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22/09/2009 #1


Amplificador HighEnd Clase D de 25W a 1250Wrms sólo con 2 MosFets N
He aquí la próxima encarnación de un amplificador UCD, pero esta vez sólo con mosfets canal N, escalable de 25Wrms (o menos) a 1250Wrms) ... ! -- Esta vez, estamos aprovechando, que al menos , acá en Argentina, el IR2110 se está consiguiendo a buen precio, y eso hace posible no volverse loco con drivers de mosfet discretos, y usar sólo mosfets canal-N... Y de paso, el amplificador anda a la una!

Aclaremos que esto es una prueba de concepto en la que se han omitido muchas de las características deseables en amplificadores de alta potencia, como protecciones y fusibles que quedarán a cargo del lector.
El objetivo principal de este proyecto es acercar un amplificador Clase D a quienes no tengan experiencia con este tipo de circuitos y una de las reglas más importantes en su diseño fue el simplificarlo al máximo posible y usar sólo componentes comunes, de bajo costo y fáciles de conseguir para todos.

Queda también como ejercicio para el lector, con qué alimentar este monstruito, si es que realmente quieren llegar a su potencia máxima ... (una idea, la fuente que posteó mnicolau se podría potenciar para llegar a 1000W o más ) ...

En el PDF está el diagrama, la placa, y el listado de materiales. Hay, al lado del diagrama, una tabla con los valores de los componentes a emplear para diferentes potencias.

He especificado como mosfets los IRFP250 ... No son los únicos posibles... Para menores potencias, podrían usarse mosfets mucho más baratos de canal N. Por ejemplo, si la tensión de alimentación nunca superará los +/-20 volts, se podrían emplear los IRFZ44, o para 200Wrms sobre 4/8 ohms, el IRF640 ... Simplemente, mosfets más chicos calentarán más.

En relación al disipador, realmente, hay que ponerlo... Y el motivo es muy simple: Aunque este amplificador tiene una eficiencia teorica del 97%, a 1250Wrms , eso implica 37W de disipación en los mosfets, por lo que requieren disipador.
Sin embargo, por ejemplo, para sacales 200Wrms, la potencia disipada en los mosfets será 6W en cada uno, por lo que unos simples clips podrían andar bien. Simplemente, coloquen una lámina de aluminio como disipador... Y recuerden que esta vez, ambos mosfets tienen que ir aislados del disipador con micas y arandelas aislantes... Pero el TIP NO DEBE ir aislado, porque ese transistor pone el disipador a masa para suprimir la emisión de ruido

El último tema que me queda por nombrar es el tema del inductor de salida: Debe poder soportar la corriente pico de salida del amplificador sin saturarse ni quemarse. Yo personalmente, uso 1mm² de sección por cada 4 amper de corriente (es decir, para 8A, uso un alambre de 2mm² de sección) ... Preferentemente, en vez de usar un único alambre, usen 2 o 3 en paralelo cuya sección sumada dé la sección de alambre requerida. Esto mejorará el desempeño del inductor (yo usaría, para obtener una sección equivalente de 2mm², 3 alambres de 0.66mm² de sección puestos en paralelo)

Saludos, y espero que pueda servirles.

PD1: Para aquellos que quieran mejorar el sonido aún más, recomiendo bajar las resistencias de gate lo más posible, pero ... con cuidado ... Porque si están demasiado bajas, se pueden empezar a calentar los mosfets o directamente quemarse.. Hay que ir bajando los valores de ambas resistencias lentamente, y probar si calienta o no, usando una fuente con limitación de corriente, y con el amplificador sin carga y sin señal de audio.

PD2: Si fuera posible, me gustaría que hicieran de este tema un "Destacado"... Hay muy pocos amplificadores clase D de superalta fidelidad posteados, y, realmente, creo que este proyecto podría ser muy bueno que quede para la posteridad, y que no se pierda en medio de la enorme cantidad de temas que se están abriendo de amplificador estándard clase AB o integrados , con la serie TDA,que aunque realmente son útiles para gente principiante, no aportan nada a la técnica de diseño o no tienen nada innovador... En fin, ojalá se dé !

PD3: Muchas gracias a toda la gente que ha estado hablando conmigo últimamente sobre este tema del amplificador clase D... Muchas de las cosas habladas fueron tomadas en cuenta para este diseño ... Especialmente nombro a ricardodeni, que fué uno de los primeros en intentar la combinación IR2110+LM311 !! --- Y hay muy mucha más gente, que en mayor o menor cuantía, ha colaborado.. Perdonen si no los nombro a todos, pero, gracias por toda la colaboración que han prestado desinteresadamente!

PD4: Sí, técnicamente, cambiando los mosfets por unos aún más potentes, y de más tensión, se podrían superar tranquilamente los 1250Wrms. El límite del IR2110, es +/-250 de alimentación, e incluso, usando un IR2113 (compatible pin a pin) , podría llevarse a +-300v. Eso sí, habría que cambiar los transistorcitos 2n5401 por mpsa92, y recalcular las resistencias que disipan potencia para que no se quemen. Ni la placa ni el diagrama en sí variarían. Así, como curiosidad, con esa tensíon de +/-300v, sobre 4 ohms , podrían obtenerse 11250Wrms ... Por supuesto, asumo que aquél que se ponga a modificar los valores para obtener una potencia tan alta, sabe en qué se mete, y no me pidan asesoramiento para llegar a esos valores, porque los considero ya demasiado peligrosos como para que alguien amateur se ponga a jugar con eso, ni hablar de la fuente e potencia que haría falta!

Aquí será re-dirigido a > Preguntas frecuentes sobre Clase D de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N(Útil si es la primera vez que trata con amplificadores similares)

PSX1: Actualizando PCB's
23/09/2009 #2


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Para cacho... ¡¡¡ Muchísimas gracias ... Por lo del título y la chinche!! 8-) -- Realmente, espero que les produzca tantas alegrías como a mí me produjo su diseño (larga historia ... Pero hubo otro hilo acá en el que discutimos sobre ésto mucho tiempo, y este es el resultado .

Para mnicolau... No, esta vez no hace falta subir la tensión de los zeners. Resulta ser que el par diferencial que uso (los 2 transistocitos) para transladar el nivel de señal de salida del LM311, referida a la masa de la señal de audio (que es la masa del LM311), a -VCC (que es la masa de las entradas del IR2110), compara justamente la tensión de salida del LM311 con masa, la misma masa del mismo LM311, por lo que, asi subiera la salida del comparador sólo 0.1 volts en relación a su masa, andaría (y sube bastante más) :p

Suerte, yo continuaré leyendo y ayudando en lo que pueda
23/09/2009 #4
Moderador

Avatar de Tacatomon

Ejtagle, con este amplificador no hay limite en cuanto a los mosfets. Pero, si son mosfets con demasiada capacitancia de entrada? como la serie STW de st micro
ahhh, pero el IC se banca 2 amper, supongo que los manejará sin problemas. Bueno, creo yo...

Que dices.
24/09/2009 #5


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
No creo que haya dramas con los mosfets de ST (ni con ningún otro mosfet canal N) ... A lo sumo, será necesario ajustar la resistencia de gate de los mosfets, si es que el IR2110 no fuera capaz de apagarlos a tiempo (lo que realmente dudo ... soporta 2A!) --- O sea, valga el comentario ... Para casi cualquier mosfet N va a andar, en el peor de los casos, ajustando la resistencia de gate tiene que poderselos hacer andar. (por supuesto, esa clase de pruebas, recomiendo hacerlas con alguna clase de limitador de corriente de fuente de alimentación, para no arriesgarse a quemar los mosfets durante las pruebas... Yo diría que una bombita en serie con la alimentación, el amplificador andando pero sin el parlante conectado, y todo seguro!)
Saludos!

PD: Este amplificador tiene un bonus, y es que oscila a 250Khz... Eso aumenta la fidelidad, y también simplifica manejar mosfets más pesados ... Y además, como ambos mosfets son iguales, la carga que ve el IR en ambos es la misma, por lo que es mucho más fácil apagarlos y encenderlos en los momentos adecuados (misma carga total de gate, misma corriente de drive del IR, hace que los tiempos de conmutación para ambos mosfets sean los mismos)

PD2: Por ejemplo, el STW55NM60N , alimentando el amplificador con +/-300v podría dar 5000Wrms sobre 8 ohms. Por supuesto, que usar esa tensión de alimentación requiere recalcular algunas resistencias (por la disipación), aumentar la tensión que soportan algunos capacitores, cambiar los 2n5xxx por mspa92 y el TIP por algo que soporte más tensión (a la mente, me viene el MJE13007) . Pero, por lo demás el IR2110 puede manejar perfectamente la situación ... Y realmente, no creo que sea saludable hacer algo de 5000Wrms (son 5KWatts R.M.S!!!) para uso casero (porque para auto, no hay batería ni alternador normal que de esa corriente, ni hablemos de los CABLES que hacen falta!)
24/09/2009 #6

Avatar de Iván Francisco

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Hola EJTAGLE, mi consulta es por pequeñas potencias como escribí en un post anterior. Para potencias de 25-60w que filtrado de fuente recomendás? 5000/10000uF por rama? mi intención sería probarlos para tweeters y parlantes de medios exclusivamente (ya se que con woofers no habría problema) en un sistema triamplificado para uso hogareño y de la más alta fidelidad posible (hifi o hiend como quieran llamarlo).
Desde ya muchas gracias
Iván
24/09/2009 #7


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Realmente, para medios o agudos, el filtrado no es crítico. Con 4700u por rama estás mucho más que de sobra ... para 25W...Alimentás el amplificador con un poquito más de tensión (22 - 24 volts), y 4700u por rama van a ir muy bien... Eso suponiendo un simple transformador como fuente, con rectificación de onda completa), con fuentes switch, aún capacidades max chicas de filtrado andarían --- Son sólo 25W! -- O sea, en relación a la tensión que te dé la tabla, subis la tensión 2 o 3 volts para tener un poco de margen, así, aunque la tensión en los capacitores baje en 1 o 2 volts, no te afectará en la potencia máxima (y de todas formas, 60W en agudos es una barbaridad)
24/09/2009 #8

Avatar de DanielU

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Que % de THD tiene el amplificador a 100W?
24/09/2009 #9


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Algunos datos: Tengan en cuenta que dependen en parte de la calidad de los componentes empleados y prolijidad en la realización ... Y que ajustar las resistencias de gate al menor valor posible, mejora aún más los valores ...

Distorsión 0.01% al 50% de potencia (para el amplificador a 600W, de un maximo de 1200W) . La distorsión baja aún más si se lo utiliza a menor potencia. Y la medición de distorsión que doy es para cualquier frecuencia en la banda de audio , de 20hz a 20khz! (se aclara, porque muchos amplificador dan la distorsión sólo para 1khz, pero a 10khz es mucho más grande. No es el caso de este amplificador)
Ruido de salida: 30uV aprox.
Impedancia de salida: Del orden de 20miliohms, o mejor (depende de los mosfets usados)
Ancho de Banda de Potencia: 0 a 23KHz (-3db) (eso es para obtener la máxima potencia, pero , el amplificador llega a frecuencias mucho más altas, sólo que no con toda la potencia
Ganancia de tensión: Simplemente, llega a máxima potencia con 2Vpp de señal de entrada (se puede cambiar con una resistencia)
Rechazo del ripple de alimentación: Mejor que 65dB (otra vez, depende de los componentes, el armado, etc)
Eficiencia: Cercana al 92% o aún menor (aunque, vuelve a depender de los mosfets. Probablemente, sea mejor que ese 92% para potencias menores a los 1000W)
La IMD (producto de intermodulación, es también muy baja, modulando con 2 tonos de 19khz y 20khz, las senales espúreas de intermodulación son 80db más chicas ...

Para abaratar costos, el amplificador no tiene protecciones contra cortocircuitos a la salida, pero se podrían agregar en forma externa (yo pienso que más lógico sería una protección en la fuente de alimentación)

Saludos
24/09/2009 #10

Avatar de quercus10

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Felicitaciones por el proyecto EJTAGLE. Es usted un artista del audio.
Quisiera hacerle una pregunta sobre los mosfet ya que el amplificador lo merece:
Funcionaria mejor con mosfet tipo 2sk1530 ó 2sk1058 que son específicos para audio aunque no creo que con esa potencia pues no son tan potentes como el irfp250.
24/09/2009 #11


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Mira... los mosfets 2sk1058/2sk1530 fueron pensados para amplificador lineales clase AB..., tratando de sortear varios "supuestos" problemas de los mosfets comunes... siendo uno de los problemas de los mosfets comunes el tema de la dispersión y la tensión minima de gate-source (compuerta surtidor) y su estabilidad con la temperatura (no vamos a entrar en detalles, es largo y tedioso) ... Hubo un precio que pagar por la estabilidad y linealidad de los 2sk... y no fué menor... Son dispositivos más frágiles, bastante mas lentos en conmutar que los mosfets comunes, y bastante mas difíciles de conmutar... La realidad es que para un amplificador lineal, esos no son problemas reales (porque operan en región lineal, no conmutan) ... Pero, para este amplificador, justamente, los beneficios de esos mosfets no se pueden aprovechar, pero, en cambio, nos topamos con todos sus inconvenientes (fundamentalmente la lentitud de la conmutación) ... En consecuencia te diría que directamente no son convenientes, para nada... Talvez se los podria hacer andar (estoy seguro), pero invertir mucho más dinero en mosfets caros, para tener un amplificador más débil y frágil y que caliente mucho más, y sin mejores características a cambio, no me parece buen negocio.
Como detalle, esos mosfets tienen los pines de drenador y surtidor invertidos en relación al estándard, por lo que no se pueden colocar en forma directa en la placa, habría que modificarla
No sé, queda a tu gusto, pero yo haría un amplificador clase AB con esos mosfets, que es donde se pueden lucir ;-)

Saludos

PD: Aprovecho para aclarar , para todo el que lea, que los mosfets DEBEN ponerse en la plaqueta.. En un amplificador clase D, es critica la longitud de las conexiones de los mosfets al IR2110, y también a los snubbers (100p + 100ohms), por lo que hay que montarlos en la placa definitivamente, o rediseñar la misma!
24/09/2009 #12

Avatar de mnicolau

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Eduardo, otra pregunta... me parece que ya la aclaraste en el otro tema, pero no pude encontrarlo y no estaría mal que la comentes acá así reunís toda la información y está más accesible para la gente nueva...

Los capacitores C12/14 y C22/24, qué posibilidades habría de usar electrolíticos no polarizados o de bajar su valor a 470[nF] como en el UCD anterior?
Se me complica conseguir de 1[uF] de menos de 250[V].

Saludos, y gracias por las clases que estás dando ;-)
24/09/2009 #13


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
para mnicolau: Si, podés usar capacitores de 470nF no polarizados. Electroliticos no, porque van a morir por exceso de corriente de ripple. De cualquier tipo excepto electrolítico o tantalio
En relación al tema de 1.5u o 680nF para el cap de salida... Si se puede... Varía un poquito la frecuencia de operación, pero no es nada terrible (subirá de 230khz a 320khz) ... No creo que sufra demasiado... Aún así, si el de 1u/250v entra, mejor! (puede ser poliester, poliester metalizado , o teflón)
En relación a los capacitores de 1u(C12/14 y C22/24), probá pedirlos como capacitores cerámicos multicapa de 1u/63v. Existen, no son caros, son chiquitos, y la mayoría de los vendedores no tienen ni idea que de los tienen en stock

Saludos!
24/09/2009 #14
Moderador

Avatar de Tacatomon

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
ejtagle dijo: Ver Mensaje
PD2: Por ejemplo, el STW55NM60N , alimentando el amplificador con +/-300v podría dar 5000Wrms sobre 8 ohms. Por supuesto, que usar esa tensión de alimentación requiere recalcular algunas resistencias (por la disipación), aumentar la tensión que soportan algunos capacitores, cambiar los 2n5xxx por mspa92 y el TIP por algo que soporte más tensión (a la mente, me viene el MJE13007) . Pero, por lo demás el IR2110 puede manejar perfectamente la situación ... Y realmente, no creo que sea saludable hacer algo de 5000Wrms (son 5KWatts R.M.S!!!) para uso casero (porque para auto, no hay batería ni alternador normal que de esa corriente, ni hablemos de los CABLES que hacen falta!)
Gracias por la aclaración sobre los MosFet´s. Es un hecho que entre menos RDSon, mas rendimiento y menos calor.
Estoy pensando en uno que soporta 500V, 60A, RDSon 0.05 ohm y una capacidad de disipacion de 560W, el STY60NM50. Aunque creo que el MosFet en sí sería mas carao el amplificador completo.


Ahora, 5000W RMS con solo 2 Mosfets!!!!!!!
Suena tan Obsceno que me gustaría probarlo.
y con 11250W RMs que es lo max. que da, no hay bocina (individual) que le aguante.

Infinitas gracias por tu tiempo Ejtagle!!!

Saludos!!!
24/09/2009 #15


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Eduardo, disculpa la pregunta si es un poco tonta...cuantas vueltas de alambre llevaria la bobina L1 en 1 mm de sección??
Gracias por el amplificador!!! desearía algún dia poder llegar a los conocimientos de la gente de este foro, los admiro mucho!


Carlos.
24/09/2009 #16


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Por eso puse la página de shavano... La cantidad de vueltas depende de la forma sobre la que bobines. No te puedo dar el numero exacto. Pon los datos de tu forma en:

http://www.colomar.com/Shavano/induc...formación.html

y calcula la cantidad de vueltas para 30uH (30uH = 0.030mH)

Saludos!
25/09/2009 #17

Avatar de guille2

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Hola acá les dejo un soft para calcular inductores de núcleo de aire, algunos capas ya lo conocen.
Yo lo baje del foro y lo use para hacer los inductores del SwitchingAmp.
Espero les sea de utilidad. Saludos
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25/09/2009 #18

Avatar de DanielU

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
ejtagle dijo: Ver Mensaje
En relación al disipador, realmente, hay que ponerlo... Y el motivo es muy simple: Aunque este amplificador tiene una eficiencia teorica del 97%, a 1250Wrms , eso implica 37W de disipación en los mosfets, por lo que requieren disipador.
Sin embargo, por ejemplo, para sacales 200Wrms, la potencia disipada en los mosfets será 6W en cada uno, por lo que unos simples clips podrían andar bien. Simplemente, coloquen una lámina de aluminio como disipador... Y recuerden que esta vez, ambos mosfets tienen que ir aislados del disipador con micas y arandelas aislantes... Pero el TIP NO DEBE ir aislado, porque ese transistor pone el disipador a masa para suprimir la emisión de ruido
Quedaria bien entonces un disipador de fuente atx generica

Pregunta, porque en el pcb se indican 2 TIP31C? o solo es necesario con potencias grandes?

http://colomar.com/Shavano/inductor_información.html, utilizo esa web para calcular inductores, recomendada.

Voy a tratar de diseñar una fuente para un amp de 100W y la comparto con ustedes.
25/09/2009 #19


Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Si , un disipador de fuente ATX genérica irá bien, digamos, hasta 500 o 600Wrms -- En realidad, creo que está sobrado, pero no tengo los datos exactos de resistencia térmica de esos disipadores para poderles dar números -- Y tmb, dependería de los mosfets.. o sea, el disipador pienso que va bien para hasta los 500Wrms (e incluso más, pero necesito ese dato de resistencia términa para poder confirmarles)

En el PCB hay 2 TIP31C, al igual que 2 lugares donde poner cada uno de los mosfets, dependiendo del tipo de encapsulado en el que venga el mosfet que terminen usando. En el caso del TIP31C, puse 2, no porque haya que ponerlos a ambos, sino para montar el TIP31C donde más les convenga (usualmente, iría en el lugar más cercano al borde, para que quede alineado con los IRFP250

Saludos
25/09/2009 #20

Avatar de luisgrillo

Respuesta: Ampli HighEnd ClaseD UCD de 25W a 1250Wrms sólo con 2 mosfets N
Ejtagle, una pregunta fuera de lugar, donde aprendiste a diseñar estos circuitos?

todo mundo te pregunta cosas como, para que sirve esto y aquello y si le pongo esto funcionara?.

Lo que yo quiero es sacar mis propias concluciones y adaptar algunos circuitos a mi conveniencia.
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