مهندسان با چالش‌های هسته فریت در طراحی تقویت‌کننده کلاس D مقابله می‌کنند

در جستجوی کیفیت صوتی استثنایی و کارایی در طراحی تقویت کننده کلاس D ، محرک های قدرت نقش محوری ایفا می کنند.این چالش به ویژه هنگام کار در باند های فرکانس گسترده (62kHz تا 500kHz) شدید می شود.، جایی که انتخاب هسته فیریت بهینه برای دستیابی به 150μH استحکام در حالی که جلوگیری از اشباع در زیر قدرت بالا، یک مانع فنی قابل توجهی برای علاقه مندان DIY است.

The working principle of Class D amplifiers dictates that their output filters—typically composed of inductors and capacitors—must efficiently eliminate high-frequency switching noise while accurately transmitting audio signalsبرای یک سیستم طراحی شده برای ارائه قدرت خروجی 900W که بار 4 اوم را با منبع برق ± 85VDC هدایت می کند،محرک خروجی نه تنها باید به مقدار نامی 150μH برسد بلکه باید در حالی که ویژگی های کم از دست را در محدوده فرکانس های مشخص شده حفظ می کند، به جریان های اوج قابل توجهی نیز مقاومت کند..

انتخاب هسته مناسب فریت اولین گام مهم است. مواد رایج مانند 3F3، 3E1 و 4C6 نفوذ پذیری متفاوت، ویژگی های از دست دادن،و تراکم جریان اشباع (Bsat) در فرکانس های مختلفکاربردهای پهن باند از 62kHz تا 500kHz به موادی نیاز دارند که در فرکانس های بالاتر از دست دادن کم را حفظ می کنند در حالی که چگالی جریان اشباع کافی را ارائه می دهند.

در حالی که هسته های برند برتر مانند Amidon ممکن است در ابتدا جذاب به نظر برسند، هزینه های بالای آنها اغلب آنها را برای پروژه های DIY غیر عملی می کند.جایگزین های مقرون به صرفه تر از تولید کنندگان مانند Ferroxcube ممکن است با چالش های در دسترس بودن روبرو شونداین باعث می شود که هسته های فرریت پیش از فاصله ای از EPCOS / TDK، به ویژه سری ETD آنها، یک گزینه جذاب باشند. این هسته ها دارای شکاف های هوایی طراحی شده هستند که توانایی انحراف DC را افزایش می دهند.جلوگیری از اشباع زودرس تحت جریان های آفست DC.

حثیت (L) رابطه پیچیده ای با نفوذ هسته (μ) ، ناحیه برش متقابل (Ae) ، تعداد چرخش ها (N) و طول شکاف هوا (lg) دارد.هسته های فرایت دارای نفوذ اولیه بالا هستند (μi)، اما دستیابی به نفوذ قابل توجهی در جریان های DC بالا به طور معمول نیاز به معرفی یک شکاف هوا با دقت محاسبه شده دارد.این شکاف نفوذ موثر را کاهش می دهد در حالی که به طور چشمگیری توانایی ضد اشباع را بهبود می بخشد.

برای یک سیستم ۹۰۰ وات که بار ۴ اوم با ±۸۵VDC را هدایت می کند، محاسبات جریان اوج ضروری می شوند. فرض بر این که سیگنال های صوتی سینوسایدال در حداکثر قدرت خروجی باشند، جریان اوج تقریباً به ۷.۵A می رسد.فاکتورگذاری در ازای سوئیچ و جریان های موج دار باعث افزایش جریان های اوج واقعی می شودانتخاب هسته نیاز به محاسبه ارزش AL مورد نیاز بر اساس جلب هدف و تغییرات چگالی جریان مجاز دارد.

هسته های ETD49، با Ae سخاوتمندانه و طول مسیر مغناطیسی (lm) ، فضای کافی برای پیچ و خم فراهم می کنند در حالی که کنترل دقیق AL را از طریق شکاف های هوا تنظیم می کنند.داده های تجربی نشان می دهد که حدود 30 چرخش با استفاده از سیم لیتز یک رسانای رشته ای تخصصی است که از دست دادن پوست با فرکانس بالا و اثر نزدیکی را به حداقل می رساند.

انتخاب هادی نیز به همان اندازه مهم است. عملکرد فرکانس بالا باعث ایجاد اثر پوست (تکان جریان در سطوح هادی) و اثر نزدیکی (تفاعل بین هادی های مجاور) می شود.سیم لیتز این مسائل را با توزیع جریان در میان رشته های عایق متعدد در الگوهای خاص ترتیب می دهد، کاهش قابل توجهی از تلفات فرکانس بالا و بهبود فاکتور Q induktor.

انتخاب گج سیم باید مقاومت DC (که بر کاهش قدرت تاثیر می گذارد) را با اثر پوست (که نیاز به قطر مطلوب دارد) متعادل کند. برای کاربردهای 900W، ظرفیت حمل جریان اولویت دارد،با عایق قادر به تحمل ولتاژ های عملیاتی. پیچ و تاب چند لایه ای کمک می کند تا به هدف جذب در حالی که به حداکثر رساندن استفاده از پنجره هسته ای.

پیاده سازی های واقعی DIY اغلب با مشکلات غیر منتظره روبرو می شوند. تلاش های اولیه با استفاده از هسته های RM14 با شکاف های هوا با نوار کاغذی، در حالی که رسیدن به 150μH،در حال حاضر در حال حاضر در حال شکست در زیر قدرت بالا افزایشضخامت نامتعادل نوار کاغذی و بی ثباتی در شرایط فرکانس بالا و جریان بالا منجر به اشباع هسته شد و در نتیجه به IC های راننده (مانند IR2110) و MOSFET های قدرت آسیب رسید.

این شکست ها اهمیت اساسی طراحی شکاف هوا را نشان می دهد. ثبات شکاف، یکنواخت و تأثیر بر عملکرد اصلی نیاز به ارزیابی دقیق دارد.هسته های پیش ساخته شده تجاری یا شکاف های دقیق در یوغ های هسته ای راه حل های قابل اطمینان تری را ارائه می دهند.

طراحی دقیق محرک نیاز به محاسبات سیستماتیک دارد:

• تخمین حداکثر و اوج جریان از ولتاژ تغذیه، مقاومت بار و قدرت هدف
• محاسبه مقدار AL مورد نیاز بر اساس مقادیر هدف و تغییرات چگالی جریان مجاز
• بررسی محدودیت های اشباع هسته با استفاده از Bsat و طول مسیر مغناطیسی

به عنوان مثال، با ΔB محدود به 0.1T، AL از L = AL × N2 / 109 مشتق می شود. همزمان، ΔB = (μ0 × N × I_peak) / lm خطر اشباع را بررسی می کند، که در آن μ0 نفوذ خلاء را نشان می دهد.این محاسبات انتخاب مناسب هسته و ابعاد شکاف را هدایت می کنند..

طراحی محرک های خروجی برای تقویت کننده های کلاس D یک چالش مهندسی چند وجهی است که نیاز به بررسی دقیق مواد اصلی، ابعاد، اجرای شکاف هوا،تکنیک های پیچ و تاباز طریق محاسبات دقیق و تجربه عملی، طراحان DIY می توانند بر این چالش ها غلبه کنند تا تقویت کننده های کلاس D با عملکرد بالا و قابل اعتماد را ایجاد کنند.هسته های پیش ساخته شده تجاری در ترکیب با پیچ های سیم لیتز به عنوان راه حل های موثر برای دستیابی به این اهداف ظاهر می شوند.