Ako zostaviť triedu vysokej účinnosti

Zvukový obsah prešiel za posledné desaťročia dlhou cestou, od klasického elektrónkového zosilňovača po moderné prehrávače médií. Technologický pokrok zmenil spôsob využívania digitálnych médií. Spomedzi všetkých týchto noviniek sa prenosné prehrávače médií stali jednou z prvých volieb medzi spotrebiteľmi vďaka svojej žiarivej kvalite zvuku a dlhej výdrži batérie. Ako to teda funguje a ako to znie tak dobre. Ako elektronického nadšenca mi táto otázka vždy napadne. Napriek pokroku v technológii reproduktorov hralo vylepšenie metodiky zosilňovača veľkú úlohu a zrejmou odpoveďou na túto otázku je zosilňovač triedy D.V tomto projekte teda využijeme príležitosť a prediskutujeme zosilňovač triedy D a spoznáme jeho výhody a nevýhody. Na záver budeme stavať hardvérový prototyp zosilňovača a testovať jeho výkon. Znie to zaujímavo, dobre! Poďme teda na to.

Ak vás zaujímajú obvody zosilňovačov zvuku, môžete si prečítať naše články na tému, kde sme vytvorili obvody využívajúce operačné zosilňovače, MOSFET a IC, ako sú TDA2030, TDA2040 a TDA2050.

Základy zosilňovača triedy D.

Čo je zvukový zosilňovač triedy D? Najjednoduchšia odpoveď bude, je to spínací zosilňovač. Aby sme však pochopili jeho fungovanie, musíme sa naučiť, ako funguje a ako sa vytvára spínací signál, preto môžete postupovať podľa blokovej schémy uvedenej nižšie.

Prečo teda spínací zosilňovač? Zjavnou odpoveďou na túto otázku je efektívnosť. V porovnaní so zosilňovačmi triedy A, triedy B a triedy AB môže zvukový zosilňovač triedy D dosiahnuť účinnosť až 90 - 95%. Ak je maximálna účinnosť zosilňovača triedy AB 60 - 65%, pretože pracujú v aktívnej oblasti a vykazujú nízke straty výkonu, ak znásobíte napätie kolektora a emitora prúdom, zistíte to. Ak sa chcete dozvedieť viac podrobností o tejto téme, pozrite si náš článok o triedach výkonových zosilňovačov, kde sme diskutovali o všetkých súvisiacich stratových faktoroch.

Teraz späť k našej zjednodušenej blokovej schéme zvukového zosilňovača triedy D., ako vidíte na neinvertujúcom termináli, máme náš zvukový vstup a na invertujúcom termináli náš vysokofrekvenčný trojuholníkový signál. V tomto okamihu, keď je napätie vstupného zvukového signálu väčšie ako napätie trojuholníkovej vlny, výstup komparátora ide vysoko a keď je signál nízky, výstup je nízky. S týmto nastavením sme iba modulovali vstupný zvukový signál vysokofrekvenčným nosným signálom, ktorý sa potom pripojí k jednotke pohonu brány MOSFET IC, a ako už z názvu vyplýva, budič sa používa na pohon brány dvoch MOSFETov pre obidva vysoké bočná a spodná strana raz. Na výstupe dostaneme na výstupe silnú vysokofrekvenčnú obdĺžnikovú vlnu, ktorú prejdeme cez nízkopásmový filter, aby sme získali náš konečný zvukový signál.

Komponenty požadované na zostavenie obvodu zosilňovača zvuku triedy D

Teraz sme pochopili základy audio zosilňovače triedy D a môžeme prejsť na vyhľadanie komponenty na vybudovanie DIY triedy D Amplifi r. Pretože ide o jednoduchý testovací projekt, požiadavka na komponenty je veľmi všeobecná a väčšinu z nich nájdete v miestnom hobby obchode. Zoznam komponentov s obrázkom je uvedený nižšie.

Zoznam náhradných dielov na zostavenie výkonového zosilňovača triedy D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. Časovač IC NE555 - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Kondenzátor 102 pF - 1
7. Kondenzátor 103 pF - 1
8. Kondenzátor 104 pF - 2
9. Kondenzátor 105 pF - 1
10. Kondenzátor 224 pF - 1
11. Kondenzátor 22uF - 1
12. 470uF kondenzátor - 1
13. Kondenzátor 220uF - 1
14. 100uF kondenzátor - 2
15. 2.2K rezistor - 1
16. 10 K rezistor - 2
17. Rezistor 10R - 2
18. 3,5 mm zvukový konektor - 1
19. Skrutkovacia svorka 5,08 mm - 2
20. Dióda UF4007 - 3
21. MOSFETY IRF640 - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH induktor - 1
24. 3,5 mm konektor pre slúchadlá - 1

Zvukový zosilňovač triedy D - schematický diagram

Schematický diagram nášho zosilňovacieho obvodu triedy D je uvedený nižšie:

Budovanie okruhu na platforme PerfBoard

Ako vidíte na hlavnom obrázku, obvod sme vyrobili na kuse perfboardu. Pretože po prvé, obvod je veľmi jednoduchý a po druhé, ak sa niečo pokazí, môžeme ho rýchlo a ľahko upraviť. Väčšinu spojov sme vytvorili pomocou medeného drôtu, ale v niektorých konečných fázach sme na dokončenie stavby museli použiť niektoré pripojovacie drôty. Dokončený obvod dosky perfboard je uvedený nižšie.

Funguje zvukový zosilňovač triedy D

V tejto časti si prejdeme každý hlavný blok okruhu a vysvetlíme každý blok. Tento zosilňovač triedy D založený na operačných zosilňovačoch je zložený z veľmi všeobecných komponentov, ktoré nájdete v miestnom obchode s hobby potrebami.

Regulátory vstupného napätia:

Začneme reguláciou vstupného napätia pomocou regulátora napätia LM7805, 5V a LM7812, 12voltového regulátora napätia. To je dôležité, pretože budeme napájať obvod pomocou 13,5V jednosmerného adaptéra a na napájanie integrovaných obvodov NE555 a IR2110 je potrebné napájanie 5V a 12V.

Generátor trojuholníkových vĺn s 555 astabilným multivibrátorom:

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázka, na generovanie trojuholníkového signálu 260 kHz sme použili časovač 555 s odporom 2,2 K. Ak sa chcete dozvedieť viac o Astable Multivibrator, môžete si pozrieť náš predchádzajúci príspevok o 555 Timer Based Astable Multivibrator. Okruh, kde sme popísali všetky potrebné výpočty.

Modulačný obvod:

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázka, na moduláciu vstupného zvukového signálu sme použili jednoduchý zosilňovač LM358 Op-Amp. Keď už hovoríme o prichádzajúcich zvukových signáloch, na získanie zvukového signálu sme použili dva 10K vstupné rezistory a keďže používame jeden zdroj, pripojili sme potenciometer na vyrovnanie nulového signálu prítomného vo vstupnom zvuku. Výstup tohto komparátora bude vysoký, keď je hodnota vstupného zvukového signálu vyššia ako vstupná trojuholníková vlna a na výstupe dostaneme modulovanú obdĺžnikovú vlnu, ktorú potom napájame na ovládač brány MOSFET IC.

Integrovaný ovládač brány IR2110 MOSFET Gate:

Pretože pracujeme s mierne vysokými frekvenciami, na správne fungovanie MOSFETu sme použili IC ovládač brány MOSFET. Všetky potrebné obvody sú umiestnené tak, ako to odporúča datasheet IR2110 IC. Pre správnu činnosť tento IC vyžaduje invertovaný signál vstupného signálu, a preto sme na generovanie invertovanej štvorcovej vlny vstupného signálu použili vysokofrekvenčný tranzistor BF200.

Fáza výstupu MOSFET:

Ako môžete vidieť z vyššie uvedeného obrázka, máme výstupný stupeň MOSFET, ktorý je zároveň hlavným výstupným ovládačom, pretože máme do činenia s vysokofrekvenčnými a indukčnými cievkami, vždy sú zapojené prechodové javy, a preto sme ako spätný chod použili niektoré UF4007 diódy, ktoré zabraňujú poškodeniu MOSFETov.

LC dolnopriepustný filter:

Výstup z ovládacieho stupňa MOSFET je vysokofrekvenčná obdĺžniková vlna, tento signál je absolútne nevhodný na riadenie záťaží ako reproduktor. Aby sme tomu zabránili, použili sme induktor 26uH ​​s nepolarizovaným kondenzátorom 1uF na výrobu dolnopriepustného filtra, ktorý sa označuje ako C11. Takto funguje jednoduchý obvod.

Testovanie obvodu zosilňovača triedy D

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázka, na napájanie obvodu som použil napájací adaptér 12V. Pretože používam cenovo dostupný čínsky, vydáva niečo viac ako 12V, presnejšie 13,5 V, čo je ideálne pre náš integrovaný regulátor napätia LM7812. Ako záťaž používam reproduktor 4 Ohmy, 5Watt. Na zvukový vstup používam laptop s dlhým 3,5 mm zvukovým konektorom.

Keď je obvod zapnutý, nie je viditeľný žiadny hučivý zvuk, ktorý môžete získať z iných typov zosilňovačov, ale ako vidíte na videu, tento obvod nie je dokonalý a pri vyšších vstupných úrovniach má problém s orezávaním, takže tento obvod má veľa priestoru na vylepšenie. Pretože som jazdil mierne nízkym zaťažením, MOSFETy sa vôbec neohriali, a teda pre tieto testy nevyžaduje žiadny chladič.

Ďalšie vylepšenia

Tento obvod výkonového zosilňovača triedy D je jednoduchý prototyp a má veľa priestoru na vylepšenia. Mojím hlavným problémom v tomto obvode bola technika vzorkovania, ktorú je potrebné vylepšiť. Aby sa znížilo orezanie zosilňovača, je potrebné vypočítať správne hodnoty indukčnosti a kapacity, aby bol dosiahnutý dokonalý stupeň nízkopriepustného filtra. Ako vždy, obvod môže byť vyrobený na doske plošných spojov pre lepší výkon. Môže byť pridaný ochranný obvod, ktorý bude chrániť obvod pred prehriatím alebo skratom.

Dúfam, že sa vám tento článok páčil a dozvedeli ste sa z neho niečo nové. Ak máte pochybnosti, môžete sa opýtať v komentároch nižšie alebo môžete využiť naše fóra na podrobnú diskusiu.