Class D 400W Amplifikatör Devresi

400W Class D amplifikatör devresi, yüksek çıkış gücünü verimli çalışan MOSFET anahtarlama katıyla elde etmek isteyenler için hazırlanmış güçlü bir ses projesidir. Şema, LM311H karşılaştırıcı, IR2110 MOSFET sürücü entegresi ve IRFP250 çıkış MOSFET’leri üzerine kuruludur. 4 Ohm hoparlörde yüksek güç hedeflenir; buna karşılık besleme, PCB yerleşimi ve çıkış filtresi dikkat ister.

Class D 400W Amplifikatör Devresinin Temel Yapısı

Devre klasik A sınıfı, AB sınıfı veya tamamen lineer çalışan bir güç amplifikatörü değildir. Ses sinyali doğrudan büyük transistörlerle lineer olarak yükseltilmez; önce PWM benzeri darbeli bir yapıya dönüştürülür, ardından MOSFET güç katı bu darbeleri yüksek akım ve yüksek gerilim seviyesinde anahtarlar.

Çıkıştaki LC filtre, anahtarlama bileşenlerini süzerek hoparlöre ses sinyaline karşılık gelen ortalama enerjiyi verir.

Bu yapı sayesinde teorik ve pratik verim lineer amplifikatörlere göre çok daha yüksektir. Verilen projede verim yaklaşık %93 olarak belirtilmiştir.

Bu değer, aynı güçteki lineer amplifikatörlere kıyasla daha az ısı anlamına gelir; yine de IRFP250 MOSFET’lerin soğutucusuz bırakılması doğru değildir.

Yüksek güçte kısa süreli testlerde bile MOSFET, bobin ve besleme kondansatörleri ciddi şekilde ısınabilir.

Benzer güç seviyelerinde farklı topolojileri karşılaştırmak isteyenler için Class D amplifikatör projeleri iyi bir referans oluşturur.

Lineer yapıları incelemek isteyenler ise 100W 300W 500W transistörlü amfi devreleri ile bu tasarım arasındaki verim, soğutma ve besleme farklarını daha net görebilir.

Class D 400W amplifikatör ana devre şeması

Şemadaki Ana Bloklar

Devre birkaç ana bölümden oluşur. Giriş katı ses sinyalini alır ve karşılaştırıcı katına uygun hale getirir.

LM311H, ses sinyali ve geri besleme etkisiyle darbeli kontrol sinyalini oluşturur.

Q1, Q2, Q3 ve Q4 transistörleri bu sinyali IR2110 sürücü entegresine uygun seviyeye taşır.

IR2110 ise üst ve alt MOSFET’i sürerek yarım köprü güç katını çalıştırır.

Giriş ve Geri Besleme Bölümü

Audio In girişinden gelen sinyal C9 kondansatörü üzerinden AC kuplajla devreye alınır.

R10, R7, R14 ve C10 çevresindeki elemanlar giriş seviyesinin ve yüksek frekans davranışının kontrolünde görev yapar.

R1, R2 ve C1 hattı ise çıkıştan gelen geri besleme karakterini belirleyen kritik kısımlardan biridir.

Bu bölümde yapılacak gelişigüzel değer değişiklikleri, osilasyon frekansını, distorsiyonu ve kararlılığı doğrudan etkileyebilir.

LM311H Karşılaştırıcı Katı

Şemada LM311H kullanılmıştır. Bu eleman çoğu zaman opamp gibi anılsa da pratikte burada karşılaştırıcı görevi görür.

Class D yapıda amaç, ses sinyalini doğrudan lineer olarak büyütmek değil, MOSFET sürücünün anlayacağı hızlı darbeli kontrol sinyalini oluşturmaktır.

LM311H için ayrı +3V ve -3V yardımcı besleme üretilmiştir. Bu düşük gerilimli simetrik besleme, giriş ve karşılaştırma katının kararlı çalışması açısından önemlidir.

Besleme hattındaki 3V zener diyotlar ve filtre kondansatörleri bu nedenle devrenin küçük ama kritik parçalarıdır.

IR2110 MOSFET Sürücü Katı

IR2110, yüksek taraf ve düşük taraf MOSFET sürmek için kullanılan bir gate sürücü entegresidir.

Class D amplifikatörlerde MOSFET kapıları doğrudan karşılaştırıcı çıkışından sürülemez; çünkü gate yükünün hızlı doldurulup boşaltılması gerekir.

Gate geç açılır veya geç kapanırsa MOSFET daha uzun süre lineer bölgede kalır, ısınır ve verim düşer.

D1, D3, C5, C6 ve C7 çevresindeki elemanlar sürücü katının anahtarlama davranışı için önemlidir.

Özellikle bootstrap hattındaki diyot ve kondansatörlerin hızlı anahtarlamaya uygun seçilmesi gerekir. Standart yavaş diyotlar bu noktada sorun çıkarabilir.

IRFP250 MOSFET Güç Katı

M1 ve M2 olarak gösterilen IRFP250 MOSFET’ler yarım köprü yapısında çalışır. Besleme rayları +57V ve -57V olarak verilmiştir.

MOSFET’lerin orta noktası, LC çıkış filtresine gider. Bu nokta yüksek frekanslı ve yüksek akımlı anahtarlama düğümüdür; PCB üzerinde kısa, geniş ve düşük endüktanslı yollarla taşınmalıdır.

R4 ve R12 gate dirençleri MOSFET’lerin anahtarlama hızını ve gate salınımlarını kontrol eder. Değerleri çok düşürmek parazit salınımı artırabilir; çok yükseltmek ise anahtarlamayı yavaşlatıp ısıyı artırabilir.

C2-R5 ve C8-R13 çevresindeki elemanlar, MOSFET anahtarlama düğümlerindeki ani gerilim değişimlerini bastırmaya yardımcı olan sönümleme elemanları gibi değerlendirilmelidir.

Çıkış Filtresi ve Hoparlör Bağlantısı

L1 bobini 30µH olarak verilmiştir. Çıkıştaki polyester kondansatör ile birlikte düşük geçiren filtre oluşturur.

Bu filtre, MOSFET’lerin ürettiği yüksek frekanslı anahtarlama bileşenlerini hoparlöre gitmeden önce bastırır.

Buradaki bobin sıradan küçük sinyal bobini değildir; yüksek akıma dayanmalı, nüvesi doymamalı ve mümkün olduğunca düşük seri dirence sahip olmalıdır.

Hoparlör 4/8 Ohm olarak gösterilmiştir. 4 Ohm yükte akım çok daha yüksek olacağı için besleme trafosu, köprü diyot, sigorta, MOSFET soğutması ve çıkış bobini daha fazla zorlanır.

Çıkış filtresinin çalışma mantığı, ses sistemlerinde kullanılan pasif crossover devreleri ile karıştırılmamalıdır; burada amaç hoparlör frekans bölme değil, anahtarlama frekansını süzmektir.

Class D 400W amplifikatör PCB yerleşim çizimi

Besleme Katı: ±57V ve Yardımcı Gerilimler

Amplifikatör ana güç katı için simetrik +57V, GND ve -57V besleme kullanır. Besleme şemasında 220V AC girişli transformatörün 43V AC / 7A çift sekonder çıkışı köprü diyotla doğrultulur.

Doğrultma sonrası iki adet 10000µF / 100V kondansatör ile simetrik DC hat elde edilir.

+57V ve -57V hatlarında 6.3A sigorta kullanılması, kısa devre ve aşırı akım durumlarında hasarı sınırlamak için gereklidir.

Ayrıca 15V AC / 300mA yardımcı sekonderden 7812 ve 7912 regülatörleri ile +12V ve -12V üretilmiştir. Şemadaki nota göre bu bölüm elektronik koruma ve soft start devresi için ayrılmıştır.

Ana amplifikatör kartı yüksek güçlü raylardan çalışırken, koruma ve gecikmeli açılış gibi yardımcı devrelerin ayrı beslenmesi daha kararlı bir yapı sağlar.

Güç kaynağı tarafında çalışanlar için SMPS güç kaynağı tamiri gibi konularda anlatılan izolasyon, kondansatör boşaltma ve ölçüm güvenliği prensipleri burada da geçerlidir. Bu projede trafolu besleme kullanılsa bile ±57V DC hatlar ve 10000µF kondansatörler hafife alınmamalıdır.

Önemli Komponentler ve Görevleri

Bobin, Kondansatör ve PCB Yerleşiminde Kritik Noktalar

Class D amplifikatörlerde çıkış bobini sıradan bir filtre elemanı gibi düşünülmemelidir. L1 üzerinden hoparlör akımı geçer. Bobin tel kesiti yetersiz kalırsa ısınır, seri direnç artar ve çıkış gücü düşer.

Nüve doyguna girerse distorsiyon artabilir ve MOSFET’ler daha fazla zorlanır. Bu nedenle 30µH değerinin yanında akım kapasitesi de dikkate alınmalıdır.

Kondansatörlerde de aynı hassasiyet gerekir. Şemada bazı kondansatörlerin seramik, polyester veya yüksek gerilimli tipte kullanılması özellikle belirtilmiştir.

Bu ayrım rastgele değildir. Gate sürücü, bootstrap ve sönümleme noktalarında düşük ESR, düşük endüktans ve uygun gerilim dayanımı önemlidir.

Yanlış tip kondansatör kullanmak devrenin ilk bakışta çalışmasına rağmen ısınma, parazit veya kararsızlık üretmesine yol açabilir.

PCB çiziminde kart ölçüsü 80.0 x 58.5mm olarak verilmiştir. Bu güç seviyesi için kart oldukça kompakt sayılır. MOSFET akım yolları, besleme girişleri ve çıkış filtresi çevresi geniş bakır alan istemektedir.

IR2110 ile MOSFET gate uçları arasındaki yollar kısa tutulmalı, giriş sinyali ise güç anahtarlama bölgesinden uzak geçirilmelidir.

Ses devrelerinde genel düzen ve proje arşivi için ses devreleri arşivi içindeki farklı tasarımlar da karşılaştırma açısından faydalı olabilir.

Hoparlör Koruması Neden Zorunlu?

Orijinal notta çıkışa elektronik koruma ve soft start eklenmesi önerilir. Bu tavsiye özellikle bu devre için önemlidir.

Çünkü yarım köprü çıkış katında MOSFET arızası, sürücü hatası veya dengesiz besleme durumunda hoparlöre DC bileşen gitme riski vardır.

Yüksek güçlü amplifikatörlerde hoparlör bobini birkaç saniye içinde zarar görebilir.

Bu nedenle amplifikatör çıkışına gecikmeli röle, DC algılama ve mümkünse aşırı akım koruması eklenmelidir. Uygulama mantığı için amplifikatör çıkışındaki DC gerilime karşı hoparlör koruma devresi incelenebilir.

Basit bir röle gecikmesi yalnızca açılış patlamasını azaltır; DC algılama yapılmadığında MOSFET arızasında hoparlörü korumak için yeterli olmayabilir.

İlk Çalıştırma ve Test Önerileri

Devre doğrudan hoparlör bağlıyken tam besleme ile çalıştırılmamalıdır. İlk testte akım sınırlamalı besleme veya seri lamba yöntemi kullanılmalıdır.

Güç katı boşta test edilirken MOSFET gate sinyalleri, IR2110 beslemesi ve yarım köprü orta noktası osiloskopla kontrol edilmelidir.

Osiloskop probunun toprak bağlantısı yanlış noktaya bağlanırsa hem ölçüm cihazı hem de devre zarar görebilir.

Test sırası şu şekilde güvenli ilerler:

• Önce besleme kartında +57V, GND ve -57V hatları hoparlör ve amplifikatör bağlı değilken ölçülmelidir.
• +3V ve -3V yardımcı besleme hattı kontrol edilmeden LM311H takılmamalıdır.
• IR2110 besleme ve bootstrap hattı, MOSFET’ler takılmadan önce mümkünse düşük gerilimle denenmelidir.
• MOSFET gate dirençleri ve yönleri kontrol edilmeli, IRFP250 bacak dizilimi datasheet ile doğrulanmalıdır.
• İlk ses testi düşük giriş seviyesiyle ve mümkünse 8 Ohm test yüküyle yapılmalıdır.
• Gerçek hoparlör bağlamadan önce çıkışta DC gerilim olup olmadığı ölçülmelidir.

Sık Yapılan Hatalar

• Bobini küçük akımlı seçmek: 30µH değerini tutturmak tek başına yeterli değildir. Bobin akımda doymamalı ve ısınmamalıdır.
• Yavaş diyot kullanmak: Gate sürücü ve bootstrap çevresinde yavaş diyotlar anahtarlama kaybını artırabilir.
• Uzun gate yolları bırakmak: IR2110 ile MOSFET gate uçları arasındaki uzun yollar salınım ve parazit üretir.
• Giriş kablosunu güç katından geçirmek: Ses girişi, MOSFET anahtarlama düğümünden uzak tutulmalıdır.
• Koruma devresini atlamak: Yüksek güçlü amplifikatörlerde hoparlör koruması aksesuar değil, güvenlik parçasıdır.
• Kondansatör gerilim değerini düşük seçmek: ±57V hatlarda ve anahtarlama düğümlerinde düşük gerilimli kondansatör kullanmak arızaya yol açar.

Teknik Özet

Güvenlik Notları

Bu proje şebeke gerilimi, yüksek akım ve yüksek enerjili kondansatörler içerir. 10000µF / 100V kondansatörler enerji tutar; devre kapatılsa bile besleme rayları hemen güvenli hale gelmez. Ölçüm yapmadan önce kondansatörlerin boşaldığı doğrulanmalıdır.

220V AC tarafında sigorta, izole trafo, uygun kablo kesiti ve sağlam mekanik montaj şarttır.

Amplifikatör kartı açıkta çalıştırılmamalı, soğutucuların elektriksel izolasyonu kontrol edilmelidir.

MOSFET’ler ortak soğutucuya bağlanacaksa drenç-kılıf bağlantısı ve izole pul kullanımı datasheet bilgisine göre kontrol edilmelidir.

Yüksek güçlü ses projelerinde başarı yalnızca şemayı doğru kurmakla gelmez. Besleme trafosu, PCB bakır kalınlığı, çıkış bobini, soğutma ve hoparlör koruması aynı derecede önemlidir.

Daha fazla güç amplifikatörü alternatifi için 200W 500W amplifikatör projeleri de karşılaştırmalı olarak incelenebilir.

Kaynak: kesatnet.com (kapalı)