Explicación de 4 circuitos amplificadores PWM eficientes

Explicación de 4 circuitos amplificadores PWM eficientes

Los amplificadores de audio que están diseñados para amplificar una señal de audio analógica mediante modulación de ancho de pulso o procesamiento PWM y con ciclo de trabajo ajustable son conocidos por muchos nombres, incluidos amplificador digital, amplificador de clase D, amplificador conmutado y amplificador PWM.

Debido a que puede funcionar con altas eficiencias, Amplificador de clase D se ha convertido en un concepto favorito para aplicaciones móviles y de megafonía donde la distorsión es insignificante.

Por qué los amplificadores PWM son tan eficientes

Es porque convierten la señal de audio analógica en contenido modulado PWM equivalente. Esta señal de audio PWM modulada es amplificada de manera eficiente por los dispositivos de salida como MOSFET o BJT y luego se convierte nuevamente en una versión analógica de alta potencia utilizando inductores especiales en los altavoces conectados.



Lo sabemos semiconductor dispositivos como MOSFET y BJT 'No me gusta' se opera en regiones indefinidas de una señal de entrada y tiende a calentarse. Por ejemplo un MOSFET no se encenderá correctamente cuando las señales de la puerta estén por debajo de 8 V, y los BJT no responderán correctamente a una unidad base por debajo de 0,5 V, lo que provocará una gran disipación de calor a través del disipador de calor del cuerpo.

Las señales analógicas, que son exponenciales por naturaleza, obligan a los dispositivos anteriores a trabajar con potenciales incómodos y desfavorables de subida y bajada lentas, lo que provoca una alta disipación de calor y mayores ineficiencias.

PWM En contraste, el concepto de amplificación permite que estos dispositivos funcionen encendiéndolos completamente o apagándolos completamente, sin potenciales intermedios indefinidos. Debido a esto, los dispositivos no irradian calor y la amplificación de audio se procesa con alta eficiencia y pérdidas mínimas.

Ventajas del amplificador digital en comparación con el amplificador lineal

  • Los amplificadores digitales o PWM utilizan procesamiento PWM y, por lo tanto, los dispositivos de salida amplifican las señales con una disipación de calor mínima. Los amplificadores lineales utilizan un diseño de seguidor de emisor y disipan una gran cantidad de calor durante la amplificación del sonido.
  • Los amplificadores digitales pueden funcionar con menos dispositivos de potencia de salida en comparación con los amplificadores lineales.
  • Debido a la mínima disipación de calor, no se requieren disipadores de calor o disipadores de calor más pequeños, en comparación con los amperios lineales que dependen de grandes disipadores de calor.
  • Los amplificadores digitales PWM son más baratos, livianos y altamente eficientes en comparación con los amplificadores lineales.
  • Los amplificadores digitales pueden funcionar con entradas de fuente de alimentación más pequeñas que los amplificadores lineales.

En esta publicación, el primer amplificador de potencia PWM a continuación funciona con una batería de 6 V y genera una potencia de salida de hasta 5 W. Dada su descarada capacidad de salida, el amplificador PWM se encuentra a menudo en megáfonos.

Un problema común con los amplificadores AF móviles es que, debido a su propiedad de baja eficiencia, es difícil producir alta potencia a partir de un bajo voltaje de suministro.

Sin embargo, el amplificador PWM en nuestra discusión tiene una eficiencia de casi el 100% a un nivel de distorsión aceptable con megáfonos y P.A. dispositivos. A continuación se explican algunos factores que contribuyen al diseño:

Modulación de ancho de pulso

El principio de modulación por ancho de pulso (PWM) se representa en la Figura 1 a continuación.

El concepto es simple: el ciclo de trabajo de una señal rectangular de mayor frecuencia está controlado por una señal de entrada. El tiempo de activación del pulso es relativo a la amplitud instantánea de la señal de entrada.

La cantidad de tiempo de encendido y apagado además de la frecuencia es constante. Por lo tanto, cuando falta una señal de entrada, se produce una señal de onda cuadrada simétrica.

Para lograr una calidad de sonido relativamente buena, la frecuencia de la señal rectangular debe ser el doble que la frecuencia más alta en la señal de entrada.

La señal resultante se puede utilizar para alimentar un altavoz. La Figura 4 muestra una conversión clara en la traza del osciloscopio.

Una traza superior con una señal de salida sinusoidal y una traza inferior con la señal de control PWM

La traza superior muestra la señal de salida después del filtrado y medida a través del altavoz. La amplitud del resto Señal PWM que se superpone a la onda sinusoidal es pequeña.

Interruptores electrónicos como amplificadores

La Figura 2 describe el funcionamiento estándar del amplificador PWM con ayuda del diagrama de bloques.

Diagrama de bloques de un amplificador de clase D

Supongamos que cuando la entrada está en cortocircuito, el interruptor Saalimenta el condensador C7con una corriente yo2. Esto ocurre hasta que se alcanza un voltaje de conmutación límite superior adecuado.

Luego, conecta R7al suelo. Después de eso, C7se descarga a la tensión de conmutación de límite inferior de Sa. Como resultado, C7y R7produce una onda cuadrada con una frecuencia de 50 kHz.

Cuando se efectúa una señal de AF a la entrada del amplificador, la corriente adicional I1reduce o aumenta relativamente el tiempo de carga, o aumenta y disminuye el tiempo de descarga.

Entonces, la señal de entrada modifica el factor de trabajo de la señal de onda cuadrada que se ve en la salida del altavoz.

Hay dos leyes que son esenciales para el funcionamiento básico del amplificador PWM.

  1. El primero es el interruptor Sbse controla en anti-fase con Samientras sostiene el otro terminal del altavoz como voltaje alternativo al de la señal PWM.

Esta configuración produce un resultado de la etapa de salida de potencia de tipo puente de conmutación. Posteriormente, en cada polaridad, el altavoz se fuerza con la tensión de alimentación completa para que se logre un consumo máximo de corriente.

2. En segundo lugar, analizamos los inductores L1y yo2. El propósito de los inductores es integrar la señal rectangular y convertirlos en sinusoidales como se muestra en la traza del osciloscopio anteriormente. Además, también funcionan como supresor de armónicos de la señal rectangular de 50 kHz.

Alta salida de sonido con un diseño modesto

Los esquemas de un amplificador de clase D de 4 W utilizado para megafonía.

A partir del esquema de la figura anterior, puede identificar fácilmente los componentes electrónicos utilizados en el diagrama de bloques.

Un puñado de piezas como la resistencia R1, condensadores de acoplamiento C1y C4, control de volumen P1y un amplificador basado en opamp A1hace el trabajo de polarización de un micrófono de condensador (o electrostático).

Toda esta operación crea el segmento de entrada del amplificador PWM. Como se discutió anteriormente, los interruptores Say Sbestán construidos por interruptores electrónicos ES1to ES4y pares de transistores T1-T3y T2-T4.

Las indicaciones de las piezas de los componentes electrónicos que construyen el generador PWM se relacionan con las descritas en el diagrama de bloques.

Probablemente, el amplificador PWM es excepcionalmente eficiente porque los transistores de salida no se calientan incluso cuando se fuerzan con una condición de transmisión total. En resumen, prácticamente no hay disipación en la etapa de salida de potencia.

El factor más importante que debe considerar antes de seleccionar los inductores L1y yo2es que deben poder canalizar 3 A sin saturarse.

La consideración de la inductancia real ocupa el segundo lugar. Por ejemplo, los inductores utilizados en este proyecto se obtuvieron de un atenuador de luz.

El propósito de los diodos D3a D6es contener el EMF trasero producido por los inductores a un valor razonablemente seguro.

Además, la entrada no inversora del opamp A1está formado por D1, C3, D2y R3. Este voltaje de entrada, filtrado de manera eficiente, es igual a la mitad del voltaje de suministro.

Cuando se usa un amplificador opamp tradicional, la ganancia de voltaje se asigna mediante un bucle de retroalimentación negativa. R4y R5establecerá la ganancia en 83 para asegurarse de que la sensibilidad del micrófono sea suficiente.

En caso de que esté utilizando fuentes de señal de alta impedancia, R4se puede amplificar según sea necesario.

L1y yo2causar el cambio de fase y, debido a eso, la retroalimentación es posible con la ayuda de la señal de onda cuadrada en el colector de T1en comparación con la señal del altavoz sinusoidal.

Combinado con C5el opamp ofrece la integración significativa de la señal de retroalimentación PWM.

El sistema de retroalimentación reduce la distorsión del amplificador, pero no tanto como para usarlo para otras aplicaciones además de la megafonía.

Normalmente, se requeriría una cantidad significativamente mayor de voltaje de suministro y un diseño de circuito complicado para un amplificador de clase D con baja distorsión.

La implementación de esta configuración obstaculizaría la eficiencia general del circuito. Preste atención al elegir interruptores electrónicos en el amplificador, ya que los tipos HCMOS son adecuados.

Un CMOS tipo 4066 típico es extremadamente lento e inapropiado para provocar un 'cortocircuito' en T1-T3y T2-T4. No solo eso, sino que también existe un mayor riesgo de trabajar en exceso o incluso dañar permanentemente el amplificador.

Amplificador PWM para aplicaciones de megáfono

Los entusiastas de la electrónica prefieren emplear el amplificador de clase D para alimentar un altavoz tipo bocina porque puede producir el sonido más alto para un nivel de potencia seleccionado.

Usando una batería de 6 V y un altavoz de cámara de presión, el modelo de amplificador se construyó fácilmente.

Los 4 W de potencia de salida existentes se podían medir en un megáfono con un rango de audio decente.

Se conectaron en serie cuatro pilas secas de 1,5 V o monoceldas alcalinas para suministrar tensión al megáfono. En caso de que desee utilizar esta configuración con frecuencia, opte por una batería recargable de NiCd o tipo gel (Dryfit).

Dado que el consumo máximo de corriente del megáfono es de 0,7 A, un alcalino estándar es adecuado para soportar el funcionamiento durante 24 horas a plena potencia de salida.

Si planeas un uso no continuo, elegir un juego de pilas secas será más que suficiente.

Tenga en cuenta que sea cual sea la fuente de alimentación que utilice, nunca debe cruzar más de 7 V.

La razón son los interruptores HCMOS en IC1no funcionaría correctamente a ese nivel de voltaje o más.

Afortunadamente, para el amplificador, el umbral máximo para la tensión de alimentación es superior a 11 V.

El diseño de PCB para el amplificador PWM clase D explicado anteriormente se muestra a continuación:

Otro buen amplificador PWM

Un amplificador PWM bien diseñado comprenderá un generador de ondas rectangulares simétricas.

El ciclo de trabajo de esta onda rectangular está modulado por la señal de audio.

En lugar de operar linealmente, los transistores de salida funcionan como interruptores, por lo que están completamente encendidos o apagados. En un estado inactivo, el ciclo de trabajo de la forma de onda es del 50%.

Eso significa que cada transistor de salida está completamente saturado o también conocido como conductor, por la misma duración. Como resultado, el voltaje de salida promedio es cero.

Esto significa que si uno de los interruptores permanece cerrado un poco más que el otro, el voltaje de salida promedio será negativo o positivo dependiendo de la polaridad de la señal de entrada.

Por tanto, podemos observar que el voltaje de salida promedio es relacional a la señal de entrada. Esto se debe a que los transistores de salida funcionan completamente como interruptores, por lo que hay una pérdida de potencia tremendamente baja en la etapa de salida.

El diseño

La Figura 1 muestra el esquema completo del amplificador PWM de clase D. Podemos ver que el amplificador PWM no necesita ser demasiado complejo.

Con solo 12 V, el amplificador PWM auto-oscilante entregará 3 W a 4 ohmios.

La señal de audio de entrada se aplica a un amplificador operacional IC1 que funciona como comparador. Esta configuración lleva un puñado de disparadores Schmitt que están conectados en paralelo al circuito.

Están ahí por dos razones. En primer lugar, debe haber una forma de onda “cuadrada” y, en segundo lugar, se requiere la corriente de excitación base adecuada para la etapa de salida. En esta etapa, hay dos transistores simples pero rápidos (BD137 / 138) instalados.

Todo el amplificador oscila y genera una onda cuadrada. La razón es que una entrada del comparador (IC1) está conectada a la salida a través de una red RC.

Además, ambas entradas de IC1 están polarizadas a la primera mitad de la tensión de alimentación empleando un divisor de tensión R3 / R4.

Cada vez que la salida del IC1 es baja y los emisores de T1 / T2 son altos, la carga del capacitor C3 ocurre a través de la resistencia R7. Al mismo tiempo, habrá un aumento de voltaje en la entrada no inversora.

Una vez que este voltaje en aumento cruza el nivel de inversión, la salida de IC1 cambia de bajo a alto.

Como resultado, los emisores de T1 / T2 pasan de alto a bajo. Esta condición permite que C3 se descargue a través de R7 y el voltaje en la entrada positiva descienda por debajo del voltaje en la entrada negativa.

La salida de IC1 también vuelve a un estado bajo. Al final, se produce una salida de onda cuadrada a una frecuencia decidida por R7 y C3. Los valores proporcionados generan una oscilación a 700 kHz.

Usando un oscilador , podemos modular la frecuencia. El nivel de IC1 de la entrada inversora, que normalmente se utiliza como referencia, no permanece constante, sino que lo decide la señal de audio.

Además, la amplitud determina el punto exacto donde la salida del comparador comienza a cambiar. En consecuencia, el 'grosor' de las ondas cuadradas es modulado regularmente por la señal de audio.

Para garantizar que el amplificador no funcione como un transmisor de 700 kHz, se debe realizar un filtrado en su salida. Una red LC / RC que comprende L1 / C6 y C7 / R6 hace un buen trabajo como filtrar .

Especificaciones técnicas

  • Equipado con una carga de 8 ohmios y una tensión de alimentación de 12 V, el amplificador generó 1,6 W.
  • Cuando se usa a 4 ohmios, la potencia aumenta a 3 W. Para un calor disipado tan pequeño, no se requiere enfriar los transistores de salida.
  • Está comprobado que la distorsión armónica es inusualmente baja para un circuito simple como este.
  • El nivel de distorsión armónica total fue inferior al 0,32% del rango medido de 20 Hz a 20.000 Hz.

En la figura siguiente, puede ver la PCB y el diseño de las partes del amplificador. El tiempo y el costo de construir este circuito son muy bajos, por lo que presenta una excelente oportunidad para cualquiera que busque mejorar su comprensión de PWM.

La PCB del amplificador PWM y el diseño de las piezas.

Lista de partes

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

Diverso:
L1 = inductor 39μH

Circuito amplificador clase D simple de 3 transistores

La extraordinaria eficiencia del amplificador PWM es tal que se puede producir una salida de 3 W con un BC107 utilizado como transistor de salida. Aún mejor, no requiere un disipador de calor.

El amplificador comprende un oscilador de ancho de pulso controlado por voltaje que opera a alrededor de 6 kHz y aplica una etapa de salida de clase D.

Solo hay dos escenarios: completamente encendido o completamente apagado. Debido a eso, la disipación es increíblemente pequeña y, en consecuencia, produce una alta eficiencia. La forma de onda de salida no se parece a la de entrada.

Sin embargo, la integral de las formas de onda de salida y entrada son proporcionales entre sí en relación con el tiempo.

La tabla presentada de valores de componentes muestra que se puede fabricar cualquier amplificador con salidas entre 3 W y 100 W. Dado eso, se pueden obtener potencias más fuertes de hasta 1 kW.

La desventaja es que crea alrededor del 30% de distorsión. Como resultado, el amplificador se puede utilizar solo para amplificar el sonido. Es apto para sistemas de megafonía debido a que el discurso es increíblemente comprensible.

Amplificador operacional digital

El siguiente concepto muestra cómo utilizar un flip flop de restablecimiento de conjunto básico IC 4013 que podría aplicarse para convertir la señal de audio analógica en una señal PWM correspondiente, que se puede alimentar a una etapa MOSFET para la amplificación PWM deseada.

Puede usar la mitad del paquete 4013 como un amplificador provisto de una salida digital con un ciclo de trabajo que es proporcional al voltaje de salida deseado. Siempre que necesite una salida analógica, un filtro simple haría el trabajo.

Debe seguir los pulsos de reloj especificados y estos deben tener una frecuencia significativamente mayor que el ancho de banda deseado. La ganancia es R1 / R2 mientras que el tiempo R1R2C / (R1 + R2) debe ser más largo que el período de los pulsos del reloj.

Aplicaciones

Hay muchas formas de utilizar el circuito. Algunos son:

  1. Adquirir pulsos desde el punto de cruce por cero de la red y hacer cumplir un triac con la salida. Como resultado, ahora tiene control de potencia relacional sin RFI.
  2. Con un reloj rápido, cambie los transistores del controlador con la salida. El resultado es un amplificador de audio PWM de alta eficiencia.

Amplificador PWM de 30 vatios

Se puede ver un diagrama de circuito para un amplificador de audio de clase D de 30 W en el siguiente archivo pdf.

30 vatios clase D Descargar

El amplificador operacional IC1 amplifica la señal de audio de entrada a través del potenciómetro VR1 controlado por volumen variable. Se genera una señal PWM (modulación de ancho de pulso) comparando la señal de audio con una banda triangular de 100 kHz. Esto se logra mediante el comparador 1C6. La resistencia RI3 se emplea para proporcionar retroalimentación positiva y C6 se introduce realmente para mejorar el tiempo de operación del comparador.

La salida del comparador cambia entre un voltaje extremo de ± 7,5 V. La resistencia pull-up R12 ofrece + 7.5V mientras que -7.5V es suministrado por el transistor emisor abierto interno del amplificador operacional IC6 en el pin 1. Durante el tiempo que esta señal se mueve a nivel positivo, el transistor TR1 funciona como un terminal de sumidero de corriente. Este sumidero de corriente provoca un aumento en la caída de voltaje a través de la resistencia R16, que se vuelve lo suficiente para encender el MOSFET TR3.

Cuando la señal cambia al extremo negativo. TR2 se convierte en una fuente de corriente que conduce a una caída de voltaje en R17. Esta caída es suficiente para encender TR4. Básicamente, los MOSFET TR3 y TR4 se activan alternativamente generando una señal PWM que cambia entre +/- 15V.

En este punto, es esencial recuperar o convertir esta señal PWM amplificada en una buena reproducción de audio que puede ser un equivalente amplificado de la señal de audio de entrada.

Esto se logra creando un promedio del ciclo de trabajo PWM a través de un filtro de paso bajo Butterworh de tercer orden que tiene una frecuencia de corte (25 kHz) significativamente por debajo de la frecuencia base del triángulo.

Esta acción conduce a una gran atenuación a 100 kHz. La salida final obtenida se transpira en una salida de audio que es una réplica amplificada de la señal de audio de entrada.

El generador de ondas triangulares a través de la configuración del circuito 1C2 y 1C5, donde IC2 funciona como un generador de ondas cuadradas con retroalimentación positiva suministrada a través de R7 y R11. Los diodos DI a D5 funcionan como una abrazadera bidireccional. Esto fija el voltaje en aproximadamente +/- 6V.

Se crea un integrador perfecto a través del VR2 preestablecido, el condensador C5 y el IC5 que transforma una onda cuadrada en una onda triangular. Preset VR2 proporciona la función de ajuste de frecuencia.

La salida 1C5 en (pin 6) suministra retroalimentación a 1C2, y la resistencia R14 y el VR3 preestablecido funcionan como atenuador flexible que permite ajustar el nivel de la onda triangular según sea necesario.

Después de realizar el circuito completo, VR2 y VR3 deben ajustarse para permitir una salida de audio de la más alta calidad. Se puede emplear un conjunto de amplificadores operacionales 741 ordinarios para 1C4 e IC3 como búfer de ganancia unitaria para suministrar la potencia de +/- 7.5V.

Los condensadores C3, C4, C11 y C12 se utilizan para la filtración, mientras que el resto de los condensadores se utilizan para desacoplar el suministro.

El circuito se puede alimentar con una fuente de alimentación dual de +/- 15 V CC, que podrá conducir un altavoz de 30 W y 8 ohmios a través de la etapa LC utilizando el condensador C13 y el inductor L2. Tenga en cuenta que probablemente se necesiten disipadores de calor modestos para MOSFET TR3 y TR4.




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