dsPIC30F2020 Dijital D Sınıfı Subwoofer Amplifikatör TC4427A MCP6022

Günümüzde hemen hemen her evde bir ev sinema sistemi mevcuttur. Fiyat aralığı çok geniştir – 100 dolardan on binlerce dolara. Genellikle, düşük veya orta uçlu bir sistemin subwoofer’ı küçüktür, bu nedenle düşük frekanslarda makul yanıt elde etmek için portlu tasarıma sahip olması gerekir. Filmler için bu uygun görünüyor, çünkü efektler için subwoofer kullanılıyor. Ancak müzik çalmak için portlu tasarım bir problemdir – kapalı kutuya göre daha fazla toplam harmonik bozulmaya (THD) ve grup zaman gecikmesine sahiptir.

Nispeten küçük bir kapalı kutu subwoofer’da iyi bir bas tepkisi elde etmek için, hoparlör sürücüsü genellikle yüksek THD’ye sahip olduğu yerlerde sınırlarını zorlar. Bu projede, konuşmacının bozulmalarını azaltmak ve aynı zamanda bas tepkisini genişletmek için çok ilginç bir yaklaşım kullanılmıştır. Çift bobinli bir hoparlör sürücüsü kullanılıyor ancak bobinlerden yalnızca biri güç amplifikatörüne bağlı – diğeri elektromotor geri beslemesi için kullanılıyor.

Bu yöntem yeni değildir, ancak ayarlanması gereken birçok parametre nedeniyle saf analog dünyada uygulanması zordur. Daha kolay deneme ve ayarlama için bir dsPIC30F2020 cihazı kullanılır. Geri besleme için yalnızca Oransal-İntegral-Türev denetleyicisi uygulamakla kalmaz, aynı zamanda güçlü SMPS denetleyicisi ve ADC sürücüleri ile subwoofer için bir ClassD amplifikatörü kullanır! “Dijital” amplifikatör olarak da adlandırılan bu tip amplifikatör, güç transistörlerini anahtarlama modunda sürmek için darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanır.

Ana fayda, ClassAB güç amplifikatörüne kıyasla kayıpların çok küçük olmasıdır. Dağıtılan ısı ve daha fazla güç, yalnızca küçük soğutucular kullanılarak hoparlör sürücüsüne aktarılabilir. Yarışma için bonus parçalardan ikisi kullanıldı – çift MOSFET sürücüsü TC4427A (burada hızlı seviye değiştirici için kullanılır) ve çift düşük gürültülü işlemsel amplifikatör MCP6022 (giriş ve geri besleme sinyali amplifikasyonu ve filtreleme için kullanılır). Ayrıca tasarım sürecini kolaylaştırmak için ICD2 programlayıcı ile birlikte 28 pinli Starter Board kullanılmıştır.

Şekil 1 Projenin şematik blok diyagramı

Operasyon teorisi

Bu temayla ilişkili pek çok formül vardır, ancak bunlar yaygın olarak bulunduğundan burada sunulmamıştır. Yine de bazı önemli noktaların söylenmesi gerekiyor:

1. Kapalı kutu subwoofer ses basıncı seviyesi (SPL) düşük frekanslarda 12dB/oct azalır.

2. Kapalı kutunun hacmi ne kadar yüksekse, hoparlör kutusu sisteminin rezonans frekansı, hoparlörün açık bölme rezonans frekansına o kadar yakındır

3. İkinci ses bobini voltajı, koni hızıyla orantılı olacak şekilde 2. sıra filtre tarafından işlenmelidir.

Bunları akılda tutarak, işlem teorisi kolayca anlaşılabilir:

Giriş ses sinyali yükseltilir ve ardından dsPIC’in ADC’si tarafından dijitalleştirilir. Bu bir subwoofer olduğundan, sinyal bazı frekanslardan daha yüksek içermemelidir (burada 150Hz seçilmiştir). Bu, Dijital Düşük Geçişli FIR Filtresi tarafından sağlanır. Bu filtrenin çıkışı, subwoofer’ın ses olarak vereceği sinyaldir. Bu sinyalin dsPIC içinde de gerçekleştirilen dijital PID denetleyicisinin ayar noktası olmasının nedeni budur.

PID denetleyicisi için geri besleme, bir analog bant geçiren filtre aracılığıyla pasif bobinden dijitalleştirilmiş voltajdır. Bu voltaj, hoparlörün konisinin hızıyla orantılıdır.

PID denetleyicisinin çıkışı, dsPIC30F2020 içindeki SMPS denetleyicisinin bir parçası olan PWM’yi çalıştırır. PWM ve ADC modüllerinin çok yüksek çalışma frekansları, gürültüsüz ClassD amplifikatöre ve hızlı ve doğru kontrol döngüsüne olanak tanır. Amplifikatörün güç bölümü, iki aşamalı sürücüler tarafından sürülen MOSFET’lerle oluşturulmuştur.

Donanım şunlardan oluşur:

• Şebeke trafosu ve AC-DC dönüştürücü
• Yüksek güçlü köprü anahtarlama devresi
• MOSFET sürücüleri
• MOSFET sürücüleri için seviye değiştirici
• Lineer voltaj regülatörü +15V
• Lineer voltaj regülatörü +3,3V
• Geri bildirim için aktif bant geçiren filtre
• Giriş ses sinyali için amplifikatör

Şebeke trafosu, AC-DC dönüştürücü ve filtre kondansatörleri ile birlikte H-Bridge devresinin hoparlörü çalıştırması için gerekli kararlı voltajı sağlar. Cihazda bulunan yüksek frekanslı gürültüleri filtrelemek için birkaç seramik kapasitör kullanılır.

Güçlü H-Bridge, N-MOSFET IRFP640 ile üretilmiştir. Anahtarlama sırasında kapılarındaki kayıpları azaltmak için kapı devrelerinde sakinleştirme diyotları kullanılır. Negatif polariteye karşı koruma sağlamak için drenaj ve kaynak arasında başka diyotlar kullanılır (tipik olarak endüktif yükleri sürerken). Hoparlöre bağlantı, anahtarlama frekansını (200KHz) ortadan kaldırmak için kullanılan LC düşük geçiş filtresiyle yapılır.

Nowadays, a home cinema system is present is almost every household. Their price range is very wide – from $100 to tens of thousands of dollars. Usually, the subwoofer of a low or middle end system is small so it needs to be with ported design to achieve reasonable response in low frequencies. For movies this seems to be allright, because the subwoofer is used for effects. For playing music, though, the ported design is a problem – it has greater total harmonic distortions (THD) and group time delay than the closed box.

To have good bass response in a relatively small closed box subwoofer, speaker driver is usually pushed to its limits where it has high THD. In this project one very interesting approach is used for reduce the distortions of the speaker and also to extend its bass response. A dual coil speaker driver is used but only one of the coils is connected to the power amplifier – the other is used for electromotive feedback. This method is not new, but is difficult to implement in pure analogue world because of the many parameters that have to be tuned. For easier experimenting and tuning, a dsPIC30F2020 device is used. It not only implements a Proportional-Integral-Derivative controller for the feedback, but with its powerful SMPS controller and ADC drives a ClassD amplifier for the subwoofer! This type of amplifier, called also “digital” amplifier uses pulse-width modulation (PWM) to drive power transistors in switching mode.