Jak zbudować wysoką klasę wydajności

Treści audio przeszły długą drogę w ciągu ostatnich dziesięcioleci, od klasycznego wzmacniacza lampowego po współczesne odtwarzacze multimedialne, postęp technologiczny zmienił sposób korzystania z mediów cyfrowych. Wśród wszystkich tych innowacji przenośne odtwarzacze multimedialne stały się jednym z pierwszych wyborów wśród konsumentów ze względu na ich doskonałą jakość dźwięku i długą żywotność baterii. Jak to działa i jak dobrze brzmi. Jako miłośnik elektroniki zawsze przychodzi mi na myśl to pytanie. Pomimo postępu w technologii głośników dużą rolę odegrały udoskonalenia metodologii wzmacniaczy, a oczywistą odpowiedzią na to pytanie jest wzmacniacz klasy D.Dlatego w tym projekcie będziemy korzystać z okazji, aby omówić wzmacniacz klasy D i poznać jego zalety i wady. Na koniec będziemy budować prototyp sprzętowy wzmacniacza i testować jego działanie. Brzmi interesująco, prawda! Więc przejdźmy od razu do tego.

Jeśli jesteś zainteresowany układami wzmacniaczy audio, możesz zapoznać się z naszymi artykułami na temat, w którym zbudowaliśmy obwody wykorzystujące wzmacniacze operacyjne, tranzystory MOSFET i układy scalone, takie jak TDA2030, TDA2040 i TDA2050.

Podstawy wzmacniacza klasy D.

Co to jest wzmacniacz audio klasy D? Najprostsza odpowiedź brzmi: to wzmacniacz impulsowy. Aby jednak zrozumieć jego działanie, musimy dowiedzieć się, jak działa i jak wytwarzany jest sygnał przełączający, w tym celu możesz postępować zgodnie ze schematem blokowym podanym poniżej.

Dlaczego więc wzmacniacz przełączający? Oczywistą odpowiedzią na to pytanie jest wydajność. W porównaniu do wzmacniaczy klasy A, klasy B i klasy AB, wzmacniacz audio klasy D może osiągnąć sprawność do 90-95%. Tam, gdzie maksymalna sprawność wzmacniacza klasy AB wynosi 60-65%, ponieważ pracują one w obszarze aktywnym i wykazują małe straty mocy, jeśli pomnożymy napięcie kolektor-emiter przez prąd, można się tego dowiedzieć. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zapoznaj się z naszym artykułem na temat klas wzmacniaczy mocy, w którym omówiliśmy wszystkie powiązane współczynniki strat.

Wróćmy teraz do naszego uproszczonego schematu blokowego wzmacniacza audio klasy D.Jak widać na nieodwracającym terminalu, mamy nasze wejście audio, a na odwracającym terminalu mamy nasz trójkątny sygnał o wysokiej częstotliwości. W tym momencie, gdy napięcie wejściowego sygnału audio jest większe niż napięcie fali trójkątnej, wyjście komparatora staje się wysokie, a gdy sygnał jest niski, wyjście jest niskie. W tej konfiguracji po prostu modulowaliśmy wejściowy sygnał audio za pomocą sygnału nośnej o wysokiej częstotliwości, który następnie łączy się z układem scalonym napędu bramki MOSFET, a jak sama nazwa wskazuje, sterownik służy do sterowania bramką dwóch tranzystorów MOSFET dla obu wysokich bok i dół raz. Na wyjściu otrzymujemy na wyjściu potężną falę prostokątną o wysokiej częstotliwości, którą przepuszczamy przez stopień filtra dolnoprzepustowego, aby uzyskać ostateczny sygnał audio.

Komponenty wymagane do budowy obwodu wzmacniacza audio klasy D.

Teraz mamy rozumieć podstawy do wzmacniacza audio klasy D i możemy poruszać się znaleźć elementy do zbudowania klasy DIY D amplifie r. Ponieważ jest to prosty projekt testowy, wymagania dotyczące komponentów są bardzo ogólne i większość z nich można znaleźć w lokalnym sklepie hobbystycznym. Poniżej znajduje się lista elementów wraz z rysunkiem.

Lista części do budowy wzmacniacza mocy klasy D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. Układ scalony timera NE555 - 1
4. LM7812 IC - 1
5. Układ scalony LM7805 - 1
6. Kondensator 102 pF - 1
7. Kondensator 103 pF - 1
8. Kondensator 104 pF - 2
9. Kondensator 105 pF - 1
10. Kondensator 224 pF - 1
11. Kondensator 22uF - 1
12. Kondensator 470uF - 1
13. Kondensator 220uF - 1
14. Kondensator 100uF - 2
15. Rezystor 2,2 K - 1
16. Rezystor 10 K - 2
17. Rezystor 10R - 2
18. Gniazdo audio 3,5 mm - 1
19. Zacisk śrubowy 5,08 mm - 2
20. Dioda UF4007 - 3
21. Tranzystory MOSFET IRF640 - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. Cewka 26uH ​​- 1
24. Gniazdo słuchawkowe 3,5 mm - 1

Wzmacniacz audio klasy D - schemat ideowy

Schemat ideowy naszego obwodu wzmacniacza klasy D pokazano poniżej:

Tworzenie obwodu na platformie PerfBoard

Jak widać na głównym zdjęciu, obwód wykonaliśmy na kawałku perfboardu. Ponieważ po pierwsze obwód jest bardzo prosty, a po drugie, jeśli coś pójdzie nie tak, możemy go szybko i łatwo zmodyfikować. Większość połączeń wykonaliśmy za pomocą drutu miedzianego, ale w niektórych końcowych etapach musieliśmy użyć kilku przewodów połączeniowych, aby dokończyć budowę. Kompletny obwód perfboard jest pokazany poniżej.

Działanie wzmacniacza audio klasy D.

W tej sekcji omówimy każdy większy blok obwodu i wyjaśnimy każdy blok. Ten wzmacniacz audio klasy D oparty na wzmacniaczu operacyjnym składa się z bardzo ogólnych komponentów, które można znaleźć w lokalnym sklepie hobbystycznym.

Regulatory napięcia wejściowego:

Zaczynamy od regulacji napięcia wejściowego za pomocą LM7805, stabilizatora napięcia 5 V i LM7812, regulatora napięcia 12 V. Jest to ważne, ponieważ zamierzamy zasilać obwód za pomocą adaptera 13,5 V DC, a do zasilania układu scalonego NE555 i IR2110 potrzebny jest zasilacz 5 V i 12 V.

Generator fal trójkątnych z multiwibratorem 555 Astable:

Jak widać na powyższym obrazku, użyliśmy timera 555 z rezystorem 2,2K do wygenerowania sygnału trójkątnego 260 kHz, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Astable Multivibrator, możesz sprawdzić nasz poprzedni post na temat 555 Timer Based Astable Multivibrator Obwód, w którym opisaliśmy wszystkie niezbędne obliczenia.

Obwód modulacji:

Jak widać na powyższym obrazku, użyliśmy prostego wzmacniacza operacyjnego LM358 do modulacji wejściowego sygnału audio. Mówiąc o przychodzących sygnałach audio, użyliśmy dwóch rezystorów wejściowych 10K do uzyskania sygnału audio, a ponieważ używamy jednego źródła, dołączyliśmy potencjometr do kompensacji sygnału zerowego obecnego na wejściu audio. Wyjście tego komparatora będzie wysokie, gdy wartość wejściowego sygnału audio jest większa niż wejściowa fala trójkątna, a na wyjściu otrzymamy modulowaną falę prostokątną, którą następnie podajemy do układu scalonego sterownika bramki MOSFET.

Układ scalony sterownika bramki IR2110 MOSFET:

Ponieważ pracujemy z niektórymi umiarkowanie wysokimi częstotliwościami, użyliśmy układu scalonego sterownika bramki MOSFET do prawidłowego sterowania tranzystorem MOSFET. Wszystkie niezbędne obwody są umieszczone zgodnie z zaleceniami w karcie katalogowej IC IR2110. Do prawidłowego działania ten układ scalony wymaga odwróconego sygnału wejściowego, dlatego użyliśmy tranzystora wysokiej częstotliwości BF200 do wygenerowania odwróconej fali prostokątnej sygnału wejściowego.

Stopień wyjściowy MOSFET:

Jak widać na powyższym obrazku, mamy stopień wyjściowy MOSFET, który jest również głównym sterownikiem wyjściowym, ponieważ mamy do czynienia z wysokimi częstotliwościami i cewkami, zawsze występują stany nieustalone, dlatego użyliśmy trochę UF4007 jako flyback diody, które zapobiegają uszkodzeniu tranzystorów MOSFET.

Filtr dolnoprzepustowy LC:

Sygnał wyjściowy ze stopnia sterownika MOSFET to fala prostokątna wysokiej częstotliwości, sygnał ten jest absolutnie nieodpowiedni do napędzania obciążeń, takich jak głośnik. Aby temu zapobiec, użyliśmy cewki 26uH ​​z niespolaryzowanym kondensatorem 1uF, aby wykonać filtr dolnoprzepustowy oznaczony jako C11. Tak działa prosty obwód.

Testowanie obwodu wzmacniacza klasy D.

Jak widać na powyższym obrazku, do zasilania obwodu użyłem zasilacza 12V. Ponieważ używam niedrogiego chińskiego, emituje trochę więcej niż 12 V, a dokładnie 13,5 V, co jest idealne dla naszego pokładowego regulatora napięcia LM7812. Jako obciążenie używam głośnika 4 Ohm, 5Watt. Jako wejście audio używam laptopa z długim gniazdem audio 3,5 mm.

Gdy obwód jest włączony, nie ma zauważalnego buczenia, jak można uzyskać z innych typów wzmacniaczy, ale jak widać na wideo, ten obwód nie jest doskonały i ma problem z przycinaniem przy wyższych poziomach wejściowych, więc to obwód ma dużo miejsca na ulepszenia. Ponieważ jeździłem na umiarkowanie niskich obciążeniach, tranzystory MOSFET w ogóle się nie nagrzewały, a więc do tych testów nie wymaga żadnego radiatora.

Dalsze ulepszenia

Ten obwód wzmacniacza mocy klasy D jest prostym prototypem i ma wiele miejsca na ulepszenia. Moim głównym problemem z tym obwodem była technika próbkowania, która wymaga poprawy. Aby zmniejszyć przesterowanie wzmacniacza, należy obliczyć odpowiednie wartości indukcyjności i pojemności, aby uzyskać idealny stopień filtra dolnoprzepustowego. Jak zawsze, obwód można wykonać na PCB dla lepszej wydajności. Można dodać obwód ochronny, który będzie chronił obwód przed przegrzaniem lub zwarciem.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.