Як побудувати клас високої ефективності

За останні десятиліття аудіовміст пройшов довгий шлях - від класичного лампового підсилювача до сучасних медіаплеєрів, технологічні досягнення змінили спосіб споживання цифрових медіа. Серед усіх цих нововведень портативні медіаплеєри стали одним із перших варіантів серед споживачів завдяки своїй яскравій якості звуку та тривалому часу автономної роботи. Тож як це працює, і як це добре звучить. Як електронний ентузіаст, це питання мені завжди спадає на думку. Незважаючи на вдосконалення технології акустичних систем, вдосконалення методології підсилювачів зіграли велику роль, і очевидною відповіддю на це питання є підсилювач класу D.Тож у цьому проекті ми скористаємося нагодою, щоб обговорити підсилювач класу D та знати плюси та мінуси цього. Нарешті, ми створимо апаратний прототип підсилювача та перевіримо його ефективність. Звучить цікаво правильно! Тож давайте прямо в це.

Якщо вас цікавлять схеми підсилювачів звуку, ви можете ознайомитися з нашими статтями на тему, де ми побудували схеми з використанням операційних підсилювачів, транзисторів MOSFET та мікросхеми, таких як TDA2030, TDA2040 та TDA2050.

Основи підсилювача класу D

Що таке підсилювач звуку класу D? Найпростіша відповідь буде, це комутаційний підсилювач. Але для того, щоб зрозуміти його роботу, нам потрібно дізнатися, як він функціонує і як виробляється сигнал перемикання, для цього ви можете слідувати блок-схемі, наведеній нижче.

То чому комутаційний підсилювач? Очевидна відповідь на це питання - Ефективність. У порівнянні з підсилювачами класу A, B і AB, звуковий підсилювач класу D може досягти ефективності до 90-95%. Там, де максимальна ефективність підсилювача класу AB становить 60-65%, оскільки вони працюють в активній області та мають низькі втрати потужності, якщо помножити напругу колектора-випромінювача на струм, ви можете це виявити. Щоб дізнатись більше про тему, перегляньте нашу статтю про класи підсилювачів потужності, де ми обговорили всі пов'язані з цим фактори втрат.

Тепер повернімось до нашої спрощеної блок-схеми звукового підсилювача класу D., як ви можете бачити на неінвертуючому терміналі, ми маємо наш аудіовхід, а на інвертуючому терміналі ми маємо наш високочастотний трикутний сигнал. У цей момент, коли напруга вхідного звукового сигналу перевищує напругу трикутної хвилі, вихід компаратора стає високим, а коли сигнал низький, вихід низький. За допомогою цієї установки ми щойно модулювали вхідний звуковий сигнал високочастотним несучим сигналом, який потім підключається до мікросхеми приводу MOSFET-воріт, і, як випливає з назви, драйвер використовується для керування затвором двох МОП-транзисторів як для високих сторона і низька сторона один раз. На виході ми отримуємо потужну високочастотну квадратну хвилю на виході, яку ми пропускаємо через ступінь фільтра низьких частот, щоб отримати кінцевий звуковий сигнал.

Компоненти, необхідні для побудови схеми підсилювача звуку класу D

Тепер ми зрозуміли основи підсилювача звуку класу D, і ми можемо перейти до пошуку компонентів для побудови підсилювача класу DIY r. Оскільки це простий тестовий проект, вимога до компонентів дуже загальна, і ви можете знайти більшість із них у місцевому магазині хобі. Список компонентів із зображенням наведено нижче.

Список деталей для створення підсилювача потужності класу D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. NE555 IC таймер - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Конденсатор 102 пФ - 1
7. Конденсатор 103 пФ - 1
8. Конденсатор 104 пФ - 2
9. Конденсатор 105 пФ - 1
10. Конденсатор 224 пФ - 1
11. Конденсатор 22 мкФ - 1
12. Конденсатор 470 мкФ - 1
13. Конденсатор 220 мкФ - 1
14. Конденсатор 100 мкФ - 2
15. 2,2 К резистор - 1
16. Резистор 10 К - 2
17. Резистор 10R - 2
18. 3,5-мм аудіороз'єм - 1
19. Гвинтовий термінал 5,08 мм - 2
20. UF4007 Діод - 3
21. МОП-транзистори IRF640 - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. Індуктор 26uH ​​- 1
24. 3,5-мм роз'єм для навушників - 1

Підсилювач звуку класу D - принципова схема

Принципова схема нашої схеми підсилювача класу D наведена нижче:

Побудова схеми на PerfBoard

Як видно з основного зображення, ми зробили схему на шматку перфборду. Тому що, по-перше, схема дуже проста, а по-друге, якщо щось піде не так, ми можемо змінити її швидко і легко. Більшість з’єднань ми зробили за допомогою мідного дроту, але на деяких завершальних етапах нам довелося використовувати кілька під’єднувальних проводів для завершення збірки. Завершена схема перфборда показана нижче.

Працює аудіопідсилювач класу D

У цьому розділі ми розглянемо кожен основний блок схеми та пояснимо кожен блок. Цей підсилювач класу D на базі Op-amp складається з дуже загальних компонентів, які ви можете знайти у своєму місцевому магазині хобі.

Регулятори вхідної напруги:

Ми починаємо з регулювання вхідної напруги за допомогою регулятора напруги LM7805, 5 В та LM7812, регулятора напруги 12 Вольт. Це важливо, оскільки ми будемо живити ланцюг за допомогою адаптера постійного струму 13,5 В, а для живлення необхідні джерела живлення NE555 та IR2110 IC, 5 В та 12 В.

Трикутний генератор хвиль з 555 регульованим мультивібратором:

Як ви можете бачити з наведеного зображення, ми використали таймер 555 з резистором 2,2 К для генерації трикутного сигналу 260 КГц. Якщо ви хочете дізнатись більше про Astable Multivibrator, ви можете ознайомитися з нашим попереднім повідомленням про 555 таймер Astable Multivibrator Схема, де ми описали всі необхідні розрахунки.

Схема модуляції:

Як видно з наведеного зображення, ми використали простий підсилювач LM358 для модуляції вхідного звукового сигналу. Говорячи про вхідні звукові сигнали, ми використовували два вхідні резистори 10K для отримання звукового сигналу, і оскільки ми використовуємо єдине джерело живлення, ми приєднали потенціометр для компенсації нульового сигналу, що присутній у вхідному аудіо. Вихід цього компаратора буде високим, коли значення вхідного аудіосигналу більше, ніж вхідна трикутна хвиля, і на виході ми отримаємо модульовану квадратну хвилю, яку потім подаємо на мікросхему драйвера MOSFET.

Схема драйвера шлюзу IR2110 MOSFET:

Оскільки ми працюємо з деякими помірно високими частотами, ми використовували мікросхему драйвера воріт MOSFET для належного керування MOSFET. Всі необхідні схеми розміщені, як рекомендовано в технічному паспорті IR2110 IC. Для належної роботи цього ІС потрібен інвертований сигнал вхідного сигналу, саме тому ми використали BF200, високочастотний транзистор для генерації інвертованої квадратної хвилі вхідного сигналу.

Вихідний етап MOSFET:

Як видно з наведеного вище зображення, у нас є вихідний каскад MOSFET, який також є основним вихідним драйвером, оскільки ми маємо справу з високочастотними та індуктивними індукторами, тут завжди задіяні перехідні процеси, саме тому ми використали деяку UF4007 як зворотну передачу діоди, які запобігають пошкодженню МОП-транзисторів.

Фільтр низьких частот LC:

Вихід з каскаду драйвера MOSFET є високочастотною квадратною хвилею, цей сигнал абсолютно непридатний для руху навантажень, таких як гучномовець. Щоб запобігти цьому, ми використали індуктор 26 мкГн з неполяризованим конденсатором 1 мкФ, щоб зробити фільтр низьких частот, який позначається як C11. Ось як функціонує проста схема.

Тестування схеми підсилювача класу D

Як видно з наведеного зображення, я використовував 12В адаптер живлення для живлення ланцюга. Оскільки я використовую доступний китайський, він видає трохи більше 12 В, точніше - 13,5 В, що ідеально підходить для нашого вбудованого регулятора напруги LM7812. В якості навантаження я використовую динамік 4 Ом, 5 Вт. Для аудіовходу я використовую свій ноутбук із довгим 3,5-мм аудіороз'ємом.

Коли ланцюг увімкнений, не чутно гудіння, яке ви можете почути від інших типів підсилювачів, але, як ви можете бачити на відео, ця схема не є ідеальною, і вона має проблему відсікання на більш високих рівнях входу, тому це схема має багато місця для вдосконалення. Оскільки я їхав на помірно низьких навантаженнях, МОП-транзистори взагалі не нагрівалися, і, отже, для цих тестів він не потребує тепловідводу.

Подальші вдосконалення

Ця схема підсилювача потужності класу D є простим прототипом і має багато можливостей для вдосконалення. Моєю основною проблемою цієї схеми була техніка відбору проб, яку потрібно вдосконалити. Для того, щоб зменшити відсікання підсилювача, необхідно розрахувати належні значення індуктивності та ємності, щоб отримати ідеальну ступінь фільтра низьких частот. Як завжди, схему можна виконати на друкованій платі для кращої роботи. Може бути додана схема захисту, яка захистить схему від перегріву або короткого замикання.

Сподіваюся, вам сподобалась ця стаття і ви дізналися з неї щось нове. Якщо у вас є якісь сумніви, ви можете запитати в коментарях нижче або скористатися нашими форумами для детального обговорення.