10 penguat kelas d teratas 2022

Cara Membangun Power Amp Kelas-D

Pelajari cara membuat power amplifier Kelas D Anda sendiri — salah satu cara paling efisien untuk mendengarkan musik.

Amplifier Kelas-D yang perkasa — buat sendiri dan kagumi efisiensinya. Heat sink hampir tidak menjadi hangat!

Apakah Anda selalu ingin membuat penguat daya audio Anda sendiri? Sebuah proyek elektronik di mana Anda tidak hanya melihat hasilnya tetapi juga mendengarnya?

Jika jawaban Anda adalah ya, maka Anda harus melanjutkan membaca artikel ini tentang cara membuat amplifier Kelas D Anda sendiri. Saya akan menjelaskan kepada Anda cara kerjanya dan kemudian memandu Anda langkah demi langkah untuk membuat keajaiban terjadi sendiri.

Dasar-dasar Teoritis

Apa yang dimaksud dengan penguat daya audio Kelas-D? Jawabannya bisa berupa kalimat yang panjang: Ini adalah penguat switching. Tetapi untuk memahami sepenuhnya bagaimana seseorang bekerja, saya perlu mengajari Anda semua sudut dan celahnya.

Mari kita mulai dengan kalimat pertama itu. Amplifier tradisional, seperti kelas AB, beroperasi sebagai perangkat linier. Bandingkan ini dengan penguat switching, disebut demikian karena transistor daya (MOSFET) bertindak seperti sakelar, mengubah statusnya dari OFF ke ON. Ini memungkinkan efisiensi yang sangat tinggi, hingga 80 – 95%. Karena itu, amplifier tidak menghasilkan banyak panas dan tidak memerlukan heat sink yang besar seperti amplifier AB kelas linier. Sebagai perbandingan, penguat kelas B hanya dapat mencapai efisiensi maksimum 78,5% (dalam teori).  

Di bawah ini Anda dapat melihat diagram blok penguat PWM Kelas-D dasar, seperti yang sedang kita buat.

Sinyal input diubah menjadi lebar pulsa yang dimodulasi, sinyal persegi panjang menggunakan komparator. Ini pada dasarnya berarti bahwa input dikodekan ke dalam siklus kerja pulsa persegi panjang. Sinyal segi empat diperkuat, dan kemudian filter aliran-rendah menghasilkan versi daya yang lebih tinggi dari sinyal analog asli.

Ada metode lain untuk mengubah sinyal menjadi pulsa, seperti modulasi ΔΣ (delta-sigma), tetapi untuk proyek ini kami akan menggunakan PWM.

Modulasi Lebar Pulsa Menggunakan Pembanding

Pada plot di bawah ini, Anda dapat melihat bagaimana kami mengubah sinyal sinusoidal (masukan) menjadi sinyal persegi panjang dengan membandingkannya dengan sinyal segitiga. 

klik untuk memperbesar

Pada puncak positif gelombang sinus, siklus kerja pulsa persegi adalah 100% sedangkan pada puncak negatif adalah 0%. Frekuensi sebenarnya dari sinyal segitiga tersebut jauh lebih tinggi, pada urutan ratusan kHz, sehingga nantinya kita dapat mengekstrak sinyal asli kita.

Filter sebenarnya, bukan yang ideal, tidak memiliki transisi “dinding bata” yang sempurna dari passband ke stopband, jadi kami ingin sinyal segitiga memiliki frekuensi setidaknya 10 kali lebih tinggi dari 20KHz, yang merupakan batas pendengaran manusia teratas .

Power Stage — Semuanya Kedengarannya Bagus dalam Teori

Teori adalah satu aspek dan praktek adalah aspek lainnya. Jika kita ingin mempraktikkan diagram blok sebelumnya, kita akan menemukan beberapa masalah.

Dua masalah adalah waktu naik turunnya perangkat di tingkat daya dan fakta bahwa kami menggunakan transistor NMOS untuk driver sisi tinggi.

Karena peralihan MOSFET tidak dilakukan secara instan, tetapi lebih seperti naik turun bukit, waktu ON transistor akan tumpang tindih, menciptakan koneksi impedansi rendah antara rel catu daya positif dan negatif. Hal ini menyebabkan pulsa arus tinggi melewati MOSFET kami, yang dapat menyebabkan kegagalan.

Untuk mencegah hal ini, kita perlu memasukkan waktu mati antara sinyal yang mendorong MOSFET sisi tinggi dan rendah. Salah satu cara untuk mencapai hal ini adalah dengan menggunakan driver MOSFET khusus dari Penyearah Internasional (Infineon), seperti IR2110S atau IR2011S . Selanjutnya, IC ini menyediakan tegangan gerbang yang ditingkatkan yang diperlukan untuk NMOS sisi tinggi.  

Filter Akses Rendah

Untuk tahap penyaringan, salah satu cara terbaik untuk melakukannya adalah dengan menggunakan filter Butterworth.

Jenis filter ini memiliki respons yang sangat datar pada passband. Artinya sinyal yang ingin kita capai tidak akan terlalu banyak dilemahkan.

Kami ingin memfilter frekuensi yang lebih tinggi dari 20 kHz. Frekuensi cut-off dihitung pada -3dB, jadi kami ingin lebih tinggi agar tidak menyaring suara yang ingin kami dengar. Yang terbaik adalah memilih antara 40 dan 60 kHz. Faktor kualitasQ=1√2Q=12.

Berikut adalah rumus yang digunakan untuk menghitung nilai induktor dan kapasitor :

L=RL√22⋅π⋅fcL=RL22⋅π⋅fc

C=12√2⋅π⋅fc⋅RLC=122⋅π⋅fc⋅RL

Membangun Amplifier DIY Anda (Luke-The-Warm)

Sekarang kita tahu cara kerja penguat Kelas-D, mari kita buat penguatnya.

Pertama-tama, saya menamai amplifier ini Luke-The-Warm karena heat sink hanya menjadi hangat, berbeda dengan amplifier Class AB, yang heat sinknya bisa menjadi sangat panas jika tidak didinginkan secara aktif.

Di bawah ini Anda dapat melihat skema amplifier yang saya rancang. Ini didasarkan pada desain referensi IRAUDAMP1 oleh International Rectifier (Infineon). Perbedaan utamanya adalah bahwa alih-alih modulasi ΔΣ, tambang menggunakan PWM.

klik untuk memperbesar

Sekarang saya akan memberi tahu Anda beberapa pilihan desain dan bagaimana komponen bekerja satu sama lain. Mari kita mulai dari sisi kiri.

Sirkuit Input

Untuk sirkuit input, saya memutuskan bahwa yang terbaik adalah menggunakan filter high-pass diikuti oleh filter low-pass. Sesederhana itu.

Generator Segitiga

Untuk generator segitiga, saya menggunakan  LMC555 , yang merupakan varian CMOS dari chip 555 yang terkenal. Pengisian dan pengosongan kapasitor menghasilkan segitiga yang bagus, yang tidak sempurna (naik dan turun secara eksponensial) tetapi jika waktu naik dan turun sama, itu bekerja dengan sempurna.

Nilai resistor dan kapasitor mengatur frekuensi sekitar 200kHz. Lebih tinggi dari ini dan kami akan mengalami masalah karena komparator dan driver MOSFET bukan perangkat tercepat.

Pembanding

Untuk pembanding, Anda dapat menggunakan komponen mana pun yang Anda inginkan — hanya perlu cepat. Saya menggunakan apa yang saya miliki, LM393AP . Pada waktu respons 300ns, ini bukan yang tercepat dan pasti dapat ditingkatkan tetapi berfungsi dengan baik. Jika Anda ingin menggunakan IC lain, berhati-hatilah untuk memeriksa apakah pinnya cocok atau Anda harus memodifikasi desain PCB.

Secara teori, sebuah op-amp dapat digunakan sebagai pembanding, namun pada kenyataannya op-amp dirancang untuk jenis pekerjaan lain, jadi pastikan Anda menggunakan pembanding yang sebenarnya.

Karena kami membutuhkan dua output dari komparator, satu untuk driver sisi tinggi dan satu lagi untuk driver sisi rendah, saya memutuskan untuk menggunakan LM393AP. Ini adalah dua komparator dalam satu paket, dan kami hanya menukar input dengan komparator kedua. Pendekatan lain adalah dengan menggunakan komparator yang memiliki dua keluaran, seperti  LT1016 dari Linear Technology. Perangkat ini mungkin menawarkan kinerja yang sedikit lebih baik, tetapi harganya juga bisa lebih mahal.

Pembanding ini didukung oleh catu daya bipolar 5V, yang disediakan oleh dua dioda zener yang mengatur tegangan dari catu daya utama, yaitu ± 30V.

Driver MOSFET

Untuk driver MOSFET, saya memilih untuk menggunakan IR2110. Alternatifnya adalah IR2011, yang digunakan dalam desain referensi. Sirkuit terintegrasi ini memastikan untuk menambahkan waktu mati yang saya bicarakan di bagian sebelumnya.

Karena pin VSS dari IC terikat ke catu daya negatif, kita perlu menggeser level sinyal dari komparator. Ini dilakukan dengan menggunakan transistor PNP dan dioda 1N4148.

Untuk menggerakkan MOSFET, kami menyalakan IR2110 dengan 12V yang dirujuk ke tegangan catu daya negatif; tegangan ini dibangkitkan menggunakan BD241 yang dihubungkan dengan zener 12V. MOSFET sisi tinggi perlu digerakkan oleh tegangan gerbang yang sekitar 12V di atas node switching, VS. Ini membutuhkan tegangan yang lebih tinggi dari suplai positif; IR2110 menyediakan tegangan drive ini dengan bantuan kapasitor bootstrap kami, C10.

Saring

Terakhir filter. Frekuensi cut-off adalah 40kHz, dan resistansi beban adalah 4 ohm karena kami memiliki speaker 4-ohm (nilai yang digunakan di sini juga akan berfungsi dengan speaker 8-ohm, tetapi yang terbaik adalah menyesuaikan filter sesuai dengan speaker Anda memilih). Dengan informasi ini kita dapat menghitung nilai induktor dan kapasitor:

L=4√22⋅π⋅40000H.=22.508μH.L=422⋅π⋅40000H.=22.508μH.

Kami dapat dengan aman membulatkan ke bawah menjadi 22µH.

C=12√2⋅π⋅40000⋅4F=0.703μH.C=122⋅π⋅40000⋅4F=0.703μH.

Nilai standar terdekat adalah 680nF. 

Catatan tentang Build

Sekarang setelah Anda mengetahui semua tentang cara kerja bagian dalam, yang harus Anda lakukan adalah membaca dengan sangat hati-hati beberapa baris berikutnya, mengunduh file di bawah, membeli komponen yang diperlukan, mengetsa PCB, dan mulai merakit.

Filter Akses Rendah

Untuk filter low-pass, Anda dapat menggunakan kapasitor 680nF untuk sedekat mungkin dengan nilai yang dihitung, tetapi Anda juga dapat menggunakan kapasitor 1μF tanpa masalah (Saya merancang PCB sehingga Anda dapat menggunakan dua kapasitor secara paralel mencampur dan mencocokkan).

Kapasitor ini harus dari polipropilen atau poliester — secara umum, menggunakan kapasitor keramik dengan sinyal audio bukanlah ide yang bagus. Dan Anda perlu memastikan bahwa kapasitor yang Anda gunakan untuk penyaringan diberi nilai tegangan tinggi, setidaknya 100VAC (lebih tidak sakit). Sisa kapasitor dalam desain juga harus memiliki nilai tegangan yang sesuai. 

Saya merancang penguat ini untuk daya keluaran sekitar 100-150W. Anda harus menggunakan catu daya bipolar dengan rel ± 30V. Anda bisa lebih tinggi dari ini, tetapi untuk tegangan sekitar ± 40V Anda perlu memastikan bahwa Anda mengubah nilai resistor R4 dan R5 menjadi 2K2. 

Hal ini tidak perlu tetapi sangat disarankan agar Anda menggunakan heatsink untuk BD241C karena suhunya cukup panas. 

MOSFET

Sejauh daya MOSFET bekerja, saya sarankan menggunakan IRF540N atau IRFB41N15D . MOSFET ini memiliki muatan gerbang rendah untuk peralihan lebih cepat dan R DS (aktif) rendah untuk konsumsi daya yang lebih rendah. Anda juga perlu memastikan bahwa MOSFET memiliki nilai V DS (drain-to-source voltage) maksimum yang memadai . Anda dapat menggunakan IRF640N , tetapi R DS (aktif) jauh lebih tinggi, yang mengarah ke amplifier dengan efisiensi yang lebih rendah. Berikut adalah tabel yang membandingkan ketiga MOSFET ini: 

Induktor

Sekarang induktor. Anda dapat membeli yang sudah dibuat tetapi saya sarankan Anda membuat sendiri — ini adalah proyek DIY.

Beli toroid T106-2. Ini harus berupa bubuk besi; ferit dapat bekerja tetapi akan membutuhkan celah atau akan jenuh. Dengan menggunakan toroid tersebut, angin 40 putaran dengan diameter 0.8-1mm (AWG20-18) kawat enamel tembaga . Itu dia. Jangan khawatir jika tidak sempurna — perkuat saja.

Resistor

Akhirnya, semua resistor, kecuali disebutkan (R4, R5), adalah 1 / 4W.

Menguji

Saat saya mendesain PCB, saya membuatnya sedemikian rupa sehingga sangat mudah untuk diuji. Sinyal input memiliki konektornya sendiri dan ada dua terminal sekop untuk pembumian: satu untuk catu daya dan satu lagi untuk speaker.

Untuk menghilangkan suara dengung (50/60 Hz, dari frekuensi listrik), saya menggunakan konfigurasi star-ground; ini berarti menghubungkan semua ground (ground amplifier, ground sinyal, dan ground speaker) pada titik yang sama, lebih disukai pada PCB catu daya, setelah rangkaian penyearah.

Apa itu amplifier kelas D?

Power kelas apa yang paling bagus?

Mengapa penguat kelas D dapat mencapai efisiensi daya hingga 90% hingga 100%?

5 Jelaskan apa itu penguat amplifier )!?