Schemat wzmacniacza klasy D monoblok 1000W RMS 1Ω – IRS2092, IRFB4227, Hypex, ICEpower

Pytanie

szukam schematu aby wykonać wzmacniacz w klasie d monoblick do subwoofera 1000W RMS przy 1 ohm

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Gotowy, publicznie dostępny schemat spełniający dokładnie 1000 W RMS / 1 Ω nie istnieje; w otwartych źródłach najbliżej wymagań znajduje się referencyjna płytka Infineon IRAUDAMP7S (≈2 kW/2 Ω), którą można zeskalować do 1 Ω lub użyć jej topologii (IRS2092S + 4 × IR/Infineon IRFB4227).
• Na poziomie DIY najbezpieczniej skopiować jeden z dwóch sprawdzonych projektów:
  1. „IRS2092 1 kW” (wersja forum DIYAudio – pliki Gerber dostępne) ±55 V, 4 × IRFB4227, filtr LC 18 µH / 1 µF.
  2. TI „TIDA-010113” (controller TAS5568 + zewn. MOSFETy) – referencja 1 kW/1 Ω, lecz wymaga zakupu gotowej płytki z Chin.
• Alternatywa nieelektroniczna: kup moduł OEM (np. Hypex UcD2k, ICEpower 1000AS1) lub samochodowy monoblok 1 Ω – cenowo konkurencyjne i gwarantują niezawodność.

Kluczowe punkty
• Pełny mostek klasy D (H-bridge) • Zasilanie ±55…60 V DC / ~1200 W • MOSFET-y ≥ 60 A, RDS(on) < 8 mΩ • Filtr LC 15-22 µH, ≥ 1 µF • Obligatoryjne OCP, OTP, DC-fault, soft-start • Gruba miedź (≥ 105 µm) i chłodzenie > 0,15 m².

Szczegółowa analiza problemu

1. Parametry wyjściowe i podstawowa arytmetyka

\[ P_{RMS}=1000\;{\rm W},\;RL=1\;\Omega \]
\[ U{RMS}= \sqrt{P\cdot R}=31{,}6\;{\rm V} \]
\[ U{PEAK}=44{,}7\;{\rm V},\; I{RMS}=31{,}6\;{\rm A},\; I_{PEAK}=44{,}7\;{\rm A} \]

Przy sprawności η≈90 % zasilacz musi dostarczyć ≈1,1 kW mocy ciągłej. Dla zachowania zapasu napięcia (spadki na MOSFET-ach, RLC i dead-time) stosuje się ±55…60 V DC (lub jednobiegunowe 0-110 V z półmostkiem i symetryzacją).

2. Topologia wzmacniacza

Najczęściej wybierany jest pełny mostek (Full-Bridge) sterowany samoresonansowym kontrolerem IRS2092S:

Blokowy układ:

1. Filtr wejściowy + korekcja subsoniczna (np. 24 dB/okt @ 25 Hz)
2. Modulator PWM (IRS2092S)
3. Gate driver HV (wbudowany w IRS)
4. Stopień mocy: 4 × IRFB4227 (200 V, 75 A, RDS(on)=7 mΩ) lub 6 × TO-247 IRFP4568 dla większego marginesu termicznego.
5. Filtr LC: L = 18 µH na rdzeniu KoolMu 60 µ (Isat ≥ 50 A), C = 1 µF MKP 100 V + 100 nF C0G, RC-Zobel 0,1 µF/5 Ω.
6. Czujniki prądu (shunt 2 mΩ) + OCP, OTP, UVLO, DC-fault.

Częstotliwość przełączania 350-400 kHz równoważy sprawność i zniekształcenia w zakresie 20-200 Hz.

3. Zasilacz

• Mains: SMPS rezonansowy LLC 1200 W ±60 V z PFC (np. Mean-Well RPS-1200-48 przerobiony).
• Car-audio: Push-pull 2 × IRF3205 / kontroler TL494 zmieniony na 40 kHz, trafo ferryt E65, prostowanie synchroniczne, wyjście ±57 V.
Zawsze: soft-start NTC + przekaźnik, filtr EMI, radiator + tunel powietrzny.

4. Projekt PCB i prowadzenie prądów

• Dwuwarstwowa 2 oz Cu z INT-plane GND pod całą końcówką.
• Rezystory źródłowe 5 mΩ/2 W w układzie Kelvin.
• Bramka MOSFET max 1 cm od pinów sterownika, pętla gate-source < 2 cm².
• Ścieżki prądowe 10 mm min, ewentualnie wzmocnione paskiem miedzi lub prętem Cu.

5. Zabezpieczenia

OCP (cycle-by-cycle), OVP, UVP, OTP, DC-servo (odłączenie głośnika i natychmiastowe wyłączenie PWM). Przy niskiej impedancji 1 Ω detekcja zwarcia musi reagować < 1 µs.

6. Filtr wyjściowy – szczegóły

F0 = 1 / (2π√LC) ≈ 47 kHz (dużo powyżej 200 Hz pasma suba, daleko poniżej fsw).
Dławik: drut litz 150×0,4 mm, rdzeń KoolMu 60 µH, Isat 60 A, RDC < 10 mΩ.

Aktualne informacje i trendy

• Układy kontroli klasy D nowej generacji (Infineon MA12070P, GaN-Systems GS61008T + LLC) osiągają THD < 0,01 % przy fsw > 600 kHz, jednak wciąż limitowane do 4 Ω.
• GaN FET-y 100 V otwierają drogę do kompaktowych 1 kW/1 Ω modułów (TI referencja PMP23069, 2023 r.).
• Moduły OEM (Hypex NcoreX, ICEedge) integrują DSP, SMPS i klasy D w jednej płytce – rynek plate-ampów rośnie ~12 % rocznie.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Analogią dla filtra wyjściowego jest dławik w zasilaczu buck: ogranicza narastanie prądu i wraz z kondensatorem tworzy dolnoprzepust przepuszczający audio, tłumiąc carrier 400 kHz.
• Dead-time 60-80 ns zapobiega zwarciu szyn; zbyt długi pogarsza THD.

Aspekty etyczne i prawne

• Urządzenie > 1 kW wymaga zgodności z normami EMC (EN 55032) oraz bezpieczeństwa (EN 62368-1).
• W razie sprzedaży: certyfikacja CE, dokumentacja ryzyka termicznego i porażeniowego.
• Ochrona słuchu: 1000 W przy 1 Ω może generować > 124 dB SPL – konieczne ostrzeżenia.

Praktyczne wskazówki

1. Zacznij od odwzorowania PCB referencyjnego (IRAUDAMP7S – Gerber dostępny).
2. Używaj kleju termoprzewodzącego pod MOSFET-ami i dławikiem; radiator 0,15 m² + wentylator 120 mm.
3. Testuj etapami:
   • Sterownik + bramki na zasilaczu laboratoryjnym 15 V.
   • Stopień mocy z zasilaczem ±20 V i obciążeniem 4 Ω/200 W.
   • Dopiero potem pełne ±60 V i sztuczne obciążenie 1 Ω/2 kW (np. rezystory cementowe w kąpieli olejowej).

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• 1 Ω obciążenia bywa indukcyjne (subwoofer car-audio) – konieczna stabilność przy φ≈-45°.
• Przy takiej impedancji minimalny błąd w dead-time lub drive może przepalić wszystkie MOSFET-y w ułamku mikrosekundy.
• Ekonomia: koszt DIY (komponenty, SMPS, radiator, pcb) ~1500-2000 PLN – często więcej niż gotowy Hypex UcD2k.

Sugestie dalszych badań

• Przeanalizuj referencję TI PMP23069 (GaN 1 kW) – nowe koncepcje redukcji EMI.
• Spróbuj symulacji LTspice: modele IRS2092S, IRFB4227, ferromaterialy KoolMu – porównaj DVT (ΔT) dławika przy 45 A pk.
• Rozważ implementację cyfrowego predykcyjnego sterowania (pure-PWM vs. ΔΣ) dla niższego THD.

Krótkie podsumowanie

Zbudowanie 1000 W RMS monobloku klasy D na 1 Ω wymaga pełnego mostka ±55…60 V, MOSFET-ów 60 A, filtrów LC o Isat ≥ 50 A, solidnego SMPS i wielopoziomowych zabezpieczeń. Najprostszą drogą jest skopiowanie sprawdzonego projektu (IRAUDAMP7S, TIDA-010113) lub zakup gotowego modułu (Hypex/ICEpower). Samodzielny projekt od podstaw bez doświadczenia w EMC i energetyce wysokoprądowej skutkuje wysokim ryzykiem awarii i kosztów – dlatego rekomenduję rozpoczęcie od referencji lub modułu OEM, a dopiero potem własne modyfikacje.

Pytanie

Schemat wzmacniacza car audio klasy D monoblok 1000W RMS 1Ω zasilenego napięciem 14,4v

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Wzmacniacz 1000 W RMS/1 Ω z instalacji 14 ÷ 14,4 V wymaga dwu-stopniowej architektury:
  1. przetwornicy step-up ≈ 1,2 ÷ 1,4 kW, która podwyższa napięcie do ok. ±55 ÷ ±60 V DC,
  2. mostkowego (full-bridge) stopnia klasy D sterowanego układem typu IRS20957/IRS2092.
• Kompletnego, publicznego schematu „gotowego do wlutowania” praktycznie nie ma – jest to własność producentów. Poniżej przedstawiam natomiast pełną, inżynierską specyfikację bloków, parametry elementów i odniesienia do not aplikacyjnych, które pozwolą taki schemat złożyć samodzielnie.

Kluczowe punkty
• Moc wyjściowa 1000 W RMS ⇒ U_PEAK≈44,7 V, I_RMS≈31,6 A, I_PEAK≈44 A na głośniku
• Przy η_całk≈80 % z akumulatora płynie 90 ÷ 120 A ⇒ przewód min. 35 mm² (AWG2)
• Przetwornica push-pull / full-bridge, f_sw 40 ÷ 70 kHz, sterownik SG3525A lub UCC28C56
• Stopień D: pełny mostek, f_sw 300 ÷ 400 kHz, MOSFET ≥150 V/100 A, R_DS(on)<10 mΩ
• Filtr LC typ. 18 µH / 2,2 µF, rdzeń proszkowy KoolMu/Magnetics, kondensatory MKP 100 V

Szczegółowa analiza problemu

1. Bilans mocy

[
P_{out}=1000\text{ W},\;\;RL=1\;\Omega \Rightarrow
I{RMS}=\sqrt{\frac{P_{out}}{RL}} = 31,6\text{ A},\;\;
U{RMS}=I_{RMS}\cdot RL = 31,6\text{ V},\;\;
U{PEAK}=U_{RMS}\sqrt{2}\approx44,7\text{ V}
]
Uwzględniając spadki na MOSFET-ach i filtrze przyjmuje się ±55 V DC (110 V_RAIL-TO-RAIL).

Całkowita sprawność (SMPS ≈ 90 %, klasa D ≈ 92 %) ≈ 0,83 ⇒ pobór z instalacji:
[
I{in} = \frac{P{out}}{η \cdot U_{bat}} \approx \frac{1000}{0,83 \cdot 12,6} \approx 95\text{ A}
]
Projekt musi być przygotowany na szczytowe 120 A (rozruch, spadki do 11 V).

2. Przetwornica DC-DC (SMPS)

Topologia: push-pull (najpopularniejsza DIY) lub synchronizowany full-bridge.
Sterownik: SG3525A, UC3846, UCC28C56 albo nowoczesny NCP4420 z dead-time.

Parametry orientacyjne
• Vin 8 ÷ 16 V; Vout ±55 V; Pout 1200 W
• f_sw 50 kHz (podwojona – 100 kHz każda połówka)
• Trafo ETD49/59, N:1 ≈ 1:4 (pierw. 2 × 4 zw., wtór. 2 × 16 zw.)
• MOSFET pierwotne: 4 × IRFB3207 (75 V, 200 A, 3,3 mΩ) na każdej gałęzi
• Prostowanie wtórne: synchroniczne – 4 × IRFB4110 (100 V, 180 A, 4 mΩ) + sterownik LM5109
• Kondensatory: 8 × 2200 µF/63 V, ESR < 15 mΩ, ripple ≥ 10 A RMS każdy
• Czujnik prądu: 2 × 0,5 mΩ/5 W + wzmacniacz INA240 ⇒ OCP cycle-by-cycle 120 A

Schemat referencyjny: TI SLUA517 („1 kW automotive push-pull SMPS”) – łatwy do przeskalowania.

3. Stopień mocy klasy D

Kontroler: IRS20957S (automotive), ewentualnie IRS2092S (popularny DIY) lub nowszy MA5332MS (Monolithic Power) – wtedy wyższa integracja.

Mostek H:
• 4 × IRFB4227 (200 V/75 A/8 mΩ) lub 8 sztuk w parach równolegle, bramka 10 Ω, diody dV/dt 200 V/50 ns
• Kondensatory odsprzęgające: 4 × 1 µF X7R 100 V + 4 × 470 µF / 100 V low-ESR tuż przy drenach
• Bootstrap: 100 nF + 10 Ω + dioda UF4007

Filtr LC (dolnoprzepustowy, 4-rzędu)
[
L = \frac{R_L}{2\pi f_c} \approx \frac{1}{2\pi \cdot 25 k} ≈ 6,3 µH
]
W praktyce przyjmujemy 15 ÷ 20 µH (ze względu na 300 ÷ 400 kHz PWM) dla lepszego tłumienia; C = 1 ÷ 2,2 µF MKP 5 % 100 V. Dławik na rdzeniu Sachyan KoolMu 0077439A7, I_sat ≥ 60 A.

Zabezpieczenia:
• OCP – pomiar spadku na R_DS(on) lub na rezystorze 1 mΩ w nodzie mostka, prog ≈ 60 A
• DC-fault – detekcja > ±1 V DC na wyjściu, odłącza PWM + odcina przekaźnik głośnika
• OTP – termistor NTC 10 k na radiatorze, próg 85 °C

4. Układy pomocnicze

• Preamp: TL074 + filtr subsoniczny 24 dB/okt @ 25 Hz, LPF 24 dB/okt @ 200 Hz, Bass-boost ±9 dB/45 Hz
• Zasilanie logiczne: SMPS pomocnicze 12 V → ±15 V (LM7815/LM7915), 5 V (LM7805)
• Remote-on: tranzystor NPN + przekaźnik SSR dla miękkiego startu

5. PCB i mechanika

• 4-warstwy, Cu 70 µm (2 oz) z zaszytymi power-plane’ami
• Pętle kluczowania ≤15 mm, płaszczyzna masy pod mostkiem
• Przy prądach > 50 A stosować szyny Cu lub przelut miedzi 1 mm
• Radiator wspólny: 0,4 K/W, wentylator 80 mm PWM sterowany termicznie

Aktualne informacje i trendy

• GaN-FET-y (np. EPC2206 100 V/90 A) pozwalają podnieść f_sw do 1 MHz, zmniejszyć filtr LC i rozmiar, ale koszt i dostępność automotive-grade wciąż ograniczone.
• W zasilaczach pojawiają się kontrolery rezonan­sowe LLC (np. UCC25640) z synchronicznym prostowaniem – sprawności > 95 %.
• Coraz częściej stosuje się cyfrowe modulatory PWM/DSP (ADAU1467, TAS6424) z filtrem LC poza PCB (tzw. Hybrid-Class-D).
• Nowe normy ECE R10 Rev.06 (EMC w motoryzacji) wymuszają lepsze ekranowanie i filtr EMI klasy A/B.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Analogia energetyczna: SMPS jest „skrzynią biegów” – zamienia wysoki prąd i niskie napięcie z akumulatora na „wyższy bieg” (wysokie napięcie, mniejszy prąd), którym dysponuje stopień D.
• Dławik wyjściowy pełni rolę „koła zamachowego prądu”; jego nasycenie = natychmiastowe zwarcie układu.
• Niewłaściwy layout (pętla Gate-Drain-Source) ⇒ >200 V overshoot i lawinowe zniszczenie MOSFET-ów – sprawdź to sondą różnicową 200 MHz.

Aspekty etyczne i prawne

• Konstrukcja > 1 kW w aucie musi spełniać dyrektywę UNECE R10 (EMC) oraz ISO 7637-2 (transjenty 12 V).
• Odpowiedzialność za pożar instalacji przy błędnym doborze przewodów spoczywa na projektancie – warto dodać bezpiecznik ANL 150 A przy akumulatorze.
• Patenty klas D dużej mocy (np. International Rectifier) – w DIY zagrożenie niewielkie, ale w seryjnej sprzedaży trzeba licencjonować.

Praktyczne wskazówki

1. Prototypuj bloki osobno: najpierw SMPS z obciążeniem rezystorowym 1 kW, potem końcówkę D z lab-zasilacza ±55 V.
2. Użyj porządnego oscyloskopu 100 MHz + izolowana sonda prądowa 50 A, aby obserwować drive-ringing.
3. Zaplanuj soft-start: rezystor 10 Ω/100 W + przekaźnik 12 V/100 A zwierający po 200 ms.
4. Sprawdzone noty aplikacyjne:
   • TI SLUA517 (1 kW PP-SMPS)
   • Infineon IRAUDAMP7S (2 × 250 W, IRS20957 – skaluj mostek)
   • ON-Semi AND8723-D (Automotive Class-D 400 W)

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Realne 1000 W RMS w samochodzie utrzymasz tylko przez kilka–kilkanaście sekund – spadek napięcia instalacji poniżej 11 V ograniczy moc.
• GaN zwiększa sprawność, ale wymaga całkiem nowego layoutu i drogiego drivera z 5 V g_s.
• Zakup gotowego monobloku (np. PowerBass ASA3-1000.1D, CT-1000.1D) jest zwykle tańszy od ceny samych komponentów prototypu.

Sugestie dalszych badań

• Testy GaN w stopniu D przy 1 Ω – ocena EMI vs. sprawność.
• Sterowanie cyfrowe z loop-shaping (DSP + ΣΔ) w celu redukcji zniekształceń < 0,05 %.
• Optymalizacja transformatora SMPS pod kątem pola rozproszonego (technika „flux band”).
• Studium wpływu przewodów głośnikowych < 2 m na stabilność filtra LC przy 1 Ω.

Krótkie podsumowanie

Aby uzyskać 1000 W RMS przy 1 Ω z 14,4 V konieczna jest: wydajna przetwornica step-up (≈ ±55 V/20 A), pełny mostek klasy D z MOSFET-ami 200 V / <10 mΩ, filtr LC 15-20 µH/2,2 µF oraz rozbudowany system zabezpieczeń. Projekt wymaga znajomości energoelektroniki, EMC, termiki i precyzyjnego layoutu. Dla większości hobbystów tańsze i bezpieczniejsze będzie kupno gotowego monobloku; jeśli jednak zależy Ci na DIY – zacznij od osobnych modułów SMPS i klasy D, wzorując się na notach aplikacyjnych TI i Infineon, stopniowo waliduj każdy blok pod pełnym obciążeniem. Powodzenia w budowie!