Amplificador Clase D de 200~500W
Un amplificador de clase D o un amplificador de conmutación es un amplificador electrónico en el que los transistores de potencia (generalmente MOSFET) funcionan como interruptores, y no como dispositivos de ganancia lineal como en otros amplificadores (Clase A, B, AB). Funcionan cambiando rápidamente de un lado a otro entre los rieles de alimentación, siendo alimentados por un modulador utilizando ancho de pulso (PWM). El audio se reconstruye través de un simple filtro de pasa bajos al altavoz. Dado que los pares de transistores de salida nunca se conducen al mismo tiempo, no hay otra ruta para el flujo de corriente aparte del filtro / altavoz pasa bajos. Por esta razón, la eficiencia puede superar el 90%.
El amplificador en cuestión es el viejo confiable IRS-D900 basado en el IRAUDAMP1 de International Rectifier, el cual tiene un buen tiempo rodando en Internet y aunque el diseño original funciona, cada quien le quitó y agregó cosas, y yo solo quería ser popular :V
NOTA IMPORTANTE: Esta clase de proyectos no son recomendados para los que recién se están iniciando en el mundo de la electrónica, además es imperativo el uso de osciloscopio para comprobar que todo está bien.
Primero analicemos como funciona
En resumen, se trata de un clase D auto-oscilante que funciona con retroalimentación de bucle interno, donde el bucle de retroalimentación está formado por un circuito RC que hará que el circuito oscile, convirtiéndose en un generador de onda triangular. Esta señal triangular se comparará con la señal de entrada de audio mediante el TL071.
En la retroalimentación, se inyecta otra onda triangular a partir de un oscilador wien independiente conformado por un LM311, esto es para forzar la oscilación y sincronizar el amplificador en caso de usar varias etapas en el mismo chasis, esto evita el batido de frecuencias provocados por la interferencia electromagnética que pueden llegar a generar estos dispositivos. Este circuito debe armarse solamente en el canal maestro.
La señal de salida del TL071 es una señal de audio que ha sido sumada por una señal de sierra, de modo que se forma una onda cuadrada cuya anchura de pulsos está controlada por la señal de entrada. Esta tensión de la señal está referenciada a tierra (GND), más estas características no cumplen con los criterios de entrada hacia la compuerta CMOS y el Gate driver, ya que estos se encuentran referenciados al -VCC del amplificador.
Para solucionar este inconveniente necesitamos un desplazador de nivel (Level-shifter) confomado por el transistor PNP 2N5401 que hace de inversor y a su ves, convierte los niveles de tensión de los pulsos a una tensión compatible con el circuito driver.
Debido a que el Gate Driver requiere dos señales de entrada en el diagrama original se usaban unos inversores lógicos, pero, al parecer daban algunos problemas en cuanto al dead-time, por lo que decidí mejor usar una compuerta NAND (CD4011) ya que ofrece una buena velocidad y se consigue en cualquier lado, ademas de agregar un circuito dead-time formado por un arreglo de diodos, resistencias y capacitores para evitar el calentamiento excesivo de los mosfets, las salidas de las compuertas corresponden a las entradas HIN y LIN correspondientes al IR2110.
El gate driver está listo para conducir el mosfet de potencia, la salida del mosfet de potencia es ON-OFF idéntica a la salida del comparador.
Para recomponer la señal de audio, es necesario que la onda producida por los mosfet pase por un filtro pasabajos, que sea capaz de manejar la energía suministrada por los mismos, con los valores correctos del inductor y condensador, la onda cuadrada se puede convertir nuevamente en una señal de audio sinusoidal (O al menos en teoría).
Ensamblaje y puesta en marcha
Estos amplificadores requieren el uso obligatorio de componentes de la mayor calidad posible, en especial el inductor de salida, que en mi caso preferí comprarlo ya hecho aquí: https://www.coilcraft.com/agp2923.cfm, pero si se posee la experiencia en este campo, pueden calcular el inductor usando esta pagina: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/indtor.html.
Al momento de ensamblar, es necesario armar cada etapa, paso por paso y hacer las siguientes comprobaciones:
Paso 1: Instalar todos los componentes en el PCB, exceptuando los ICs y los mosfets y comprobar que las tensiones sean correctas, es decir, que se encuentren presentes los +/-5.1V referenciados a GND y los 12V referenciados al -Vcc.
Paso 2: Instalar el LM311 que corresponde al oscilador (En el caso que este sea el canal único o principal), para luego hacer pruebas con el osciloscopío con la sonda referenciada a GND, en el punto marcado en la imagen con una flecha roja:
La oscilación debe estar en un rango de 300 ~ 350Khz.
Paso 3: Instalar el TL071 e inyectar una señal de audio de 1Vpp a 1KHz en la entrada del amplificador para hacer pruebas con el osciloscopio con la sonda referenciada a GND, en el punto con la flecha naranja debe haber una señal senoidal con una señal triangular superpuesta muy pequeña, producto de la suma de la señal de audio y el oscilador externo.
En el punto marcado, debe haber una onda cuadrada que responde en función a la señal de audio.
Ahora referenciando la sonda del osciloscopio en el -Vcc (Si el osciloscopio es de doble canal, procure desconectar la GND del otro canal) y en el punto marcado con la flecha roja, debe haber una señal cuadrada, cuya tensión pico no debe sobre pasar los 7V.
Paso 4: Luego de comprobar las tensiones de la oscilación, procedemos a instalar el CD4011 y aún con el osciloscopio referenciado al -Vcc del amplificador, procedemos a analizar si las ondas que manejarán el IR2110, están saliendo correctamente de la compuerta.
En los puntos marcados con las flechas negra y roja, deben haber ondas perfectamente cuadradas, una desfasada de la otra
Paso 5: Hechas estas comprobaciones, volvemos a verificar las tensiones tal como en el paso 1, procedemos a instalar el IR2110 y los mosfets para comenzar a hacer pruebas de sonido.
En el punto marcado por una flecha roja podrá notarse la onda modulada y en el punto marcado con la flecha naranja, podrá comprobarse la onda senoidal recuperada y amplificada.
Encadenamiento:
El encadenamiento se trata de sincronizar 2 etapas que por la naturaleza auto-oscilante de cada una podrían interferirse mutuamente, para eso, en una de las etapas NO se instala el circuito oscilador, sino que se debe conectar a la otra etapa con el oscilador instalado en los terminales marcados como “Sync”, preferiblemente con un cable blindado para evitar interferencias o ruidos externos. Para forzar aún más la frecuencia del oscilador, se puede variar la frecuencia reemplazando el capacitor C3 de 220pF por uno de mayor valor, así como la R7 de 22K por una de menor valor, pero este jamás debe ser de menor valor que el conjunto R21 y R22, tenga en cuenta que si baja demasiado el valor de la R7, podría neutralizar la retroalimentación, provocando distorsiones.
Pruebas y puesta en marcha
Al amplificador se le realizaron varias pruebas de manera que se garantice que arranca a la primera, más realizar las pruebas antes mencionadas, nos evitarán dolores de cabeza ante posibles componentes de dudosa procedencia, y aquí un video de su funcionamiento.
Sin embargo, debido a los mosfets que usé, yo le bajé la velocidad de conmutación, pero, se puede subir aumentando gradualmente el valor de la R9 de 680Ω por una 820Ω o 1KΩ, por decir algunos ejemplos, siempre y cuando los mosfets que escojan soporten esas frecuencias, de lo contrario, tendrán sobre calentamientos innecesarios o incluso podrían provocar daños graves al amplificador.
Escalabilidad:
Este amplificador ofrece la versatilidad de entregar diferentes potencias según la fuente de poder sin hacer cambios considerables en el circuito más que las R24 y R25 que alimentan los IC de modulación (TL071, LM311) y se puede hacer un estimado de la potencia que en teoría podrían entregar en esta tabla:TensiónCorrienteR24, R25Potencia aproximadaImpedancia±57V7,3A2k2/2W2508Ω±57V14,3A2k2/2W5004Ω±70V10A3k9/2W3508Ω±70V20A3k9/2W7004Ω±85V14A3k9/5W5008Ω±85V25A4k7/5W10004Ω
Los números marcados en naranja y rojo, indican que, sino tiene experiencia plena en este tipo de amplificadores, mejor no lo intente, mientras que los colores verdes representan potencias más racionales.
Características:
Alimentación: ±50V / 7.3A ~ ±85V / 25A (Ver texto). Potencia: 200W RMS @ 8Ω ~ 500W RMS @ 4Ω (Ver texto). THD: 0,8% (Aumenta proporcionalmente a medida que aumenta la tensión de alimentación). Rango de frecuencias: 20Hz ~ 20Khz. Damping Factor: ~400.
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