Amplificateur de classe D auto-oscillant de 350 watts : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Introduction et pourquoi j'ai fait cette instructable:

Sur Internet, il existe une multitude de tutoriels montrant aux gens comment construire leurs propres amplificateurs de classe D. Ils sont efficaces, simples à comprendre et utilisent tous la même topologie générale. Une onde triangulaire haute fréquence est générée par une partie du circuit, et elle est comparée au signal audio pour moduler les commutateurs de sortie (presque toujours les MOSFET) activés et désactivés. La majorité de ces conceptions "DIY Class D" n'ont pas de retour, et celles qui ne sonnent proprement que dans la région des basses. Ils font des amplificateurs de subwoofer assez acceptables, mais ont une distorsion importante dans les régions des aigus. Ceux sans retour, en raison du temps mort requis pour la commutation MOSFET, ont une forme d'onde de sortie qui ressemble à une onde triangulaire, par opposition à une onde sinusoïdale. Des harmoniques indésirables importantes sont présentes, entraînant une diminution notable de la qualité sonore qui fait que la musique sonne un peu comme si elle sortait d'une trompette. Le son quelque peu trompeur et pas si percutant de mon précédent amplificateur de classe D est la raison pour laquelle j'ai décidé de rechercher et de construire un amplificateur en utilisant cette topologie obscure et sous-utilisée.

Cependant, le "comparateur d'ondes triangulaires" classique n'est pas le seul moyen de construire un amplificateur de classe D. Il y a un meilleur moyen. Au lieu d'avoir un oscillateur pour moduler le signal, pourquoi ne pas faire de l'amplificateur entier l'oscillateur ? Les MOSFET de sortie sont pilotés (via un circuit de pilotage approprié) par la sortie d'un comparateur avec l'entrée positive recevant l'audio entrant et l'entrée négative recevant une version (réduite) de la tension de sortie de l'amplificateur. L'hystérésis est utilisée dans le comparateur pour réguler la fréquence de fonctionnement et empêcher les modes de résonance instables à haute fréquence. En outre, un réseau d'amortissement RC est utilisé sur la sortie pour supprimer la sonnerie à la fréquence de résonance du filtre de sortie et réduire le déphasage à près de 90 degrés à la fréquence de fonctionnement de l'amplificateur d'environ 100 kHz. L'omission de ce filtre simple mais critique entraînera l'autodestruction de l'amplificateur, car des tensions de plusieurs centaines de volts peuvent être générées, détruisant instantanément les condensateurs du filtre.

Principe d'opération:

Supposons que l'amplificateur soit démarré pour la première fois et que toutes les tensions soient à zéro. En raison de son hystérésis, le comparateur décidera de tirer la sortie positive ou négative. Pour cet exemple, nous supposerons que le comparateur tire la sortie négative. En quelques dizaines de microsecondes, la tension de sortie de l'amplificateur a suffisamment diminué pour faire basculer le comparateur et faire remonter la tension, et ce cycle se répète environ 60 à 100 000 fois par seconde, en gardant la tension souhaitée à la sortie. En raison de la haute impédance de l'inductance du filtre et de la faible impédance du condensateur du filtre à cette fréquence, il n'y a pas beaucoup de bruit sur la sortie, et en raison de la fréquence de fonctionnement élevée, il est bien au-dessus de la plage audible. Si la tension d'entrée augmente, la tension de sortie augmentera suffisamment pour que la tension de retour atteigne la tension de sortie. De cette façon, l'amplification est obtenue.

Avantages par rapport à la classe D standard:

1. Impédance de sortie extrêmement faible: étant donné que les MOSFET de sortie ne reviennent pas tant que la tension de sortie souhaitée n'est pas atteinte une fois le filtre atteint, l'impédance de la sortie est pratiquement nulle. Même avec une différence de 0,1 volt entre la tension de sortie réelle et souhaitée, le circuit videra des ampères dans la sortie jusqu'à ce que la tension retourne le comparateur (ou que quelque chose saute).

2. Capacité à piloter proprement des charges réactives: en raison de l'impédance de sortie extrêmement faible, la classe D auto-oscillante peut piloter des systèmes de haut-parleurs multivoies avec des creux et des pics d'impédance importants avec très peu de distorsion harmonique. Les systèmes de subwoofer à faible impédance à la fréquence de résonance du port sont un excellent exemple de haut-parleur qu'un amplificateur "comparateur d'ondes triangulaires" sans rétroaction aurait du mal à bien piloter.

3. Réponse en fréquence large: Au fur et à mesure que la fréquence augmente, l'amplificateur tentera de compenser en faisant varier davantage le cycle de service pour maintenir la tension de retour en correspondance avec la tension d'entrée. En raison de l'atténuation des hautes fréquences par le filtre, les hautes fréquences commenceront à s'écrêter à un niveau de tension inférieur à celui des basses, mais en raison de la musique ayant beaucoup plus de puissance électrique dans les graves que dans les aigus (environ une distribution 1/f, plus si vous utilisez l'amplification des basses), ce n'est pas du tout un problème.

4. Stabilité: S'il est correctement conçu et avec un réseau d'amortissement en place, la marge de phase de près de 90 ° du filtre de sortie à la fréquence de fonctionnement garantit que l'amplificateur ne deviendra pas instable, même s'il entraîne de lourdes charges sous un écrêtage important. Vous allez exploser quelque chose, probablement vos haut-parleurs ou vos subwoofers, avant que l'ampli ne devienne instable.

5. Efficacité et petite taille: en raison de la nature autorégulante de l'amplificateur, l'ajout de beaucoup de temps mort aux formes d'onde de commutation MOSFET n'affecte pas la qualité sonore. Des rendements à pleine charge bien supérieurs à 90 % sont possibles avec une inductance et des MOSFET de bonne qualité (j'utilise des IRFB4115 dans mon amplificateur). En conséquence, un dissipateur thermique relativement petit sur les FET est suffisant et un ventilateur n'est requis que s'il fonctionne à l'intérieur d'une enceinte isolée à haute puissance.

Étape 1: Pièces, fournitures et prérequis

Conditions préalables:

La construction de tout type de circuit haute puissance, en particulier celui conçu pour reproduire proprement l'audio, nécessite une connaissance des concepts électroniques de base. Vous devrez savoir comment fonctionnent les condensateurs, les inductances, les résistances, les MOSFET et les amplificateurs opérationnels, ainsi que comment concevoir correctement une carte de circuit imprimé de gestion de l'alimentation. Vous devez également savoir comment souder des composants traversants et comment utiliser un stripboard (ou construire un PCB). Ce tutoriel s'adresse aux personnes qui ont déjà construit des circuits modérément compliqués. Une connaissance approfondie de l'analogique n'est pas nécessaire, car la plupart des sous-circuits de tout amplificateur de classe D ne traitent que deux niveaux de tension - activé ou désactivé.

Vous devrez également savoir comment utiliser un oscilloscope (seulement les fonctions de base) et comment déboguer les circuits qui ne fonctionnent pas comme prévu. Il est fort probable, avec un circuit de cette complexité, que vous vous retrouviez avec un sous-circuit qui ne fonctionne pas la première fois que vous le construisez. Trouvez et résolvez le problème avant de passer à l'étape suivante, le débogage d'un sous-circuit est beaucoup plus facile que d'essayer de trouver un défaut quelque part dans l'ensemble de la carte. L'utilisation de l'oscilloscope est nécessaire pour détecter les oscillations involontaires et vérifier que les signaux se présentent comme ils le devraient.

Conseils généraux:

Sur n'importe quel amplificateur de classe D, vous aurez des tensions et des courants élevés commutant à des fréquences élevées, ce qui peut générer beaucoup de bruit. Vous aurez également des circuits audio de faible puissance qui sont sensibles au bruit et qui le capteront et l'amplifieront. L'étage d'entrée et l'étage de puissance doivent se trouver aux extrémités opposées de la carte.

Une bonne mise à la terre, en particulier dans l'étage de puissance, est également essentielle. Assurez-vous que les fils de terre vont directement de la borne négative à chaque pilote de grille et comparateur. Il est difficile d'avoir trop de fils de terre. Si vous effectuez cette opération sur une carte de circuit imprimé, utilisez un plan de masse pour la mise à la terre.

Pièces dont vous aurez besoin:

(Envoyez-moi un message si j'en ai manqué, je suis presque sûr que c'est une liste complète)

(Tout ce qui est étiqueté HV doit être évalué pour au moins la tension survoltée pour piloter le haut-parleur, de préférence plus)

(Beaucoup d'entre eux peuvent être récupérés dans les appareils électroniques et les appareils jetés dans une benne à ordures, en particulier les condensateurs)

• Alimentation 24 volts capable de 375 watts (j'ai utilisé une batterie au lithium, si vous utilisez une batterie assurez-vous d'avoir un LVC (coupure basse tension))
• Convertisseur de puissance Boost capable de fournir 350 watts à 65 volts. (Recherchez "Yeeco power converter 900 watts" sur Amazon et vous trouverez celui que j'ai utilisé.)
• "Perf board" ou proto-board pour tout construire. Je recommande d'avoir au moins 15 pouces carrés pour travailler avec ce projet, 18 si vous voulez construire la carte d'entrée sur la même carte.
• Dissipateur thermique pour monter les MOSFET sur
• Condensateur 220uf
• Condensateur 2x 470uf, un doit être évalué pour la tension d'entrée (pas HV)
• Condensateur 2x 470nf
• 1x 1nf Condensateur
• Condensateur en céramique 12x 100nf (ou vous pouvez utiliser du poly)
• 2x 100nf Poly condensateur [HV]
• 1x 1uf Poly condensateur [HV]
• 1x 470uf LOW ESR condensateur électrolytique [HV]
• 2x diode 1n4003 (toute diode pouvant supporter 2 * HV ou plus convient)
• 1x fusible de 10 ampères (ou un court morceau de fil 30AWG à travers un bornier)
• 2x 2.5mh inducteur (ou enroulez le vôtre)
• 4x MOSFET de puissance IRFB4115 [HV] [Doit être AUTHENTIQUE !]
• Résistances assorties, vous pouvez les obtenir sur eBay ou Amazon pour quelques dollars
• 4x potentiomètres Trimmer 2k
• 2x amplis op KIA4558 (ou amplis op audio similaires)
• 3x comparateurs LM311
• 1x 7808 régulateur de tension
• 1x carte convertisseur buck "Lm2596", vous pouvez les trouver sur eBay ou Amazon pour quelques dollars
• 2x NCP5181 gate driver IC (vous pouvez en exploser, en obtenir plus) [Doit être AUTHENTIQUE !]
• Embase à 3 broches à connecter à la carte d'entrée (ou plusieurs broches pour la rigidité mécanique)
• Fils ou borniers pour haut-parleurs, alimentation, etc.
• Fil d'alimentation 18AWG (pour le câblage de l'étage d'alimentation)
• Fil de branchement 22 AWG (pour le câblage de tout le reste)
• Transformateur audio basse puissance 200 ohms pour étage d'entrée
• Petit ventilateur d'ordinateur 12v/200ma (ou moins) pour refroidir l'amplificateur (optionnel)

Outils et fournitures:

• Oscilloscope d'une résolution d'au moins 2us/div avec une sonde 1x et 10x (vous pouvez utiliser une résistance 50k et 5k pour fabriquer votre propre sonde 10x)
• Multimètre qui peut faire la tension, le courant et la résistance
• Soudure et fer à souder (j'utilise Kester 63/37, sans plomb de BONNE QUALITÉ fonctionne également si vous êtes expérimenté)
• Ventouse de soudure, mèche, etc. Vous ferez des erreurs sur un circuit aussi gros, surtout lors de la soudure de l'inducteur, c'est pénible.
• Coupe-fils et dénudeurs
• Quelque chose qui peut générer une onde carrée de quelques HZ, comme une planche à pain et une minuterie 555

Étape 2: Apprenez comment fonctionne la classe D auto-oscillante (facultatif mais recommandé)

Avant de commencer, c'est une bonne idée d'apprendre comment fonctionne réellement le circuit. Cela vous aidera grandement à résoudre tous les problèmes que vous pourriez rencontrer plus tard et vous aidera à comprendre ce que fait chaque partie du schéma complet.

La première image est un graphique produit par LTSpice montrant la réponse de l'amplificateur à un changement de tension d'entrée instantané. Comme vous pouvez le voir sur le graphique, la ligne verte essaie de suivre la ligne bleue. Dès que l'entrée change, la ligne verte monte aussi vite que possible et se stabilise avec un dépassement minimal. La ligne rouge est la tension de l'étage de sortie avant le filtre. Après le changement, l'amplificateur se stabilise rapidement et recommence à osciller autour du point de consigne.

La deuxième image est le schéma de circuit de base. L'entrée audio est comparée au signal de retour, qui génère un signal pour piloter l'étage de sortie afin de rapprocher la sortie de l'entrée. L'hystérésis dans le comparateur fait osciller le circuit autour de la tension souhaitée à une fréquence beaucoup trop élevée pour que les oreilles ou les haut-parleurs puissent répondre.

Si vous avez LTSpice, vous pouvez télécharger et jouer avec le fichier schématique.asc. Essayez de changer r2 pour changer la fréquence et regardez le circuit devenir fou lorsque vous retirez l'amortisseur qui amortit les oscillations excessives autour du point de résonance du filtre LC.

Même si vous n'avez pas LTSpice, l'étude des images vous donnera une bonne idée de la façon dont tout fonctionne. Passons maintenant à la construction.

Étape 3: Construire l'alimentation

Avant de commencer à souder quoi que ce soit, jetez un œil au schéma et à l'exemple de disposition. Le schéma est un SVG (graphique vectoriel), donc une fois que vous l'avez téléchargé, vous pouvez zoomer autant que vous le souhaitez sans perdre en résolution. Décidez où vous allez tout placer sur le tableau, puis construisez l'alimentation. Branchez la tension de la batterie et la terre et assurez-vous que rien ne chauffe. Utilisez un multimètre pour régler la carte "lm2596" pour produire 12 volts et vérifiez que le régulateur 7808 produit 8 volts.

Voilà pour l'alimentation.

Étape 4: Construire l'étage de sortie et le pilote de porte

De tout le processus de construction, c'est l'étape la plus difficile de toutes. Construisez tout dans le "circuit du pilote de porte" et l'"étage de puissance" dans le schéma, en vous assurant que les FET sont attachés au dissipateur de chaleur.

Dans le schéma, vous verrez des fils qui semblent aller nulle part et qui disent "vDrv". Celles-ci sont appelées étiquettes dans le schéma et toutes les étiquettes avec le même texte sont reliées entre elles. Connectez tous les fils étiquetés "vDrv" à la sortie de la carte du régulateur 12v.

Après avoir terminé cette étape, alimentez ce circuit avec une alimentation à courant limité (vous pouvez utiliser une résistance en série avec l'alimentation) et assurez-vous que rien ne chauffe. Essayez de raccorder chacun des signaux d'entrée au pilote de grille à 8 V de l'alimentation (un à la fois) et vérifiez que les bonnes portes sont pilotées. Une fois que vous avez vérifié que vous savez que l'entraînement du portail fonctionne.

En raison de la commande de grille utilisant un circuit d'amorçage, vous ne pouvez pas tester la sortie directement en mesurant la tension de sortie. Mettez le multimètre sur le contrôle de diode et vérifiez entre chaque borne d'enceinte et chaque borne d'alimentation.

1. Positif au conférencier 1
2. Positif au conférencier 2
3. Négatif à l'orateur 1
4. Négatif à l'orateur 2

Chacun doit montrer une conductivité partielle dans un seul sens, tout comme une diode.

Si tout fonctionne, félicitations, vous venez de terminer la section la plus difficile du tableau. Vous vous souvenez d'une bonne mise à la terre, n'est-ce pas ?

Étape 5: Construire un générateur de signal d'entraînement de porte MOSFET

Une fois que vous avez terminé le pilote de porte et l'étage d'alimentation, vous êtes prêt à construire la partie du circuit qui génère les signaux qui indiquent aux pilotes de porte quels FET allumer à quel moment.

Construisez tout dans le "générateur de signal du pilote MOSFET avec temps mort" dans le schéma, en vous assurant de n'oublier aucun des minuscules condensateurs. Si vous les omettez, le circuit sera toujours testé correctement, mais ne fonctionnera pas bien lorsque vous essayez de piloter un haut-parleur en raison des oscillations parasites des comparateurs.

Ensuite, testez le circuit en introduisant une onde carrée de quelques hertz dans le "générateur de signal du pilote MOSFET avec temps mort" à partir de votre générateur de signal ou du circuit de minuterie 555. Connectez la tension de la batterie à "HV in" via une résistance de limitation de courant.

Connectez un oscilloscope aux sorties des haut-parleurs. Vous devriez obtenir une inversion de polarité de la tension de la batterie quelques fois par seconde. Rien ne doit chauffer et la sortie doit être une belle onde carrée nette. Un petit dépassement est très bien, tant que ce n'est pas plus de 1/3 de la tension de la batterie.

Si la sortie produit une onde carrée nette, cela signifie que tout ce que vous avez construit jusqu'à présent fonctionne. Il ne reste qu'un seul sous-circuit jusqu'à l'achèvement.

Étape 6: Comparateur, amplificateur différentiel et moment de vérité

Vous êtes maintenant prêt à construire la partie du circuit qui effectue réellement la modulation de classe D.

Construisez tout dans le "Comparateur avec hystérésis" et "Amplificateur différentiel pour retour" dans le schéma, ainsi que les deux résistances de 5k qui maintiennent le circuit stable lorsque rien n'est connecté à l'entrée.

Connectez l'alimentation au circuit (mais pas encore HV) et vérifiez que les broches 2 et 3 de U6 doivent être toutes les deux très proches de la moitié de Vreg (4 volts).

Si ces deux valeurs sont correctes, fixez un subwoofer sur les bornes de sortie. raccordez l'alimentation et la HV à la tension de la batterie via une résistance de limitation de courant (vous pouvez utiliser un subwoofer de 4 ohms ou plus comme résistance). Vous devriez entendre un petit pop et le subwoofer ne devrait pas bouger dans un sens ou dans l'autre de plus d'un millimètre environ. Vérifiez avec un oscilloscope pour vous assurer que les signaux entrant et sortant des pilotes de porte NCP5181 sont propres et ont un cycle de service d'environ 40 % chacun. Si ce n'est pas le cas, ajustez les deux résistances variables jusqu'à ce qu'elles le soient. La fréquence des ondes de commande de grille sera inférieure aux 70-110 KHZ souhaités en raison du fait que HV n'est pas connecté à l'amplificateur de tension.

Si les signaux de commande de grille n'oscillent pas du tout, essayez de commuter SPK1 et SPK2 vers l'amplificateur différentiel. Si cela ne fonctionne toujours pas, utilisez un oscilloscope pour rechercher le défaut. C'est presque certainement dans le comparateur ou le circuit de l'amplificateur différentiel.

Une fois que le circuit fonctionne, laissez le haut-parleur connecté et ajoutez le module d'amplification de tension pour augmenter la tension allant à HV à environ 65-70 volts (rappelez-vous le fusible). Mettez le circuit sous tension et assurez-vous que rien ne chauffe initialement, en particulier les MOSFET et l'inducteur. Continuez à surveiller les températures pendant environ 5 minutes. Il est normal que l'inducteur chauffe, tant qu'il n'est pas trop chaud pour être touché en continu. Les MOSFETS ne doivent pas être plus que légèrement chauds.

Vérifiez à nouveau la fréquence et le rapport cyclique des ondes de commande de grille. Ajustez pour un cycle de service de 40% et assurez-vous que la fréquence est comprise entre 70 et 110 kHz. Si ce n'est pas le cas, ajustez R10 dans le schéma pour corriger la fréquence. Si la fréquence est correcte, vous êtes prêt à commencer à jouer du son avec l'amplificateur.

Étape 7: Entrée audio et test final

Maintenant que l'amplificateur lui-même fonctionne de manière satisfaisante, il est temps de construire l'étage d'entrée. Sur une autre carte (ou la même si vous avez de la place), construisez le circuit selon le schéma fourni avec cette étape (vous devez le télécharger), en vous assurant qu'il est blindé avec un morceau de métal mis à la terre s'il est proche de tout générateur de bruit Composants. Connectez l'alimentation et la terre au circuit de l'amplificateur, mais ne branchez pas encore le signal audio. Vérifiez que le signal audio est à environ 4 volts et change légèrement lorsque vous tournez le potentiomètre "DC offset Adjust". Réglez le potentiomètre sur 4 volts et soudez le fil d'entrée audio au reste du circuit.

Bien que le schéma montre l'utilisation d'une prise casque comme entrée, vous pouvez également ajouter un adaptateur Bluetooth avec sa sortie câblée à l'endroit où se trouve la prise audio. L'adaptateur bluetooth peut être alimenté par un régulateur 7805. (J'avais un 7806 et j'ai utilisé une diode pour faire chuter encore 0,7 volts).

Remettez l'amplificateur sous tension et branchez un câble à la prise AUX de la carte d'entrée. Il y aura probablement une légère statique.

Si la statique est trop forte, vous pouvez essayer plusieurs choses:

• As-tu bien protégé l'étage d'entrée ? Les comparateurs génèrent également du bruit.
• Ajoutez un condensateur de 100 nf à la sortie du transformateur.
• Ajoutez un condensateur de 100 nf entre la sortie audio et la masse et placez une résistance de 2k en ligne avant le condensateur.
• Assurez-vous que le cordon auxiliaire n'est pas à proximité des câbles d'alimentation ou de sortie de l'amplificateur.

Augmentez lentement (sur plusieurs minutes) le volume, en vous assurant que rien ne chauffe trop ou ne se déforme. Ajustez le gain pour que l'amplificateur n'écrête pas tant que le volume n'est pas au maximum.

En fonction de la qualité du noyau de l'inducteur et de la taille du dissipateur thermique, il peut être judicieux d'ajouter un petit ventilateur, alimenté par le rail 12v, pour refroidir l'amplificateur. C'est une idée particulièrement bonne si vous le mettez dans une boîte.