduh

Penguat operasional IC1 memperkuat sinyal audio input melalui potensiometer VR1 yang dikontrol volume variabel. Sinyal PWM (modulasi lebar pulsa) dihasilkan dengan membandingkan sinyal audio dengan wale segitiga 100kHz. Ini dicapai melalui komparator 1C6. Resistor RI3 digunakan untuk memberikan umpan balik positif dan C6 sebenarnya diperkenalkan untuk meningkatkan waktu operasi komparator.

Output komparator beralih antara tegangan ekstrim ± 7,5V. Resistor pull-up R12 menawarkan + 7.5V sementara -7.5V disuplai oleh transistor open emitter internal op amp IC6 pada pin 1. Selama sinyal ini bergerak ke level positif, transistor TR1 bekerja seperti terminal sink arus. Tenggelam arus ini menyebabkan peningkatan penurunan tegangan pada resistor R16, yang menjadi cukup untuk mengaktifkan MOSFET TR3.

Ketika sinyal beralih ke ekstrim negatif. TR2 berubah menjadi sumber arus yang mengarah ke penurunan tegangan di R17. Penurunan ini menjadi cukup untuk MENGAKTIFKAN TR4. Pada dasarnya, MOSFET TR3 dan TR4 dipicu secara bergantian menghasilkan sinyal PWM yang beralih antara +/- 15V.

Pada titik ini, penting untuk mengembalikan atau mengubah sinyal PWM yang diperkuat ini menjadi reproduksi audio yang baik yang mungkin merupakan padanan yang diperkuat dari sinyal audio input.

Ini dicapai dengan membuat rata-rata siklus kerja PWM melalui filter low-pass Butterworh orde-3 ke-3 yang memiliki frekuensi cutoff (25kHz) secara signifikan di bawah frekuensi dasar segitiga.

Tindakan ini menyebabkan redaman besar pada 100kHz. Tanspires keluaran akhir yang diperoleh menjadi keluaran audio yang merupakan replikasi diperkuat dari sinyal audio masukan.

Generator gelombang segitiga melalui konfigurasi rangkaian 1C2 dan 1C5, dimana IC2 bekerja seperti generator gelombang persegi dengan umpan balik positif yang disuplai melalui R7 dan R11. Dioda DI ke D5 bekerja seperti penjepit dua arah. Ini memperbaiki tegangan menjadi sekitar +/- 6V.

Integrator sempurna dibuat melalui VR2 preset, kapasitor C5 dan IC5 yang mengubah gelombang persegi menjadi gelombang segitiga. Preset VR2 menyediakan fitur penyesuaian frekuensi.

Output 1C5 di (pin 6) memasok umpan balik ke 1C2, dan resistor R14 dan fungsi VR3 preset sebagai attenuator fleksibel yang memungkinkan tingkat gelombang segitiga disesuaikan sesuai kebutuhan.

Setelah membuat sirkuit penuh, VR2 dan VR3 harus disetel dengan baik untuk menghasilkan keluaran audio dengan kualitas terbaik. Satu set op amp 741 biasa untuk 1C4 dan IC3 dapat digunakan sebagai buffer gain untuk memasok daya +/- 7,5V.

Kapasitor C3, C4, C11, dan C12 digunakan untuk filtrasi sedangkan kapasitor lainnya digunakan untuk memisahkan suplai.

Rangkaian ini dapat mem-powerede dengan catu daya DC ganda +/- 15V, yang akan dapat menggerakkan loudspeaker 30W 8 ohm melalui tahap LC menggunakan kapasitor C13 dan induktor L2. Perhatikan bahwa heatsink sederhana mungkin diperlukan untuk MOSFET TR3 dan TR4.




Sepasang: Sirkuit Pengontrol Kecepatan Mesin Bor yang Dapat Disesuaikan Berikutnya: Rangkaian Detektor Gerakan menggunakan Efek Doppler