Explication de 4 circuits d'amplification PWM efficaces

Les amplificateurs audio conçus pour amplifier un signal audio analogique par modulation de largeur d'impulsion ou traitement PWM et avec un cycle de service réglable sont connus sous de nombreux noms, notamment amplificateur numérique, amplificateur de classe D, amplificateur commuté et amplificateur PWM.

Parce qu'il peut fonctionner à des rendements élevés, un Amplificateur de classe D est devenu un concept favori pour les applications mobiles et de sonorisation où la distorsion est négligeable.

Pourquoi les amplificateurs PWM sont-ils si efficaces?

C'est parce qu'ils convertissent le signal audio analogique en un contenu modulé PWM équivalent. Ce signal audio PWM modulé est efficacement amplifié par les périphériques de sortie tels que les MOSFET ou BJT, puis reconverti en version analogique haute puissance à l'aide d'inductances spéciales sur les haut-parleurs connectés.

Nous savons que semi-conducteur appareils tels que MOSFET et BJT «n'aime pas» être utilisé dans des régions indéfinies d'un signal d'entrée et ont tendance à devenir chauds. Par exemple un MOSFET ne s'allumera pas correctement lorsque les signaux de porte sont inférieurs à 8V et les BJT ne répondront pas correctement à une commande de base inférieure à 0,5 V, ce qui entraînera une forte dissipation de chaleur à travers leur dissipateur thermique.

Les signaux analogiques étant exponentiels par nature, forcent les dispositifs ci-dessus à fonctionner avec des potentiels de montée lente et de chute lente inconfortables et défavorables, provoquant une dissipation thermique élevée et des inefficacités plus importantes.

PWM concept d'amplification en revanche, permettent à ces appareils de fonctionner en les allumant complètement ou en les éteignant complètement, sans potentiels intermédiaires indéfinis. Pour cette raison, les appareils ne rayonnent pas de chaleur et l'amplification audio est rendue avec un rendement élevé et des pertes minimales.

Avantages de l'amplificateur numérique par rapport à l'amplificateur linéaire

• Les amplificateurs numériques ou PWM utilisent le traitement PWM et, par conséquent, les périphériques de sortie amplifient les signaux avec une dissipation thermique minimale. Les amplificateurs linéaires utilisent une conception émetteur-suiveur et dissipent une grande quantité de chaleur pendant l'amplification du son.
• Les amplificateurs numériques peuvent fonctionner avec moins de dispositifs de puissance de sortie que les amplificateurs linéaires.
• En raison de la dissipation thermique minimale, aucun dissipateur thermique ou dissipateur plus petit n'est requis, par rapport aux ampères linéaires qui dépendent de grands dissipateurs thermiques.
• Les amplificateurs numériques PWM sont moins chers, plus légers et très efficaces par rapport aux amplificateurs linéaires.
• Les amplis numériques peuvent fonctionner avec des entrées d'alimentation plus petites que les amplificateurs linéaires.

Dans cet article, le premier amplificateur de puissance PWM ci-dessous est alimenté par une batterie 6 V et génère une puissance de sortie jusqu'à 5 W. Compte tenu de sa capacité de sortie flagrante, l'amplificateur PWM se trouve souvent dans les mégaphones.

Un problème courant avec les amplificateurs AF mobiles est qu'en raison de leur propriété de faible efficacité, il est difficile de produire une puissance élevée à partir d'une tension d'alimentation basse.

Cependant, l'amplificateur PWM dans notre discussion a une efficacité de presque 100% à un niveau de distorsion acceptable avec les mégaphones et les P.A. associés. dispositifs. Quelques facteurs contribuant à la conception sont expliqués ci-dessous:

Modulation de largeur d'impulsion

Le principe de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) est représenté dans la figure 1 ci-dessous.

Le concept est simple: le rapport cyclique d'un signal rectangulaire de fréquence plus élevée est contrôlé par un signal d'entrée. Le temps d'enclenchement de l'impulsion est relatif à l'amplitude instantanée du signal d'entrée.

La quantité de temps de marche et d'arrêt en plus de la fréquence est constante. Par conséquent, lorsqu'un signal d'entrée est manquant, un signal d'onde carrée symétrique est produit.

Pour obtenir une qualité sonore relativement bonne, la fréquence du signal rectangulaire doit être le double de la fréquence la plus élevée du signal d'entrée.

Le signal résultant peut être utilisé pour alimenter un haut-parleur. La figure 4 montre une conversion claire dans la trace de l'oscilloscope.

Le tracé supérieur montre le post-filtrage du signal de sortie et mesuré à travers le haut-parleur. L'amplitude du reste Signal PWM qui chevauche l'onde sinusoïdale est petite.

Commutateurs électroniques comme amplificateurs

La figure 2 décrit le fonctionnement standard de l'amplificateur PWM à l'aide du schéma fonctionnel.

Supposons que l’entrée soit court-circuitée, le commutateur S_àalimente le condensateur C₇avec un courant je_deux. Cela se produit jusqu'à ce qu'une tension de commutation limite supérieure appropriée soit atteinte.

Ensuite, il connecte R₇à la terre. Après cela, C₇est déchargée à la tension de commutation limite inférieure de S_à. En conséquence, C₇et R₇produit une onde carrée avec une fréquence de 50 kHz.

Lorsqu'un signal AF est envoyé à l'entrée de l'amplificateur, le courant supplémentaire I₁réduit ou augmente relativement le temps de charge, ou augmente et diminue le temps de décharge.

Ainsi, le signal d'entrée modifie le facteur de marche du signal carré qui est vu à la sortie du haut-parleur.

Il existe deux lois essentielles pour le fonctionnement de base de l'amplificateur PWM.

1. Le premier est le commutateur S_best contrôlé en anti-phase avec S_àtout en maintenant l'autre borne de haut-parleur comme tension alternative à celle du signal PWM.

Cette configuration produit un résultat de l'étage de sortie de puissance de type pont de commutation. Ensuite, à chaque polarité, le haut-parleur est forcé à la pleine tension d'alimentation de sorte qu'une consommation de courant maximale soit atteinte.

2. Deuxièmement, nous examinons les inducteurs L₁et moi_deux. Le but des inducteurs est d'intégrer le signal rectangulaire et de les convertir en sinusoïdal comme indiqué dans la trace de l'oscilloscope précédemment. En outre, ils fonctionnent également et suppresseur d'harmoniques du signal rectangulaire de 50 kHz.

Sortie sonore élevée d'un design modeste

À partir du schéma de la figure ci-dessus, vous pouvez facilement identifier les composants électroniques utilisés dans le diagramme.

Une poignée de pièces comme la résistance R1, les condensateurs de couplage C₁et C₄, contrôle du volume P₁et un amplificateur basé sur opamp A₁fait le travail de polarisation pour un microphone à condensateur (ou électrostatique).

Toute cette opération crée le segment d'entrée de l'amplificateur PWM. Comme indiqué précédemment, les commutateurs S_àet S_bsont construits par des interrupteurs électroniques ES₁les orteils₄et paires de transistors T₁-T₃et T_deux-T₄.

Les indications de pièces pour les composants électroniques qui construisent le générateur PWM se rapportent à celles décrites dans le schéma fonctionnel.

L'amplificateur PWM est probablement peu efficace car les transistors de sortie ne sont pas chauffés même lorsqu'ils sont forcés avec une condition d'entraînement intégral. En bref, il n'y a pratiquement aucune dissipation dans l'étage de sortie de puissance.

Le facteur le plus vital à prendre en compte avant de sélectionner les inducteurs L₁et moi_deuxc'est qu'ils doivent pouvoir canaliser 3 A sans se saturer.

La considération réelle de l'inductance vient seulement en second. Par exemple, les inducteurs utilisés dans ce projet ont été obtenus à partir d'un variateur de lumière.

Le but des diodes D₃à D₆est de contenir l'EMF arrière produit par les inducteurs à une valeur raisonnablement sûre.

De plus, l'entrée non inverseuse de l'ampli-op A₁est formé par D₁, C₃, RÉ_deuxet R₃. Cette tension d'entrée, efficacement filtrée, est égale à la moitié de la tension d'alimentation.

Lors de l'utilisation d'un amplificateur opamp traditionnel, le gain de tension est attribué par une boucle de rétroaction négative. R₄et R₅réglera le gain sur 83 pour garantir une sensibilité du microphone suffisante.

Si vous utilisez des sources de signal à haute impédance, R₄peut être amplifié au besoin.

L₁et moi_deuxprovoquer le déphasage et à cause de cela, une rétroaction est possible à l'aide du signal carré au collecteur de T₁par rapport au signal de haut-parleur sinusoïdal.

Combiné avec C₅L'ampli op offre l'intégration significative du signal de retour PWM.

Le système de rétroaction réduit la distorsion de l’amplificateur, mais pas au point que vous puissiez l’utiliser pour d’autres applications que l’adresse publique.

Normalement, une quantité de tension d'alimentation considérablement accrue et une conception de circuit compliquée seraient nécessaires pour un amplificateur de classe D à faible distorsion.

La mise en œuvre de cette configuration nuirait à l'efficacité globale du circuit. Faites attention lorsque vous choisissez des commutateurs électroniques dans l'amplificateur, car les types HCMOS conviennent.

Un CMOS type 4066 est extrêmement lent et inapproprié pour déclencher un «court-circuit» sur T₁-T₃et T_deux-T₄. Non seulement cela, mais il existe également un risque accru de surmenage ou même d'endommagement permanent de l'amplificateur.

Amplificateur PWM pour application mégaphone

Les amateurs d'électronique préfèrent utiliser l'amplificateur de classe D pour alimenter un haut-parleur de type klaxon, car il peut produire le son le plus fort pour un niveau de puissance sélectionné.

En utilisant une batterie 6 V et un haut-parleur à chambre de pression, le modèle d'amplificateur a été facilement construit.

Les 4 W de puissance de sortie existants étaient mesurables dans un mégaphone avec une plage audio décente.

Quatre piles sèches de 1,5 V ou monocellules alcalines ont été connectées en série pour alimenter le mégaphone. Si vous souhaitez utiliser cette configuration fréquemment, optez pour une batterie rechargeable NiCd ou de type gel (Dryfit).

Étant donné que la consommation de courant maximale du mégaphone est de 0,7 A, un alcalin standard convient pour supporter l'opération pendant 24 heures à pleine puissance de sortie.

Si vous prévoyez une utilisation non continue, le choix d'un ensemble de cellules sèches sera plus que suffisant.

Gardez à l'esprit que quelle que soit la source d'alimentation que vous utilisez, elle ne doit jamais traverser plus de 7 V.

La raison en est les commutateurs HCMOS dans IC₁ne fonctionnerait pas correctement à ce niveau de tension ou plus.

Heureusement, pour l'amplificateur, le seuil maximum de tension d'alimentation est supérieur à 11 V.

La conception du circuit imprimé pour l'amplificateur de classe D PWM expliqué ci-dessus est donnée ci-dessous:

Un autre bon amplificateur PWM

Un amplificateur PWM bien conçu comprendra un générateur d'ondes rectangulaires symétriques.

Le cycle de service de cette onde rectangulaire est modulé par le signal audio.

Plutôt que de fonctionner de manière linéaire, les transistors de sortie fonctionnent comme des interrupteurs, de sorte qu'ils sont soit complètement activés soit désactivés. Dans un état dormant, le cycle de service de la forme d'onde est de 50%.

Cela signifie que chaque transistor de sortie est complètement saturé ou également appelé conducteur, pour la même durée. En conséquence, la tension de sortie moyenne est nulle.

Cela signifie que si l’un des commutateurs reste fermé un peu plus longtemps que l’autre, la tension de sortie moyenne sera soit négative soit positive en fonction de la polarité du signal d’entrée.

Par conséquent, nous pouvons observer que la tension de sortie moyenne est liée au signal d'entrée. En effet, les transistors de sortie fonctionnent entièrement comme des commutateurs, d'où une perte de puissance extrêmement faible dans l'étage de sortie.

La conception

La figure 1 représente le schéma complet de l'amplificateur PWM de classe D. Nous pouvons voir que l'amplificateur PWM n'a pas besoin d'être trop complexe.

Le signal audio d'entrée est appliqué à un amplificateur opérationnel IC1 qui fonctionne comme un comparateur. Cette configuration conduit une poignée de déclencheurs de Schmitt qui sont connectés en parallèle au circuit.

Ils sont là pour deux raisons. Premièrement, il doit y avoir une forme d'onde «carrée» et deuxièmement, le courant d'attaque de base adéquat est requis pour l'étage de sortie. Dans cette étape, deux transistors simples mais rapides (BD137 / 138) sont installés.

L'ensemble de l'amplificateur oscille et génère une onde carrée. La raison en est qu'une entrée du comparateur (IC1) est reliée à la sortie via un réseau RC.

En outre, les deux entrées de IC1 sont polarisées sur la première moitié de la tension d'alimentation en utilisant un diviseur de tension R3 / R4.

Chaque fois que la sortie de IC1 est faible et que les émetteurs de T1 / T2 sont hauts, la charge du condensateur C3 se produit à travers la résistance R7. En même temps, il y aura une augmentation de la tension à l'entrée non inverseuse.

Une fois que cette tension croissante franchit le niveau de mise inverseuse, la sortie de IC1 passe de bas en haut.

En conséquence, les émetteurs de T1 / T2 passent de haut en bas. Cette condition permet à C3 de se décharger via R7 et la tension à l'entrée plus chute en dessous de la tension à l'entrée moins.

La sortie de IC1 revient également à un état bas. En fin de compte, une sortie d'onde carrée est produite à une fréquence décidée par R7 et C3. Les valeurs fournies génèrent une oscillation à 700 kHz.

En utilisant un oscillateur , nous pouvons moduler la fréquence. Le niveau d’entrée inverseuse de IC1 qui est généralement utilisé comme référence ne reste pas constant mais est déterminé par le signal audio.

De plus, l'amplitude détermine le point exact où la sortie du comparateur commence à changer. Par conséquent, «l'épaisseur» des ondes carrées est régulièrement modulée par le signal audio.

Pour s'assurer que l'amplificateur ne fonctionne pas comme un émetteur 700 kHz, un filtrage doit être exercé à sa sortie. Un réseau LC / RC comprenant L1 / C6 et C7 / R6 fait du bon travail en tant que filtre .

Spécifications techniques

• Equipé d'une charge de 8 ohms et d'une tension d'alimentation de 12 V, l'amplificateur a généré 1,6 W.
• Lorsqu'il est utilisé sous 4 ohms, la puissance augmente à 3 W. Pour une chaleur aussi faible dissipée, le refroidissement des transistors de sortie n'est pas nécessaire.
• Il est prouvé que la distorsion harmonique est inhabituellement faible pour un circuit simple comme celui-ci.
• Le niveau de distorsion harmonique totale était inférieur à 0,32% de la plage mesurée de 20 Hz à 20 000 Hz.

Dans la figure ci-dessous, vous pouvez voir le PCB et la disposition des pièces de l'amplificateur. Le temps et le coût de construction de ce circuit sont très faibles, il présente donc une excellente chance pour tous ceux qui cherchent à mieux comprendre le PWM.

Liste des pièces

Résistances:
R1 - 22 000
R2, R7 - 1 M
R3, R4 - 2,2 km
R6 - 420 k
R6 - 8,2 Ohms
P1 = potentiomètre logarithmique 100k
Conacitor;
C1, C2 - 100 nF
C3 - 100 pF
C4, C5 - 100 μF / 16 V
C6 = 68 nF
C7 - 470nF
C8 - 1 000p / 10 V
C9 - 2n2
Semi-conducteurs:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
T1 = BD137
T2 - BD138

Divers:
Inductance L1 = 39μH

Circuit amplificateur de classe D simple à 3 transistors

L'efficacité exceptionnelle de l'amplificateur PWM est telle qu'une sortie de 3 W peut être produite avec un BC107 utilisé comme transistor de sortie. Mieux encore, il ne nécessite pas de dissipateur thermique.

L'amplificateur comprend un oscillateur de largeur d'impulsion commandé en tension fonctionnant à environ 6 kHz et mettant en œuvre un étage de sortie de classe D.

Il n'y a que deux scénarios - complètement activé ou complètement désactivé. Pour cette raison, la dissipation est incroyablement petite et donne par conséquent un rendement élevé. La forme d'onde de sortie ne ressemble pas à l'entrée.

Cependant, l'intégrale des formes d'onde de sortie et d'entrée est proportionnelle l'une à l'autre par rapport au temps.

Le tableau présenté des valeurs des composants montre que tout amplificateur avec des sorties entre 3 W et 100 W peut être fabriqué. Compte tenu de cela, des puissances plus élevées jusqu'à 1 kW peuvent être atteintes.

L'inconvénient est qu'il crée environ 30% de distorsion. En conséquence, l'amplificateur peut être utilisé uniquement pour l'amplification du son. Il convient aux systèmes de sonorisation en raison du discours incroyablement compréhensible.

Ampli-op numérique

Le concept suivant montre comment utiliser une bascule de réinitialisation d'ensemble de base IC 4013 pourrait être appliquée pour convertir un signal audio analogique en un signal PWM correspondant, qui peut en outre être transmis à un étage MOSFET pour l'amplification PWM souhaitée.

Vous pouvez utiliser la moitié du boîtier 4013 en tant qu'amplificateur pourvu d'une sortie numérique avec un rapport cyclique proportionnel à la tension de sortie souhaitée. Chaque fois que vous avez besoin d'une sortie analogique, un simple filtre ferait l'affaire.

Vous devez suivre les impulsions d'horloge comme spécifié et celles-ci doivent être nettement plus élevées en fréquence que la bande passante souhaitée. Le gain est R1 / R2 alors que le temps R1R2C / (R1 + R2) doit être plus long que la période des impulsions d'horloge.

Applications

Le circuit peut être utilisé de nombreuses manières. Certains sont:

1. Acquérir des impulsions du point de passage par zéro du secteur et appliquer un triac avec la sortie. En conséquence, vous disposez désormais d'un contrôle de puissance relationnel sans RFI.
2. À l'aide d'une horloge rapide, commutez les transistors du pilote avec la sortie. Le résultat est un amplificateur audio PWM très efficace.

Amplificateur PWM 30 watts

Un schéma de circuit pour un amplificateur audio de classe D de 30 W peut être consulté dans le fichier pdf suivant.

L'amplificateur opérationnel IC1 amplifie le signal audio d'entrée via le potentiomètre VR1 à volume variable. Un signal PWM (modulation de largeur d'impulsion) est généré en comparant le signal audio avec un triangle de 100 kHz. Ceci est accompli par le comparateur 1C6. La résistance RI3 est utilisée pour fournir une rétroaction positive et C6 est en fait introduit pour améliorer le temps de fonctionnement du comparateur.

La sortie du comparateur commute entre des tensions extrêmes de ± 7,5V. La résistance pull-up R12 offre + 7,5 V tandis que -7,5 V est fourni par le transistor émetteur ouvert interne de l'ampli opérationnel IC6 à la broche 1. Pendant le temps où ce signal passe au niveau positif, le transistor TR1 fonctionne comme une borne de puits de courant. Cette chute de courant provoque une augmentation de la chute de tension aux bornes de la résistance R16, qui devient juste suffisante pour activer le MOSFET TR3.

Lorsque le signal passe à l'extrême négatif. TR2 se transforme en une source de courant conduisant à une chute de tension à travers R17. Cette baisse devient juste suffisante pour activer TR4. Fondamentalement, les MOSFET TR3 et TR4 sont déclenchés en alternance, générant un signal PWM qui bascule entre +/- 15V.

À ce stade, il devient essentiel de ramener ou de convertir ce signal PWM amplifié en une bonne reproduction audio qui peut être un équivalent amplifié du signal audio d'entrée.

Ceci est accompli en créant une moyenne du cycle de service PWM à travers un filtre passe-bas Butterworh du 3ème ordre ayant une fréquence de coupure (25 kHz) nettement inférieure à la fréquence de base du triangle.

Cette action conduit à une atténuation énorme à 100 kHz. La sortie finale obtenue se transforme en une sortie audio qui est une réplication amplifiée du signal audio d'entrée.

Le générateur d'ondes triangulaires passe par la configuration de circuit 1C2 et 1C5, où IC2 fonctionne comme un générateur d'onde carrée avec rétroaction positive fournie via R7 et R11. Les diodes DI à D5 fonctionnent comme une pince bidirectionnelle. Cela fixe la tension à environ +/- 6V.

Un intégrateur parfait est créé par le préréglage VR2, le condensateur C5 et IC5 qui transforme une onde carrée en onde triangulaire. Preset VR2 fournit la fonction d'ajustement de fréquence.

La sortie 1C5 à (broche 6) fournit une rétroaction à 1C2, et la résistance R14 et le préréglage VR3 fonctionnent comme un atténuateur flexible permettant d'ajuster le niveau de l'onde triangulaire si nécessaire.

Après avoir fait le circuit complet, VR2 et VR3 doivent être affinés pour permettre la sortie audio de la plus haute qualité. Un ensemble d'amplis op ordinaires 741 pour 1C4 et IC3 peut être utilisé comme tampons de gain unitaire pour fournir la puissance +/- 7,5V.

Les condensateurs C3, C4, C11 et C12 sont utilisés pour la filtration tandis que le reste des condensateurs est utilisé pour découpler l'alimentation.

Le circuit peut être alimenté en eb avec une double alimentation +/- 15V DC, qui sera capable de piloter un haut-parleur 30W 8 ohms à travers l'étage LC en utilisant le condensateur C13 et l'inductance L2. Notez que des dissipateurs de chaleur modestes peuvent probablement être nécessaires pour les MOSFET TR3 et TR4.