4 Circuitos amplificadores PWM eficientes explicados

Os amplificadores de áudio que são projetados para amplificar um sinal de áudio analógico por meio de modulação de largura de pulso ou processamento PWM e com ciclo de trabalho ajustável são conhecidos por muitos nomes, incluindo amplificador digital, amplificador Classe-D, amplificador comutado e amplificador PWM.

Porque pode funcionar em altas eficiências, um Amplificador classe D tornou-se um conceito favorito para aplicativos móveis e de endereços públicos onde a distorção é insignificante.

Por que amplificadores PWM são tão eficientes

É porque eles convertem o sinal de áudio analógico em conteúdo modulado PWM equivalente. Este sinal de áudio PWM modulado é amplificado de maneira eficiente pelos dispositivos de saída, como MOSFETs ou BJTs, e depois convertido de volta para a versão analógica de alta potência usando indutores especiais nos alto-falantes conectados.

Nós sabemos isso semicondutor dispositivos como MOSFETs e BJTs 'não gosto' de ser operado em regiões indefinidas de um sinal de entrada e tende a esquentar. Por exemplo um MOSFET não ligará corretamente quando os sinais de gate estiverem abaixo de 8 V e os BJTs não responderão corretamente a uma unidade de base abaixo de 0,5 V, resultando em grande dissipação de calor pelo dissipador de calor do corpo.

Os sinais analógicos sendo exponenciais por natureza forçam os dispositivos acima a trabalhar com potenciais de ascensão e queda lenta desconfortáveis ​​e desfavoráveis, causando alta dissipação de calor e maiores ineficiências.

PWM O conceito de amplificação, ao contrário, permite que esses dispositivos funcionem ao ligá-los totalmente ou desligá-los totalmente, sem potenciais indefinidos intermediários. Devido a isso, os dispositivos não irradiam calor e a amplificação do áudio é reproduzida com alta eficiência e perdas mínimas.

Vantagens do amplificador digital em comparação com o amplificador linear

• Amplificadores digitais ou PWM usam processamento PWM e, portanto, os dispositivos de saída amplificam os sinais com dissipação de calor mínima. Os amplificadores lineares usam design de seguidor de emissor e dissipam grande quantidade de calor durante a amplificação de som.
• Os amplificadores digitais podem funcionar com menos dispositivos de potência de saída em comparação com os amplificadores lineares.
• Devido à dissipação de calor mínima, nenhum dissipador de calor ou dissipadores de calor menores são necessários, em comparação com os amplificadores lineares que dependem de grandes dissipadores de calor.
• Os amplificadores PWM digitais são mais baratos, mais leves e altamente eficientes em comparação com os amplificadores lineares.
• Os amplificadores digitais podem operar com entradas de fonte de alimentação menores do que os amplificadores lineares.

Neste post, o primeiro amplificador de potência PWM abaixo é operado por uma bateria de 6 V e gera até 5W de potência de saída. Dada sua capacidade de saída flagrante, o amplificador PWM é freqüentemente encontrado em megafones.

Um problema comum com amplificadores AF móveis é que, devido à sua propriedade de baixa eficiência, é difícil produzir alta potência a partir de uma baixa tensão de alimentação.

No entanto, o amplificador PWM em nossa discussão tem quase 100% de eficiência em um nível de distorção que é aceitável com megafones e P.A. dispositivos. Alguns fatores que contribuem para o design são explicados abaixo:

Modulação de largura de pulso

O princípio da modulação por largura de pulso (PWM) é representado na Figura 1 abaixo.

O conceito é simples: o ciclo de trabalho de um sinal retangular de alta frequência é controlado por um sinal de entrada. O tempo de ativação do pulso é relativo à amplitude instantânea do sinal de entrada.

A quantidade de tempo ligado e desligado, além da frequência, é constante. Portanto, quando um sinal de entrada está faltando, um sinal de onda quadrada simétrico é produzido.

Para obter uma qualidade de som relativamente boa, a frequência do sinal retangular deve ser o dobro da frequência mais alta do sinal de entrada.

O sinal resultante pode ser usado para alimentar um alto-falante. A Figura 4 mostra uma conversão clara no traçado do osciloscópio.

O traço superior mostra o sinal de saída pós-filtragem e medido pelo alto-falante. A amplitude do restante Sinal PWM que está se sobrepondo à onda senoidal é pequena.

Chaves eletrônicas como amplificadores

A Figura 2 descreve a operação padrão do amplificador PWM com a ajuda do diagrama de blocos.

Vamos supor que quando a entrada está em curto-circuito, interruptor S_paraalimenta o capacitor C₇com uma corrente eu_dois. Isso segue até que uma tensão de comutação de limite superior adequada seja alcançada.

Então, ele conecta R₇à terra. Depois disso, C₇é descarregado para o limite inferior de tensão de comutação de S_para. Como resultado, C₇e R₇produz uma onda quadrada com uma frequência de 50 kHz.

Quando um sinal AF é efetuado na entrada do amplificador, a corrente adicional I₁reduz ou aumenta relativamente o tempo de carga, ou aumenta e diminui o tempo de descarga.

Portanto, o sinal de entrada modifica o fator de serviço do sinal de onda quadrada que é visto na saída do alto-falante.

Existem duas leis que são essenciais para a operação básica do amplificador PWM.

1. O primeiro é o switch S_bé controlado em anti-fase com S_paraenquanto segura o outro terminal de alto-falante como uma tensão alternativa àquela do sinal PWM.

Essa configuração produz um resultado do estágio de saída de energia do tipo ponte de comutação. Posteriormente, em cada polaridade, o alto-falante é forçado com a tensão de alimentação total para que seja alcançado um consumo máximo de corrente.

2. Em segundo lugar, olhamos para indutores L₁e eu_dois. O objetivo dos indutores é integrar o sinal retangular e convertê-los em senoidais, conforme mostrado no rastreamento do osciloscópio anteriormente. Além disso, também funcionam como supressores de harmônicos do sinal retangular de 50 kHz.

Alta saída de som com um design modesto

A partir do esquema da figura acima, você pode identificar facilmente os componentes eletrônicos usados ​​no diagrama de blocos.

Um punhado de peças como resistor R1, capacitores de acoplamento C₁e C₄, controle de volume P₁e um amplificador baseado em opamp A₁faz o trabalho de polarização para um microfone capacitor (ou eletrostático).

Toda esta operação cria o segmento de entrada do amplificador PWM. Conforme discutido anteriormente, as opções S_parae S_bsão construídos por interruptores eletrônicos ES₁dedos dos pés₄e pares de transistores T₁-T₃e T_dois-T₄.

As indicações de peças para os componentes eletrônicos que constroem o gerador PWM estão relacionadas àquelas descritas no diagrama de blocos.

Provavelmente, o amplificador PWM é incomumente eficiente porque os transistores de saída não são aquecidos, mesmo quando forçados com uma condição all-drive. Em suma, há dissipação praticamente nula no estágio de saída de potência.

O fator mais vital que você precisa considerar antes de selecionar indutores L₁e eu_doisé que eles devem ser capazes de canalizar 3 A sem se tornarem saturados.

A consideração da indutância real vem apenas em segundo lugar. Por exemplo, os indutores usados ​​neste projeto foram obtidos de um dimmer de luz.

O propósito dos diodos D₃para D₆deve conter o EMF traseiro produzido pelos indutores a um valor razoavelmente seguro.

Além disso, a entrada não inversora do opamp A₁é formado por D₁, C₃, D_doise R₃. Essa tensão de entrada, filtrada com eficiência, é igual a metade da tensão de alimentação.

Ao usar um amplificador OP tradicional, o ganho de tensão é atribuído por um loop de feedback negativo. R₄e R₅irá definir o ganho para 83 para garantir sensibilidade suficiente do microfone.

Caso você esteja usando fontes de sinal de alta impedância, R₄pode ser amplificado conforme necessário.

eu₁e eu_doiscausar a mudança de fase e, por causa disso, o feedback é possível com a ajuda do sinal de onda quadrada no coletor de T₁em comparação com o sinal do alto-falante sinusoidal.

Combinado com C₅o opamp fornece a integração significativa do sinal de feedback PWM.

O sistema de feedback diminui a distorção do amplificador, mas não tão extensivamente que você possa usá-lo para outra aplicação além do endereço público.

Normalmente, uma quantidade significativamente maior de tensão de alimentação e um projeto de circuito complicado seriam necessários para um amplificador Classe D com baixa distorção.

A implementação dessa configuração prejudicaria a eficiência geral do circuito. Preste atenção ao escolher interruptores eletrônicos no amplificador, pois os tipos HCMOS são adequados.

Um típico CMOS Tipo 4066 é extremamente lento e inadequado para desencadear um 'curto-circuito' em T₁-T₃e T_dois-T₄. Não só isso, mas também há um risco elevado de sobrecarregar ou mesmo danificar permanentemente o amplificador.

Amplificador PWM para aplicação de megafone

Os entusiastas da eletrônica preferem empregar o amplificador classe D para alimentar um alto-falante tipo corneta, porque ele pode produzir o som mais alto para um nível de potência selecionado.

Usando uma bateria de 6 V e um alto-falante com câmara de pressão, o modelo do amplificador foi facilmente construído.

Os 4 W de potência de saída existentes eram mensuráveis ​​em um megafone com faixa de áudio decente.

Quatro baterias secas de 1,5 V ou monocélulas alcalinas foram conectadas em série para fornecer tensão para o megafone. Caso queira usar esta configuração com freqüência, opte por uma bateria recarregável de NiCd ou do tipo gel (Dryfit).

Como o consumo máximo de corrente do megafone é de 0,7 A, um alcalino padrão é adequado para suportar a operação por 24 horas na potência de saída total.

Se você planeja um uso não contínuo, escolher um conjunto de células secas será mais do que suficiente.

Tenha em mente que qualquer que seja a fonte de energia que você usa, ela nunca deve ultrapassar 7 V.

O motivo são os switches HCMOS em IC₁não funcionaria corretamente nesse nível de tensão ou mais.

Felizmente, para o amplificador, o limite máximo para a tensão de alimentação é maior que 11 V.

O projeto de PCB para o amplificador classe D PWM explicado acima é dado abaixo:

Outro bom amplificador PWM

Um amplificador PWM bem projetado compreenderá um gerador de ondas retangular simétrico.

O ciclo de trabalho dessa onda retangular é modulado pelo sinal de áudio.

Em vez de operar linearmente, os transistores de saída operam como interruptores, portanto, estão completamente ligados ou desligados. Em um estado dormente, o ciclo de trabalho da forma de onda é de 50%.

Isso significa que cada transistor de saída é totalmente saturado ou também conhecido como condutor, pela mesma duração. Como resultado, a tensão média de saída é zero.

Isso significa que se uma das chaves permanecer fechada um pouco mais que a outra, a tensão média de saída será negativa ou positiva, dependendo da polaridade do sinal de entrada.

Portanto, podemos observar que a tensão média de saída é relacional ao sinal de entrada. Isso ocorre porque os transistores de saída funcionam inteiramente como interruptores, portanto, há uma perda de potência tremendamente baixa no estágio de saída.

O design

A Figura 1 mostra todo o esquema do amplificador PWM classe D. Podemos ver que o amplificador PWM não precisa ser muito complexo.

O sinal de áudio de entrada é aplicado a um amplificador operacional IC1 que funciona como um comparador. Essa configuração leva um punhado de gatilhos Schmitt que são conectados em paralelo ao circuito.

Eles existem por dois motivos. Em primeiro lugar, deve haver uma forma de onda “quadrada” e, em segundo lugar, a corrente de base adequada é necessária para o estágio de saída. Neste estágio, existem dois transistores simples, porém rápidos (BD137 / 138) instalados.

Todo o amplificador oscila e gera uma onda quadrada. O motivo é que uma entrada do comparador (IC1) está conectada à saída por meio de uma rede RC.

Além disso, ambas as entradas de IC1 são polarizadas para a primeira metade da tensão de alimentação, empregando um divisor de tensão R3 / R4.

Cada vez que a saída do IC1 é baixa e os emissores de T1 / T2 são altos, o carregamento do capacitor C3 ocorre através do resistor R7. Ao mesmo tempo, haverá um aumento na tensão na entrada não inversora.

Uma vez que essa tensão crescente cruza o nível de inversão, a saída de IC1 muda de baixa para alta.

Resultantemente, os emissores de T1 / T2 mudam de alto para baixo. Essa condição permite que C3 descarregue através de R7 e a tensão na entrada positiva caia abaixo da tensão na entrada negativa.

A saída do IC1 também reverte para um estado baixo. No final, uma saída de onda quadrada é produzida em uma frequência decidida por R7 e C3. Os valores fornecidos geram uma oscilação em 700 kHz.

Usando um oscilador , podemos modular a frequência. O nível de entrada inversora de IC1, que geralmente é usado como uma referência, não permanece constante, mas é decidido pelo sinal de áudio.

Além disso, a amplitude determina o ponto exato onde a saída do comparador começa a mudar. Consequentemente, a “espessura” das ondas quadradas é regularmente modulada pelo sinal de áudio.

Para garantir que o amplificador não opere como um transmissor de 700 kHz, a filtragem deve ser exercida em sua saída. Uma rede LC / RC que compreende L1 / C6 e C7 / R6 faz um bom trabalho como um filtro .

Especificações técnicas

• Equipado com uma carga de 8 ohms e tensão de alimentação de 12 V, o amplificador gerou 1,6 W.
• Quando usado em 4 ohms, a potência aumenta para 3 W. Para esse pequeno calor dissipado, não é necessário resfriar os transistores de saída.
• Está provado que a distorção harmônica é excepcionalmente baixa para um circuito simples como este.
• O nível de distorção harmônica total foi inferior a 0,32% na faixa medida de 20 Hz a 20.000 Hz.

Na figura abaixo você pode ver a placa de circuito impresso e o layout das peças do amplificador. O tempo e o custo de construção desse circuito são muito baixos, portanto, ele apresenta uma excelente chance para quem deseja melhorar no entendimento de PWM.

Lista de Peças

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

Diversos:
L1 = 39μH Indutor

Circuito de amplificador classe D simples de 3 transistores

A excelente eficiência do amplificador PWM é tal que uma saída de 3 W pode ser produzida com um BC107 usado como o transistor de saída. Melhor ainda, não requer dissipador de calor.

O amplificador compreende um oscilador de largura de pulso controlado por voltagem operando em cerca de 6 kHz e reforçando um estágio de saída classe D.

Existem apenas dois cenários - totalmente ativado ou totalmente desativado. Devido a isso, a dissipação é incrivelmente pequena e, conseqüentemente, resulta em alta eficiência. A forma de onda de saída não se parece com a entrada.

No entanto, a integral das formas de onda de saída e entrada são proporcionais entre si em relação ao tempo.

A tabela apresentada de valores de componentes mostra que qualquer amplificador com saídas entre 3 W a 100 W pode ser fabricado. Sendo assim, potências mais fortes de até 1 kW podem ser alcançadas.

A desvantagem é que isso cria cerca de 30% de distorção. Como resultado, o amplificador pode ser utilizado apenas para amplificação de som. É adequado para sistemas de endereços públicos devido ao discurso ser incrivelmente compreensível.

Op-Amp digital

O conceito a seguir mostra como usar um flip-flop de redefinição de conjunto básico IC 4013 pode ser aplicado para converter o sinal de áudio analógico em sinal PWM correspondente, que pode ser alimentado posteriormente a um estágio MOSFET para a amplificação PWM desejada.

Você pode usar metade do pacote 4013 como um amplificador fornecido com uma saída digital com um ciclo de trabalho que é proporcional à tensão de saída desejada. Sempre que você precisar de uma saída analógica, um filtro simples fará o trabalho.

Você deve seguir os pulsos de clock conforme especificado e estes devem ser significativamente mais altos em frequência do que a largura de banda desejada. O ganho é R1 / R2, enquanto o tempo R1R2C / (R1 + R2) deve ser mais longo do que o período dos pulsos de relógio.

Formulários

O circuito pode ser usado de muitas maneiras. Alguns são:

1. Adquira pulsos do ponto de cruzamento zero da rede elétrica e reforce um triac com a saída. Como resultado, agora você tem controle de potência relacional sem RFI.
2. Usando um clock rápido, troque os transistores do driver com a saída. O resultado é um amplificador de áudio PWM altamente eficiente.

Amplificador PWM de 30 watts

Um diagrama de circuito para um amplificador de áudio Classe-D de 30W pode ser visto no seguinte arquivo pdf.

O amplificador operacional IC1 amplifica o sinal de áudio de entrada por meio do potenciômetro VR1 controlado por volume variável. Um sinal PWM (modulação por largura de pulso) é gerado comparando o sinal de áudio com um triângulo de 100 kHz. Isso é realizado por meio do comparador 1C6. O resistor RI3 é empregado para fornecer feedback positivo e o C6 é realmente introduzido para aumentar o tempo de operação do comparador.

A saída do comparador comuta entre extremos de tensão de ± 7,5V. O resistor pull-up R12 oferece + 7,5 V, enquanto -7,5 V é fornecido pelo transistor emissor aberto interno do IC6 do amplificador operacional no pino 1. Durante o tempo em que esse sinal passa para um nível positivo, o transistor TR1 funciona como um terminal coletor de corrente. Este dissipador de corrente causa um aumento na queda de tensão no resistor R16, que se torna apenas o suficiente para ligar o MOSFET TR3.

Quando o sinal muda para o extremo negativo. TR2 se transforma em uma fonte de corrente levando a uma queda de tensão em R17. Esta queda torna-se apenas suficiente para ligar o TR4. Basicamente, os MOSFETs TR3 e TR4 são disparados alternadamente, gerando um sinal PWM que alterna entre +/- 15V.

Neste ponto, torna-se essencial trazer de volta ou converter este sinal PWM amplificado em uma boa reprodução de áudio, que pode ser um equivalente amplificado do sinal de áudio de entrada.

Isso é realizado criando uma média do ciclo de trabalho PWM através de um filtro passa-baixo Butterworh de 3ª ordem com uma frequência de corte (25kHz) significativamente abaixo da frequência base do triângulo.

Esta ação leva a uma grande atenuação em 100kHz. A saída final obtida transpira em uma saída de áudio que é uma replicação amplificada do sinal de áudio de entrada.

O gerador de ondas triangulares passa pela configuração do circuito 1C2 e 1C5, onde IC2 funciona como um gerador de ondas quadradas com realimentação positiva fornecida por R7 e R11. Os diodos DI a D5 funcionam como um grampo bidirecional. Isso fixa a tensão em aproximadamente +/- 6V.

Um integrador perfeito é criado por meio de VR2 predefinido, capacitor C5 e IC5 que transforma uma onda quadrada em uma onda triangular. O VR2 predefinido fornece o recurso de ajuste de frequência.

A saída 1C5 no (pino 6) fornece feedback para 1C2, e o resistor R14 e o VR3 predefinido funcionam como atenuador flexível, permitindo que o nível da onda triangular seja ajustado conforme necessário.

Depois de fazer o circuito completo, VR2 e VR3 precisam ser ajustados para permitir a saída de áudio da mais alta qualidade. Um conjunto de amplificadores operacionais 741 comuns para 1C4 e IC3 pode ser empregado como buffers de ganho de unidade para fornecer alimentação de +/- 7,5V.

Os capacitores C3, C4, C11 e C12 são usados ​​para filtração, enquanto o restante dos capacitores são usados ​​para desacoplar a alimentação.

O circuito pode ser acionado com uma fonte de alimentação dupla +/- 15V DC, que será capaz de acionar um alto-falante de 30W de 8 ohms através do estágio LC usando o capacitor C13 e o indutor L2. Observe que dissipadores de calor modestos podem provavelmente ser necessários para MOSFET TR3 e TR4.