Engineering homemade car amplifier

12 août 2018

Engineering homemade car amplifier

Alimentation à découpage

Avant-propos

Ce projet réalisé est le résultat d'une collaboration considérable entre Sergio et moi-même et ne doit pas nécessairement être considéré comme un projet complet en soi, mais comme un moyen de comprendre les alimentations à découpage, leur fonctionnement et ce que vous pouvez en faire.

Soyez averti - il y a un risque considérable. En raison du courant extrêmement élevé disponible sur une batterie de voiture, une petite erreur peut facilement entraîner une défaillance catastrophique. Tous les composants électroniques contiennent de la fumée (le fil contient une quantité énorme) et un glissement du fer à souder peut libérer une quantité incroyable. Sérieusement, le risque de graves brûlures et la possibilité de provoquer un incendie dans votre voiture sont bien réels et ne doivent pas être sous-estimés. 300A à partir d' une batterie de voiture peut faire une grande quantité de dégâts en quelques millisecondes - si le fusible souffle pas (vous sera utiliser un fusible, ne vous?), Alors les dégâts peuvent être importants.

À différents moments dans la partie de l'article de Sergio, j'ai inclus des informations supplémentaires.

S'il vous plaît voir la note spéciale à la fin de cet article pour des informations importantes sur le projet.

introduction

Les difficultés d'installation d'un système hi-fi dans une voiture sont nombreuses, même si le plus important est sans aucun doute la limitation de la tension d'alimentation du véhicule. Comme la plupart des lecteurs le savent déjà, la tension nominale d'une batterie de voiture est de 12 V, atteignant environ 13,8 V lors de la charge (moteur en marche).

Le RMS maximum. la puissance audio à partir d'une tension donnée V est quelque peu inférieure à:

Pmax = (V / (2 x √2)) ² / R L

... où R _L est l'impédance nominale du locuteur.

Ainsi, pour un système 13,8 V, cette puissance est limitée à environ 6 W sur une charge de 4 ohms. Notez que plus la résistance de l'enceinte est faible, plus la puissance maximale est élevée (c'est la raison pour laquelle la plupart des haut-parleurs ont une impédance nominale de 4 ohms au lieu des 8 ohms les plus courants dans les systèmes domestiques).

Cela peut être simplifié dans une certaine mesure ...

P = (V / 3) ² / R L

et un calcul typique basé sur une alimentation de 13,8 V donne ...

P = (13,8 / 3) ² / 4
P = 4,6² / 4 = 5,29 watts

Cela permet des pertes standard et une précision acceptable à cette tension - la seule façon réelle de savoir est de mesurer l'ampli, car les pertes varient en fonction de la topologie de l'étage de sortie.

En utilisant des techniques de pontage, la puissance peut être multipliée par un facteur de 4 environ, expliquée plus en détail dans le projet ESP 14, de sorte que nous pouvons obtenir environ 24 W sur un haut-parleur de 4 ohms. Cela peut être suffisant pour les moyennes et hautes fréquences, mais est évidemment très limité pour une application subwoofer, par exemple. (Moral: la méfiance envers les unités de tête «4 x 45W» est bien conseillée, car elles ne parlent certainement pas de puissance RMS).

Alors, que peut-on faire pour augmenter la puissance audio disponible? La réponse est une simple dérivation de la formule ci-dessus - soit diminuer l'impédance de la charge, soit augmenter la tension d'alimentation. Plus l'impédance est basse, plus il faut de courant, ce qui rend plus difficile la construction d'étages à faible impédance (il existe d'autres limites pratiques), donc augmentons la tension d'alimentation.

Bases de l'alimentation

La grande majorité des amplificateurs audio haute puissance utilisent des alimentations SMPS (Switch Mode Power Supplies) pour générer des tensions plus élevées à partir des 12 (13,8) volts disponibles. Une explication théorique complète sur la façon dont ces choses fonctionnent dépasse le cadre de cet article, mais voici quelques idées fondamentales à connaître sur les alimentations à découpage (SMPS) pour les amplis automobiles:

La tension CC de la batterie doit être commutée sous une forme quelconque pour générer une forme d'onde CA adaptée à un transformateur. Comme vous le savez déjà, un transformateur convertit fondamentalement la tension alternative de son primaire en une version mise à l'échelle dans son secondaire, le facteur d'échelle étant le rapport de transformation du primaire au secondaire. (Encore une fois, prenez cela comme une simplification extrême). Un transformateur ne permet pas le passage des tensions continues et il existe une isolation électrique (galvanique) entre les deux enroulements.
La forme d'onde CA est généralement une onde carrée relativement facile et efficace à générer. Les fréquences sont généralement comprises entre 25 kHz et 100 kHz ou plus, permettant ainsi des transformateurs plus petits que ceux utilisés dans les appareils principaux (sa construction est également différente, leurs noyaux ne sont pas laminés, mais fabriqués à partir de ferrites ou de poudre de fer). Les éléments de commutation doivent être capables de courants élevés et doivent également être rapides et présenter de faibles pertes de commutation. Habituellement, des MOSFET de puissance ou des transistors bipolaires à grande vitesse sont utilisés (certaines conceptions SMPS utilisent des SCR mais celles-ci sont minoritaires).
Une fois que cette forme d'onde a été augmentée par le transformateur, il faut la corriger à nouveau et la filtrer sur DC, car c'est ce que nous voulons. Pour les applications audio, nous avons généralement besoin d'une alimentation symétrique, par exemple +/- 35V. La rectification se fait avec un pont de diodes, comme ce serait le cas avec un transformateur conventionnel à 50 ou 60 Hz. Notez que pour les fréquences dont nous parlons, des diodes rapides ou ultra-rapides sont nécessaires.
Si nous avons besoin d'une alimentation régulée, une sorte de rétroaction doit être fournie par les rails de sortie à un contrôleur capable de modifier certains paramètres de la forme d'onde CA au niveau du primaire du transformateur. Ceci est normalement accompli avec PWM (modulation de largeur d'impulsion). Nous l'expliquerons plus tard, dans le paragraphe «règlement».
Gardez toujours à l’esprit qu’aucune énergie n’est créée - compte tenu d’un ratio (total) de tensions entre les rails et la batterie, le courant tiré de la sortie sera (au moins) multiplié à l’entrée de 12 V par le même rapport. même chose (en supposant une efficacité de 100%, et ce n’est jamais le cas). Un transformateur générique «transforme» la tension d'un facteur Tr, d'un facteur 1 / Tr et d'une impédance secondaire d'un facteur 1 / √ (Tr), Tr étant le rapport de tours. L'impédance a peu d'importance dans ce contexte.
Un SMPS bien construit peut atteindre une efficacité de 90%. Donc, si vous prévoyez de produire ± 35V à 6A (par rail) d'alimentation (cela suppose 35x6 + 35x6 = 360W), préparez-vous à tirer plus de 30A de la batterie! Heureusement, lorsque vous parlez d’amplis audio reproduisant de la musique, les besoins en énergie sont toujours bien inférieurs à ceux des ondes sinusoïdales pures.

À ce stade, le lecteur devrait se rendre compte de l’ampleur des courants impliqués dans un SMPS de haute puissance pour un amplificateur de voiture, et il faut faire particulièrement attention lors de la connexion de la créature au système électrique de la voiture.

Le système

Le présent projet décrit la construction d'un SMPS flexible capable de fournir des puissances de l'ordre de 350 W en continu, en fonction du transformateur utilisé. La tension de sortie dépend principalement du rapport de rotation des enroulements primaire et secondaire, mais peut être ajustée à une valeur légèrement inférieure en utilisant la régulation. Cela devrait suffire à alimenter un amplificateur subwoofer de 200 W et peut-être 2 amplis stéréo pour les médiums et les hautes fréquences.

Il fait partie d'un ampli de voiture complet que j'ai construit, avec 6 niveaux de puissance basés sur l'amplificateur d'ouverture LM3886 de National. Ils peuvent être combinés en un seul canal subwoofer> 250W / 4 Ohm plus 2 canaux moyen + haut de 65W / 4 Ohm, alternativement en 2 x 120W / 4 Ohm + 2 x 65W ou même pour former un amplificateur multicanal 6 x 65W / 4 Ohms , il s'agit donc d'un système extrêmement flexible et puissant sans renoncer à la qualité sonore. Les techniques de pontage parallèle nécessaires à cette fin seront éventuellement décrites dans un autre projet.

Construction du SMPS

Le schéma complet du SMPS est illustré ci-dessous.

Note: Il s’agit de la version originale de Sergio, celle présentée à la figure 9 est probablement la plus utilisée, car elle est un peu plus simple, mais a des performances pratiquement identiques. [esp]

Figure 1 - Schéma du contrôleur Switchmode

Il y a trois blocs principaux décrits ci-dessous ...

A - MOSFET de commutation et transformateur
B - Rectification et filtrage
C - Circuit de commande

A - MOSFET de commutation et transformateur
La topologie de commutation sélectionnée est appelée un convertisseur «push-pull», car le transformateur a un double primaire (ou central, si vous préférez). La prise centrale est connectée en permanence à la batterie de la voiture (via un filtre LC pour éviter de créer des pics dans les lignes de la batterie, ce qui pourrait affecter les autres équipements électroniques de la voiture). Les deux extrémités du primaire sont connectées à une paire de transistors MOSFET parallèles, chacun qui les lie à la terre dans chaque cycle de conduction (Vgs du MOSFET correspondant haut).

Ces MOSFET doivent être rapides, capables de supporter des courants élevés (plus de 30 A chacun si possible) et avoir le plus faible Rds (on) possible. Le MTP75N06 proposé par On-Semiconductor peut résister à 75Amp et a un Rds (on) inférieur à 10 milliohm. Ceci est important, car plus cette résistance est faible, moins ils vont se dissiper lors de la commutation avec une forme d'onde carrée. Une autre alternative est MTP60N06, ou les plus populaires BUZ11 et IRF540.

Bien que les schémas montrent un étage push-bipolaire antérieur, vous pouvez également connecter la résistance de grille directement à la sortie du circuit intégré de contrôle, en laissant de côté les transistors, car le SG3525 est capable de gérer jusqu'à 500 mA (théoriquement), plus que assez pour commuter les MOSFET rapidement.

B - Rectification et filtrage
Si l’on regarde du côté secondaire du SMPS, il ressemble exactement au schéma d’une alimentation secteur typique, avec une différence fondamentale: les diodes de commutation doivent être RAPIDES ou ULTRAFAST, si vous utilisez un pont de diodes standard le système va tout simplement exploser (et cela peut être très impressionnant, croyez-moi!) Bien qu'un pont de diodes soit représenté, il peut également être réalisé avec des diodes discrètes. Utilisez des diodes à courant élevé (10 A minimum et une tension nominale appropriée). Je recommande d'utiliser 4 doubles diodes haute vitesse TO220 pouvant être mises en parallèle pour en former une seule dans chaque emballage.

Vous pourriez être surpris que les condensateurs ne sont pas trop gros. Cela est dû à la fréquence de commutation élevée. Il est important qu'ils soient de bonne qualité et qu'ils doivent être évalués à 105 degrés. Le courant nominal de l'ondulation et le faible ESR (résistance série équivalente) sont très importants pour toute source de commutation. À mon avis, 5000uF par rail est suffisant.

C - Circuit de contrôle
Le contrôleur IC est un SG3525. Il comprend tous les sous-systèmes nécessaires pour générer une fréquence fixe, comparer avec une référence pour moduler sa largeur d'impulsion et piloter deux sorties sans se chevaucher. Il fonctionne de 8 à 35 V et le filtrage de l'alimentation est recommandé, comme indiqué. Le relais ne fait que commuter le courant faible (l'alimentation du contrôleur) et ne doit être évalué que pour quelques ampères. Comme indiqué ci-dessus, vous pouvez connecter les sorties directement aux résistances de grille des MOSFET si vous ne souhaitez pas inclure les étapes bipolaires.

La résistance RT et le condensateur CT fixent la fréquence d'oscillation. L'expérimentation m'a montré qu'environ 35kHz produit de bons résultats avec mon transformateur. Un autre condensateur, Css, fixe le temps de démarrage progressif - lorsque vous allumez le système, la largeur d’impulsion passe de 0 à la valeur constante, limitant ainsi le courant d’appel, une très bonne caractéristique pour éviter les bruits de installation électrique. Il possède également une broche d'arrêt qui permet de contrôler le SMPS à partir d'un signal externe (REMOTE à partir de l'unité principale, par exemple).

Dans ce projet, la mise en page est critique, des largeurs de pistes incorrectes ou des traces excessivement longues peuvent avoir des inductances élevées et produire des pics qui peuvent faire exploser les MOSFET.

Détails de la construction du transformateur

Ceci est la partie la plus critique de la conception, et vous avez deux options: acheter une unité commerciale avec le rapport de puissance et le taux de rotation requis (difficile à trouver, un seul fournisseur a été trouvé au moment de la rédaction) ou vôtre.

Si vous choisissez de ventiler votre propre transformateur (comme si vous aviez beaucoup de choix), vous devez décider de la forme de cœur à utiliser. Le matériau préféré est la ferrite, qui a une perméabilité élevée (capacité à «conduire» un flux magnétique) ou de la poudre de fer, qui a une perméabilité inférieure, mais qui est moins susceptible de saturer. La plupart des transformateurs commerciaux utilisent de la ferrite et la poudre de fer est généralement le meilleur matériau pour les selfs de filtrage (inductances) qui transportent un courant continu important.

Par exemple, avec un cœur ETD39 standard, vous pouvez théoriquement construire une alimentation> 350W. Enrouler ce type de noyaux n'est pas très difficile, mais vous devrez suivre certaines lignes directrices ci-dessous pour obtenir de bons résultats.

Une autre possibilité consiste à utiliser un tore. Vous pouvez l'extraire d'une inductance BIG. À titre indicatif, un toroïde de 40 mm de diamètre avec une section d'environ 10 x 10 mm (100 mm ² ) peut être utilisé pour un SMPS> 250 W. Le bobinage est un peu plus compliqué qu'avec les noyaux ETD mais avec un peu de pratique, ce n'est pas trop difficile non plus.

Noyaux toroïdaux

Noyaux de type ETD

Toroid de l'inducteur ITL 100 (Wilco Corp).
(Retirez le fil épais avant de bobiner!)

Voici quelques lignes directrices générales sur les enroulements pour tous les types de noyaux:

Vous DEVEZ utiliser du fil de cuivre émaillé pour tous les enroulements. Gardez également à l’esprit que lorsqu’on travaille avec des hautes fréquences, la section efficace du fil est beaucoup plus petite que la section physique, en raison de l’effet de peau (le courant se concentre uniquement dans la partie externe du fil). Comme des courants élevés interviennent ici, la section du fil est très importante (si vous ne voulez pas que l'émail se fusionne à cause du chauffage produit par les pertes résistives du fil et court-circuitez tous les enroulements). Une bonne pratique consiste à utiliser plusieurs fils plus minces en parallèle plutôt qu’un seul épais. Cela facilite également l'enroulement. Par exemple, six fils de 0,4 mm de diamètre peuvent constituer un primaire approprié pour une alimentation de 300 W. Il en va de même pour le secondaire, même si le courant est réduit, vous pouvez donc utiliser moins de fils (3 ou 4 par exemple). À partir de maintenant,
Les fils doivent être fermement enroulés. Vous devez d'abord enrouler le primaire, en essayant de couvrir toute la surface du noyau, puis le secondaire par-dessus dans la direction opposée, afin de maximiser le couplage entre les enroulements.
Un bon point de départ consiste à utiliser 4 tours pour chaque primaire (c'est-à-dire 4 tours, prise centrale et 4 autres tours DANS LA MEME DIRECTION). Pour calculer le nombre de tours de l'enroulement secondaire, multipliez par le rapport de tours. Par exemple, si vous voulez construire une alimentation de ± 30V, le rapport de rotation est de 30 / 13.8 = 2,2 environ, donc le vent 2,2 x 4 = 8,8 tours (vous ne pouvez pas avoir un tour partiel, donc utilisez 9 tours) (c'est-à-dire 9 tours, centrer le robinet et 9 autres tours DANS LA MEME DIRECTION).
Pour commencer à enrouler, prenez le nombre de fils minces que vous avez décidé d'utiliser (6, par exemple) dans le primaire, tous ensemble. Laissez environ 30 ou 40 mm hors du noyau pour faciliter la connexion au tableau et commencer à enrouler. Lorsque vous avez enroulé 4 tours COMPLETE, faites une boucle hors du noyau ou de la forme antérieure et coupez à 30 ou 40 mm. Maintenant vous avez le premier primaire. Puis recommencer dans la même direction en enroulant les 4 autres tours et à la fin laisser encore 30 ou 40 mm pour la connexion. Tordez ensemble les fils fins de chaque enroulement aux extrémités pour faciliter la soudure.
Le vernis du fil est destiné à fournir une isolation électrique, vous devez donc le retirer aux extrémités pour effectuer les connexions. Veillez à retirer environ 10 mm de l'extrémité de TOUS les câbles que vous utilisez. Vous pouvez le faire en utilisant un scalpel ou autre lame tranchante ou avec du papier de verre et beaucoup de patience AVANT de les enrouler.

Ce qui suit sont des photos de deux modèles de transformateurs. La gauche est une toroïdale Je me suis blessé en utilisant le noyau d'un gros inducteur de Wilco Corporation (ITL-501), et la bonne est une unité commerciale d'un fabricant américain (2 x 3: 1, 350W). Les deux ont travaillé de la même manière.

Gauche - Transformateur fabriqué à la maison. Transformateur Commercial - Droit

D'autres remarques

Le relais permet de déconnecter l’alimentation électrique avec la REMOTE (ou «antenne électrique» de l’unité centrale. La consommation électrique lorsqu’elle est éteinte ne représente alors que les courants de grille des MOSFET (A quelques nA).
Connecter un grand starter en série avec l’alimentation, car cela élimine le bruit de commutation qui pourrait interférer avec d’autres équipements électriques. Vous pouvez utiliser le tore qui filtre la sortie + 5V d'une ancienne alimentation PC. (voir figure ci-dessous).

Le starter d'entrée de mon système, obtenu à partir d'une ancienne alimentation PC.

Tout le câblage, en particulier le côté primaire, doit être lourd, afin de minimiser les pertes et d’éviter une surchauffe des conducteurs. Les pistes du circuit imprimé doivent être suffisamment épaisses, aussi courtes que possible et renforcées par une couche d'étain généreuse et éventuellement avec du fil soudé.
Mettez deux fusibles dans les sorties des rails, car ils peuvent vous faire économiser beaucoup de maux de tête lorsque vous les mettez au sol, etc. J'ai utilisé deux fusibles 6.3A standard.
Montez les diodes de redressement et les MOSFET sur un dissipateur thermique décent et gardez à l’esprit qu’ils doivent tous être isolés électriquement. Suivez les recommandations habituelles de montage du radiateur (graisse thermique, etc.). Les boîtiers TO220 sont faciles à manipuler, mais leur performance thermique est médiocre, il faut donc faire très attention au montage.

Détail de l'arrangement MOSFET

Notez le tampon isolant (un pour tous) et les fils d'alimentation épais. Des plaques isolantes individuelles peuvent être utilisées sans perte de performance. L'utilisation d'une barre de serrage améliorera la conduction thermique du support du dissipateur thermique, mais ne le serrez pas trop, sinon le support se pliera. Envisagez d'utiliser un support d'au moins 3 mm en aluminium pour une meilleure performance thermique. Le support doit être attaché à un dissipateur thermique, en utilisant un composé thermique pour minimiser la résistance thermique.

Des tests

Ce projet prend en charge des puissances assez importantes, il vaut donc la peine de faire des tests pas à pas avant de regretter de perdre tout son travail en une microseconde.

Pour les tests, utiliser une grande alimentation de 12V à 13.8V, avec limitation de courant si possible et capable de délivrer au moins 10 à 20 ampères (voir projet 77). Si vous ne l’avez pas, une alimentation PC fonctionnera (bien que vous n’obtiendrez pas plus de 80-90W, mais cela sera suffisant pour les tests et presque indestructible). Ne connectez pas le SMPS à une batterie de voiture la première fois que vous le testez (cela peut être très dangereux!). Un fusible de 10A en série avec l'alimentation 12V est également une bonne idée. (Vous ne savez pas dans quelle mesure! )

Les câbles de l'alimentation de l'amplificateur doivent être aussi courts que possible et lourdement calibrés, afin de minimiser les pertes. La première fois que j'ai testé l'ampli, j'avais une différence de 1 volt d'un côté à l'autre du câble sur 1,5 mètre seulement: le câble lui-même dissipait plus de 15W !!! Ainsi, lors du calcul de l'efficacité, mesurez toujours la tension d'entrée juste à l'entrée du SMPS pour en tenir compte.

Les fils du transformateur vers les MOSFET doivent être aussi courts que possible. Chaque 10 mm de fil ajoute environ 6 nH d'inductance externe au transformateur (le chiffre exact dépend du diamètre du fil et ne peut être qu'une estimation). Cette inductance de fuite du transformateur provoquera un dépassement de tension et une résonance sur le signal de commutation. Dans la mesure du possible, les MOSFET ne doivent pas se trouver à plus de 20 mm du transformateur.

Tout d'abord, avec uniquement la puce SG3525 et ses composants associés (pas de MOSFET), vérifiez que vous disposez d'une onde carrée de 12 V très propre à chaque sortie (déphasé de 180 ° et qu'elles ne se chevauchent JAMAIS). Vérifiez également que lorsque vous mettez l'appareil sous tension, il commence à 0% et augmente à 50% du cycle de charge en une ou deux secondes.
Une fois que vous avez cela, vous pouvez câbler les MOSFET. Ils seront sur un radiateur et sachent que les languettes sont connectées au drain, alors fournissez l'isolation (rondelles de mica + de plastique, composé thermique). Ensuite, soudez le transformateur et observez la forme d'onde primaire avec un oscilloscope (utilisez une sonde 10: 1 au cas où vous auriez de grosses pointes afin d'éviter d'endommager l'instrument). Vous devriez avoir une onde carrée d'environ 25-26V pic à pic et les plus petits pics (dépassement) possibles. Si elles dépassent 30 V (à partir du sol), vous pouvez essayer de re-vent le transformateur pour améliorer le couplage. Vous pouvez également réduire les dépassements en utilisant le réseau de snubber montré dans le schéma, bien qu'ils dissiperont un peu de puissance (utilisez des résistances de 2W et des condensateurs de 100V), donc montez-les seulement si nécessaire.
Une fois que vous avez une forme d'onde propre, vous pouvez souder les condensateurs de redresseur et de sortie et voir ce que vous avez dans les rails positifs et négatifs. Vous devriez avoir la même tension dans les deux, et cela devrait être similaire à ce que vous avez calculé.
Chargez maintenant l'alimentation avec des résistances d'alimentation. Commencez avec une faible consommation d'énergie (environ 20 W) et observez attentivement les MOSFET, les redresseurs et le transformateur pour vous assurer qu'ils ne chauffent pas. Regardez également le courant tiré de l'alimentation 12V. La puissance (V x I) ne devrait être que légèrement supérieure à celle de la charge de sortie. (Attendez-vous à une efficacité de 80% ou plus).
Si tout se passe bien, augmentez la charge (diminuez sa valeur de résistance). Les MOSFET devraient se réchauffer après un certain temps avec des charges lourdes (environ 100 W), et l'efficacité devrait rester élevée (toujours supérieure à 75-80%).

Lorsque vous êtes certain que tout fonctionne comme prévu, vous pouvez procéder à la connexion au câblage électrique de la voiture (voir le paragraphe «Procédures d'installation»). La première fois, vous remarquerez une étincelle due à la charge soudaine du grand condensateur d’entrée, à moins que vous ne connectiez une résistance en série en premier (très bonne pratique) pour lui permettre de charger lentement puis de le retirer pour un fonctionnement normal.

Procédures d'installation

Pour votre voiture et votre propre sécurité, il est TRÈS IMPORTANT que vous accordiez une attention particulière à l'installation de l'alimentation (et de l'amplificateur) dans votre voiture. Voici quelques recommandations que tout le monde devrait suivre attentivement:

L'approvisionnement DOIT être pris directement de la batterie, pas à la radio ou aux autres câbles + 12V, car vous allez simplement les souffler ou les brûler, avec un risque d'incendie dans la voiture. Le fil d'alimentation doit avoir une section suffisante, d'au moins 5 mm de diamètre (à l'exclusion du couvercle en plastique).
Un fusible DOIT être connecté en série avec le fil d'alimentation, le plus près possible de la batterie. En cas de collision, le fil peut être court-circuité au châssis et provoquer un incendie. Ce n'est pas une blague! La batterie peut fournir plus de 300 A pouvant brûler pratiquement n'importe quoi en une fraction de seconde.
La première connexion que vous devez faire avec l’ampli est la masse, et celle-ci doit être fermement vissée au châssis de la voiture aussi près que possible de l’amplificateur avec un fil épais. Notez que si vous connectiez, par exemple, les câbles de signal RCA en premier, puis le câble de + 12V, les condensateurs d’entrée essaieraient de charger le retour à la terre via les câbles audio, endommageant éventuellement le préamplificateur de l’unité principale.

Régulation de l'alimentation

Le projet lui-même a une excellente régulation de charge, et la tension des rails est presque uniquement déterminée par le rapport de rotation, mais il a une régulation de ligne zéro (en gros, il multiplie simplement la tension d'entrée par le rapport de tour). problème dans une voiture où la tension de la batterie reste essentiellement constante.

Si les tensions de sortie obtenues sont très élevées et que vous ne pouvez pas (ou ne voulez pas) modifier les enroulements, vous pouvez utiliser la régulation pour les abaisser un peu. Par exemple, j'utilise un transformateur 3: 1 qui donnerait environ +/- 38V sans régulation, ce qui est inacceptable pour que mes étages LM3886 soient sûrs, donc j'ai régulé à +/- 26V. Les MOSFET souffriront davantage, cependant, ne réglez l’alimentation que si cela est strictement nécessaire.

Vous pouvez installer le potentiomètre de rétroaction et le régler de manière à avoir une tension de référence nulle pour désactiver la régulation ou augmenter sa valeur pour réguler à la tension souhaitée.

REMARQUE: La régulation fonctionnera mieux avec les inducteurs de sortie situés entre les diodes de redressement et les condensateurs de sortie. 10 à 100 μH avec un noyau de poudre de fer et au moins un courant nominal de 8A seront adéquats. (Je ne les utilise pas et mon approvisionnement fonctionne de manière fiable, même si je ne le mets jamais aux limites de puissance). Vous pouvez également améliorer la sécurité en mettant en parallèle davantage de MOSFET, afin que le courant qui les traverse soit partagé. Cela améliore également un peu l'efficacité, car le nombre total de Rds (on) est réduit.

Obtention de +/- 12V du SMPS pour les préamplificateurs

Si vous avez besoin d'alimenter des opamps pour un crossover, un égaliseur ou un préamplificateur, vous pouvez obtenir une symétrie de +/- 12V (par exemple) sur les rails d'alimentation principaux, simplement avec une résistance, un zener et un condensateur. (voir figure 1 du projet 27). N'oubliez pas d'utiliser des résistances 1 ou 2W et des diodes Zener. Vous pouvez en obtenir environ 25 à 50 mA sans problème.

Information additionnelle

Le matériel suivant provient d'ESP - il existe des suggestions et des informations supplémentaires, ainsi qu'une version simplifiée du SMPS.

Bien que ma version du commutateur soit simplifiée, cela ne signifie pas que la performance est inférieure à celle de Sergio, mais est le résultat de mes propres expériences et tests. Nous sommes peut-être de l'autre côté de la planète, mais la collaboration a été considérable pendant le développement de l'offre, et j'ai construit et testé la version ci-dessous.

MOSFET et Runaway Thermique

Il a été affirmé que les MOSFET sont immunisés contre les emballements thermiques, car ils ont un coefficient de température positif pour leur résistance à la mise sous tension. Bien que cela puisse être partiellement vrai pour un amplificateur de puissance de classe AB, il est complètement faux pour une alimentation de commutation.

Par exemple, une poussée push SMPS utilisant un MOSFET IRF540 un côté attire 30A à pleine charge. Si nous vérifions la fiche technique, nous constatons que Rds (on) est à 0,044 Ohm (44 millohms) à 25 ° C, alors nous savons qu'il générera

P = I² x R = 30² x 0,044 = 900 x 0,044 = 39 W crête (par transistor).

À 50 degrés (ce qui n'est pas rare dans une voiture qui a été au soleil pendant un certain temps), Rds (on) sera environ 1,25 fois la valeur à 25 ° C (cela provient de la fiche technique), ou 0,055 ohms. La dissipation de puissance sera désormais de 49W, de sorte que le dissipateur thermique doit disposer de plus de chaleur. Nous pouvons garantir que la chaleur supplémentaire provoquera une augmentation de la température du dissipateur thermique, ce qui augmentera le Rds (activé), ce qui rendra le dissipateur plus chaud, et - BANG.

En vous assurant que vous utilisez des périphériques parallèles et un bon dissipateur thermique, vous en réduirez considérablement la probabilité. Deux MOSFET partageant la charge dissiperont 1/4 de la puissance (chacun) d'un seul périphérique et auront également une résistance thermique inférieure au radiateur. Le coefficient de température positif du MOSFET Rds (on) garantit que le partage de courant est efficace sans avoir besoin d'équilibrer les résistances (utilisées dans les étages de sortie de l'amplificateur de puissance).

P = I² x R = 15² x 0,044 = 225 x 0,044 = 9,9 W crête (par transistor) - 19,8 W pour les deux

La puissance affichée par transistor est le pic - la puissance moyenne réelle (par appareil) est la moitié de celle calculée. La puissance totale dissipée par les deux transistors (ou ensembles de transistors dans le cas de dispositifs en parallèle) est la valeur totale affichée, car lorsqu'un dispositif est activé, l'autre est éteint et inversement.

Naturellement, la dissipation maximale ne se produira qu'au maximum (continu) de la puissance de l’amplificateur - les exigences réelles sont généralement un peu moins élevées. Cependant, il est essentiel que la conception permette une dissipation continue dans le pire des cas.

Je vous recommande fortement de faire les calculs vous-même et de vous assurer que vous comprenez les implications.

Règlement

Normalement, on peut s'attendre à une régulation comme le montre la figure 1, cependant, l'utilisation de l'entrée de retour du circuit intégré du contrôleur dépend trop fortement de l'impédance des lignes d'alimentation CC. Normalement, des inducteurs de sortie sont utilisés (avec une diode «flyback» supplémentaire) pour fournir une largeur d'impulsion au convertisseur de tension. La majorité des systèmes commerciaux semblent utiliser un convertisseur non réglementé. Je considère donc que cela sera tout à fait acceptable dans la pratique. Les tests effectués jusqu'ici ont montré qu'avec une charge d'environ 150 Watts, la régulation dépendait presque entièrement de la chute de tension dans la ligne d'alimentation!

En plus d'être non régulé, il y a quelques autres changements dans le circuit. R8 (100 Ohms) est connecté entre le condensateur de synchronisation et les broches de décharge du circuit intégré du contrôleur. Cela introduit un "temps mort" où les deux sorties sont désactivées, et cela pour garantir que les paires MOSFET de puissance ne peuvent jamais être allumées en même temps - si cela se produit, un courant très important circulera (même si seulement une microseconde ou moins). Comme je n'ai pas utilisé les transistors de commutation supplémentaires et utilisé des résistances de grille de valeur supérieure, le temps mort est important.

J'ai également augmenté la fréquence de commutation. Comme montré, l'oscillateur interne fonctionne à environ 50 kHz (mon prototype fonctionne à 54 kHz), où l'original de Sergio a été conçu pour la commutation à 35 kHz. La différence est déterminée par la résistance sur la broche RT du contrôleur, dans mon cas, 12k.

La réglementation rendra évidemment le circuit beaucoup plus compliqué et, comme indiqué ci-dessus, ma version n'est pas réglementée. Cela permettra de maintenir une efficacité maximale et de réduire la dépendance vis-à-vis des condensateurs de filtrage de sortie - ils sont efficacement alimentés en courant continu presque pur à partir du redresseur à toutes les charges. Des condensateurs de filtrage relativement petits peuvent être utilisés, et la sortie sera tout à fait propre.

Sans surprise, le taux de rotation est très important si la régulation n'est pas utilisée. Supposez une tension d'entrée de 12V pour tenir compte des pertes. Pour obtenir +/- 24V, le rapport de tours est de 1: 2 - pour chaque tour du primaire, il y aura 2 tours sur le secondaire. C'est la même chose que la description de Sergio, et les mêmes règles s'appliquent. Contrairement à un transformateur secteur normal fourni avec une onde sinusoïdale, la forme d'onde de commutation est une onde carrée, de sorte que les valeurs de crête et de valeur efficace sont les mêmes (en d'autres termes, il n'y a pas de conversion 1.414). Le problème, c'est que la tension de 12 V à pleine charge sera de 13,8 V sous une charge légère ou normale, de sorte que la tension sera plus élevée que prévu. En utilisant le même transformateur que ci-dessus (rapport 1: 2 tours), la tension de sortie à vide sera de 27.

Figure 9 - Version simplifiée de l'alimentation de commutation

Comme le transformateur est relativement facile à enrouler, il n'est pas difficile de le démonter et d'ajouter (ou de retirer) les tours secondaires pour obtenir la tension correcte. Mon prototype de transformateur utilisait 5 + 5 tours pour le primaire, et j'ai utilisé 3 brins de fil de bobinage de 0,8 mm torsadés. Il y a beaucoup d'espace dans le noyau recommandé, il serait donc facile d'utiliser 5 brins au lieu de moins.

Notez que dans la figure ci-dessus (Fig. 9), les conducteurs lourds montrés présentent un courant important et doivent être dimensionnés en conséquence. Je ne recommande pas l'utilisation de traces de PCB, car le courant impliqué est simplement trop élevé. Étant donné que la densité de courant suggérée pour les pistes de circuit imprimé est de 4,0A pour une piste de 100 '' (0.1 "ou 2.54 mm), pour 30A vous avez besoin d'une piste de 0,75" (19 mm) de largeur! Ceci est difficile à adapter à n'importe quelle carte imprimée.

J'ai également éliminé le relais, mais au prix d'un petit courant lorsque l'unité ne fonctionne pas. Le SG3525 est équipé d'une broche d'arrêt à cet effet. Un signal provenant de l’ampli micro distant activera Q1 et supprimera le signal d’arrêt du contrôleur. Il se comporte exactement de la même manière que si de l'énergie venait juste d'être appliquée, et l'unité fonctionnera complètement en environ 2 secondes ou moins. La vidange actuelle lorsqu'elle est désactivée sera d'environ 1 à 2 mA - beaucoup moins que l'horloge de la voiture. La décharge de batterie ne se produira pas à cause de ce très petit courant, qui peut être ignoré comme insignifiant. N'hésitez pas à utiliser le relais si vous préférez, connecté comme le montre la figure 1.

Construction

Je recommande d'utiliser un noyau de ferrite EDT39. Ils sont faciles à enrouler et peuvent produire environ 350W. Gardez à l'esprit que cela représente un courant de batterie considérable à pleine puissance, de l'ordre de 30 à 35 ampères! Des enroulements de transformateur lourds et des câbles d'alimentation sont essentiels, et le filtre d'entrée doit pouvoir supporter ce courant sans saturer le cœur.

Le premier pour ces noyaux est plutôt grand et vous pouvez décider de couper complètement les sections de montage. Rappelez-vous que le transformateur doit être monté d'une manière ou d'une autre, alors je suggère que vous ayez un plan. A ce stade, j'ai seulement expérimenté et je n'ai pas de plan.

Tous les commentaires précédents de Sergio s'appliquent à cette version, alors assurez-vous de bien lire son matériel. Je ne propose pas de reprendre les mêmes instructions puisque Sergio a déjà fait un excellent travail.

Test de prototype

J'ai effectué quelques tests initiaux, mais je n'ai pas encore connecté les condensateurs de pont et de sortie. Avec ce qui devait être 12 + 12 tours sur le secondaire, j'ai obtenu une forme d'onde convenablement propre avec un certain dépassement avec le secondaire déchargé. La tension de sortie était d'environ 38V crête, donc j'ai évidemment eu un tour de plus que ce que je pensais (la tension d'entrée était de 14V DC). Je ne saurais trop insister sur le fait que le processus de bobinage est essentiel au succès de votre transformateur, et vous devriez vous attendre à quelques tentatives avant que vous ne le trouviez exactement. Le petit nombre de tours nécessaires rend cela beaucoup plus facile que ce ne serait le cas autrement.

Au cours de mes tests, mon alimentation et ma charge sont devenues très chaudes, mais les MOSFET (j'ai utilisé des IRF540) sont restés frais, même s'ils étaient montés sur un dissipateur thermique assez petit posé sur mon établi. Cela indique que les exigences de dissipation thermique sont facilement réalisables, mais cela ne signifie pas que vous pouvez être laxiste avec le montage. Mon transformateur est également resté froid, aucun signe de noyau ou d'enroulement ne devenant encore plus chaud. Cela doit être considéré comme un objectif de conception. Même le plomb que je portais à ma charge devenait chaud, donc la puissance était vraiment réelle!

Vous aurez besoin d'un oscilloscope (ou du moins d'un accès à un oscilloscope) ou le projet sera beaucoup plus difficile à construire et à tester. Une telle conception repose sur des mesures minutieuses et sur un soin particulier pour s’assurer qu’elle fonctionnera comme prévu. Essayer ceci sans un oscilloscope n'est pas recommandé.

Notez s'il vous plaît:

Ce projet a déjà créé beaucoup plus de questions par courrier électronique que ce que je souhaitais ou attendais. Pour tous ceux qui envisagent de faire cette offre ... vous êtes essentiellement seul . Je ne peux pas (et ne vais pas ) être entraîné dans de longs échanges de courrier électronique si vous ne pouvez pas faire fonctionner le ravitaillement.

Que cela fonctionne si construit comme décrit est certain, que vous serez en mesure d'atteindre les mêmes résultats n'est pas. Si vous ne possédez pas (ou du moins avez accès à) un oscilloscope, ne pensez même pas à essayer de fournir l’alimentation, car il ne sera pas possible de s’assurer que le cycle de fonctionnement du contrôleur est exactement de 50%, ou que il n'y a pas de dépassement grave ni de sonnerie à la sortie.

Merci de ne pas m'envoyer d'e-mails demandant de l'aide. Je vais simplement vous référer à ce paragraphe - je ne peux pas diagnostiquer vos problèmes par courrier, et ne sera même pas essayer. Il appartient entièrement au constructeur de déterminer ses capacités avant de commencer.

La construction de toute source de commutation comporte des difficultés, des risques (y compris, mais sans s'y limiter, l'électrocution!) Et des problèmes à résoudre. Ils ne sont pas simples (malgré les apparences) ou faciles, et il y a beaucoup de choses qui peuvent mal tourner. Si vous n'êtes pas sûr à 100% que vous comprenez les problèmes, faites-vous plaisir et construisez quelque chose à la place.

Posté par th4002 à 16:16 - Commentaires […] - Permalien [#]

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