Κύκλωμα μετατροπέα κατηγορίας D Sinewave

Ένας μετατροπέας sinewave που χρησιμοποιεί ενισχυτή class-D λειτουργεί μετατρέποντας μια μικρή συχνότητα εισόδου sinewave σε ισοδύναμα PWMs ημιτονοειδούς, ο οποίος τελικά επεξεργάζεται από Πρόγραμμα οδήγησης H-bridge BJT για την παραγωγή εξόδου εναλλασσόμενου ρεύματος κύματος από πηγή DC μπαταρίας.

Τι είναι ο ενισχυτής Class-D

Η αρχή λειτουργίας του α ενισχυτής τάξης-Δ είναι στην πραγματικότητα απλή αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική. Ένα αναλογικό σήμα εισόδου όπως ένα ηχητικό σήμα ή μια ημιτονοειδής κυματομορφή από έναν ταλαντωτή τεμαχίζεται σε ισοδύναμα PWMs που ονομάζονται επίσης SPWM.

Αυτά τα ημιτονοειδή ισοδύναμα PWM ή SPWM Το s τροφοδοτείται σε ένα στάδιο ισχύος BJT, όπου αυτά ενισχύονται με υψηλό ρεύμα, και εφαρμόζονται στην κύρια μονάδα ενός μετασχηματιστή.

Ο μετασχηματιστής μετατρέπει τελικά το ημιτονοειδές SPWM σε 220V ή 120V AC ημιτονοειδούς κύματος, του οποίου η κυματομορφή είναι ακριβώς σύμφωνα με το σήμα ημιτονοειδούς εισόδου από τον ταλαντωτή.

Πλεονεκτήματα του μετατροπέα κλάσης-D

Το κύριο πλεονέκτημα ενός μετατροπέα κατηγορίας-D είναι η υψηλή απόδοση του (σχεδόν 100%) με λογικά χαμηλό κόστος.

Ενισχυτές Class-D είναι εύκολο να κατασκευαστούν και να ρυθμιστούν, γεγονός που επιτρέπει στο χρήστη να παράγει αποτελεσματικά, υψηλής ισχύος μετατροπείς ημιτονοειδούς κύματος γρήγορα χωρίς πολλές τεχνικές παρενοχλήσεις.

Δεδομένου ότι τα BJTs πρέπει να δουλεύουν με PWMs, τους επιτρέπει να είναι πιο δροσεροί και πιο αποτελεσματικοί, και αυτό με τη σειρά του τους επιτρέπει να δουλεύουν με μικρότερους ψύκτρες.

Πρακτικός σχεδιασμός

Μια πρακτική σχεδίαση κυκλώματος μετατροπέα κατηγορίας-D φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα:

Το IC 74HC4066 μπορεί να αντικατασταθεί με IC 4066, στην περίπτωση αυτή δεν θα απαιτηθεί το ξεχωριστό 5V και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα κοινό 12V για ολόκληρο το κύκλωμα.

Η λειτουργία του μετατροπέα pwm class-D είναι αρκετά απλή. Το σήμα ημιτονοειδούς κύματος ενισχύεται από το στάδιο του ενισχυτή Α1 σε επαρκή επίπεδα για την οδήγηση των ηλεκτρονικών διακοπτών ES1 --- ES4.

Οι ηλεκτρονικοί διακόπτες ES1 --- ES4 ανοίγουν και κλείνουν προκαλώντας την παραγωγή ορθογώνιων παλμών κατά μήκος των βάσεων των τρανζίστορ T1 --- T4 γέφυρα εναλλάξ.

Το PWM ή το πλάτος των παλμών διαμορφώνεται από το σήμα ημιτονοειδούς εισόδου με αποτέλεσμα ένα ισοδύναμο ημιτονοειδές PWM που τροφοδοτείται στα τρανζίστορ ισχύος, και ο μετασχηματιστής, τελικά παράγει τα επιδιωκόμενα 220V ή 120V κύματα ημιτονοειδούς AC στην έξοδο του δευτερεύοντος μετασχηματιστή .

Ο συντελεστής λειτουργίας ενός ορθογώνιου σήματος που παράγεται από τις εξόδους ES1 --- ES4 διαμορφώνεται από το πλάτος του ενισχυμένου σήματος ημιτονοειδούς εισόδου εισόδου, το οποίο προκαλεί ένα σήμα SPWM μεταγωγής εξόδου ανάλογο με το ημιτονοειδές κύμα RMS. Έτσι, ο χρόνος εγκατάστασης του παλμού εξόδου είναι σύμφωνος με το στιγμιαίο πλάτος του σήματος εισόδου ημιτόνου.

Το χρονικό διάστημα μεταγωγής του χρόνου και του χρόνου εκτός λειτουργίας καθορίζει τη συχνότητα που θα είναι σταθερή.

Κατά συνέπεια, δημιουργείται ένα ομοιόμορφα διαστάσεων ορθογώνιο σήμα (τετράγωνο κύμα) απουσία σήματος εισόδου.

Ως τρόπος για να επιτευχθεί αρκετά καλό ημιτονοειδές κύμα στην έξοδο του μετασχηματιστή, η συχνότητα του ορθογώνιου κύματος από το ES1 θα πρέπει να είναι τουλάχιστον δύο φορές υψηλότερη από την υψηλότερη συχνότητα στο σήμα ημιτόνου εισόδου.

Ηλεκτρονικοί διακόπτες ως ενισχυτές

Η τυπική λειτουργία του Ενισχυτής PWM υλοποιείται από τους 4 ηλεκτρονικούς διακόπτες που γίνονται γύρω από το ES1 --- ES4. Ας υποθέσουμε ότι η είσοδος της εισόδου op amp στο μηδέν επίπεδο, προκαλεί τη φόρτιση του πυκνωτή C7 μέσω R8, έως ότου η τάση στο C7 φτάσει το επίπεδο που είναι αρκετό για την ενεργοποίηση του ES1.

Το ES1 κλείνει τώρα και αρχίζει να αποφορτίζει το C7 έως ότου το επίπεδο του πέσει κάτω από το επίπεδο ON ON του ES1. Το ES1 απενεργοποιείται τώρα ξεκινώντας ξανά τη φόρτιση C7 και ο κύκλος ενεργοποιείται / απενεργοποιείται γρήγορα με ρυθμό 50 kHz, όπως καθορίζεται από τις τιμές των C7 και R8.

Τώρα, αν λάβουμε υπόψη την παρουσία ενός ημιτονοειδούς κύματος στην είσοδο του op amp, αυτό προκαλεί αποτελεσματικά μια αναγκαστική παραλλαγή στον κύκλο φόρτισης του C7, προκαλώντας τη διαμόρφωση της εξόδου ES1 PWM για διαμόρφωση σύμφωνα με την ακολουθία ανόδου και πτώσης του σήμα ημιτονοειδούς κύματος.

Τα ορθογώνια κύματα εξόδου από το ES1 παράγουν τώρα SPWM του οποίου ο συντελεστής λειτουργίας ποικίλλει τώρα σύμφωνα με το σήμα εισόδου ημιτόνου.

Αυτό οδηγεί σε εναλλαγή εναλλασσόμενου ημιτονοειδούς κύματος SPWM κατά μήκος της γέφυρας T1 --- T4, η οποία με τη σειρά της αλλάζει τον πρωτεύοντα μετασχηματιστή για να παράγει τα απαιτούμενα ρεύματα AC από τα δευτερεύοντα καλώδια του μετασχηματιστή.

Δεδομένου ότι η δευτερεύουσα τάση εναλλασσόμενου ρεύματος δημιουργείται σύμφωνα με τον πρωτεύοντα διακόπτη SPWM, το προκύπτον AC είναι ένα απόλυτα ισοδύναμο ημιτονοειδές AC του σήματος εισόδου ημιτόνου.

Ταλαντωτής ημιτονοειδούς κύματος

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, ο ενισχυτής μετατροπέα κλάσης-D θα χρειαστεί είσοδο σήματος ημιτονοειδούς κύματος από κύκλωμα γονιδίου ημιτονοειδούς κύματος.

Η ακόλουθη εικόνα δείχνει ένα πολύ απλό κύκλωμα γεννήτριας ημιτονοειδούς κύματος τρανζίστορ που μπορεί να ενσωματωθεί αποτελεσματικά με τον μετατροπέα PWM.

Η συχνότητα των παραπάνω γεννήτρια ημιτονοειδούς κύματος είναι περίπου 250 Hz, αλλά θα χρειαστεί αυτό να είναι περίπου 50 Hz, το οποίο μπορεί να αλλάξει τροποποιώντας κατάλληλα τις τιμές C1 --- C3 και R3, R4.

Μόλις ρυθμιστεί η συχνότητα, η έξοδος αυτού του κυκλώματος θα μπορούσε να συνδεθεί με την είσοδο C1, C2 της πλακέτας μετατροπέα.

Σχεδιασμός PCB και καλωδίωση μετασχηματιστή

Λίστα ανταλλακτικών

Μετασχηματιστής: 0-9V / 220V ρεύμα, θα εξαρτηθεί από την ισχύ των τρανζίστορ και την βαθμολογία Ah της μπαταρίας

Προδιαγραφές:

Ο προτεινόμενος μετατροπέας PWM κατηγορίας D είναι ένα μικρό πρωτότυπο δείγματος δοκιμής 10 watt. Η χαμηλή απόδοση 10 watt οφείλεται στη χρήση τρανζίστορ χαμηλής ισχύος για T1 --- T4.

Η έξοδος ισχύος μπορεί να αναβαθμιστεί εύκολα στα 100 watt αντικαθιστώντας τα τρανζίστορ με TIP147 / TIP142 συμπληρωματικά ζεύγη.

Μπορεί να αυξηθεί σε ακόμη υψηλότερα επίπεδα χρησιμοποιώντας υψηλότερη γραμμή BUS DC για τα τρανζίστορ, οπουδήποτε μεταξύ 12V και 24V