Jak vybudovat třídu vysoké účinnosti

Zvukový obsah prošel v posledních desetiletích dlouhou cestou, od klasického lampového zesilovače po moderní přehrávače médií, technologický pokrok změnil způsob, jakým jsou digitální média spotřebovávána. Mezi všemi těmito inovacemi se přenosné přehrávače médií staly jednou z prvních voleb mezi spotřebiteli díky své živé kvalitě zvuku a dlouhé výdrži baterie. Jak to tedy funguje a jak to zní tak dobře. Jako elektronický nadšenec mi tato otázka vždy přijde na mysl. Navzdory pokroku v technologii reproduktorů hrálo vylepšení metodologie zesilovače velkou roli a zřejmou odpovědí na tuto otázku je zesilovač třídy D.V tomto projektu tedy využijeme příležitost k diskusi o zesilovači třídy D a budeme znát jeho klady a zápory. Nakonec budeme stavět hardwarový prototyp zesilovače a testovat jeho výkon. Zní to zajímavě správně! Pojďme tedy do toho.

Pokud vás zajímají obvody zvukových zesilovačů, můžete se podívat na naše články na toto téma, kde jsme sestavili obvody využívající operační zesilovače, MOSFETy a IC jako TDA2030, TDA2040 a TDA2050.

Základy zesilovače třídy D.

Co je to audio zesilovač třídy D? Nejjednodušší odpověď bude, je to spínací zesilovač. Abychom však porozuměli jeho fungování, musíme se naučit, jak funguje a jak se spínací signál produkuje, abyste mohli postupovat podle níže uvedeného blokového schématu.

Proč tedy spínací zesilovač? Zjevnou odpovědí na tuto otázku je Efektivita. Ve srovnání se zesilovači třídy A, třídy B a třídy AB může zvukový zesilovač třídy D dosáhnout účinnosti až 90-95%. Tam, kde je maximální účinnost zesilovače třídy AB 60-65%, protože pracují v aktivní oblasti a vykazují nízké ztráty energie, pokud znásobíte napětí kolektoru a emitoru proudem, zjistíte to. Další informace o tomto tématu najdete v našem článku o třídách výkonových zesilovačů, kde jsme probrali všechny související ztrátové faktory.

Nyní zpět k našemu zjednodušenému blokovému schématu audio zesilovače třídy D., jak vidíte na neinvertujícím terminálu, máme náš audio vstup a na invertujícím terminálu máme náš vysokofrekvenční trojúhelníkový signál. V tomto okamžiku, kdy je napětí vstupního zvukového signálu větší než napětí trojúhelníkové vlny, jde výstup komparátoru vysoko a když je signál nízký, výstup je nízký. S tímto nastavením jsme pouze modulovali vstupní zvukový signál vysokofrekvenčním nosným signálem, který se poté připojí k IC pohonu brány MOSFET a jak název napovídá, ovladač se používá k pohonu brány dvou MOSFETů jak pro vysoké boční a spodní strana jednou. Na výstupu dostaneme na výstupu silnou vysokofrekvenční obdélníkovou vlnu, kterou projdeme fází nízkoprůchodového filtru, abychom získali konečný zvukový signál.

Komponenty potřebné k sestavení obvodu zesilovače zvuku třídy D.

Nyní jsme pochopili základy audio zesilovače třídy D a můžeme přejít k vyhledání komponenty k vybudování DIY třídy D amplif r. Jelikož se jedná o jednoduchý testovací projekt, požadavek na komponentu je velmi obecný a většinu z nich najdete v místním hobby obchodě. Seznam komponent s obrázkem je uveden níže.

Seznam dílů pro sestavení výkonového zesilovače třídy 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. 103 pF kondenzátor - 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. 10R rezistor - 2
18. 3,5 mm zvukový konektor - 1
19. Šroubová svorka 5,08 mm - 2
20. Dioda UF4007 - 3
21. MOSFETy IRF640 - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH induktor - 1
24. 3,5 mm konektor pro sluchátka - 1

Zvukový zesilovač třídy D - schematický diagram

Schéma našeho zesilovacího obvodu třídy D je uvedeno níže:

Budování okruhu na PerfBoard

Jak vidíte na hlavním obrázku, obvod jsme vyrobili na kusu perfboardu. Protože za prvé je obvod velmi jednoduchý a za druhé, pokud se něco pokazí, můžeme jej rychle a snadno upravit. Většinu připojení jsme provedli pomocí měděného drátu, ale v některých závěrečných fázích jsme museli k dokončení sestavení použít některé připojovací vodiče. Dokončený obvod desky perfboard je uveden níže.

Práce se zvukovým zesilovačem třídy D.

V této části projdeme každý hlavní blok obvodu a vysvětlíme každý blok. Tento zvukový zesilovač třídy D založený na operačních zesilovačích se skládá z velmi obecných komponent, které najdete v místním hobby obchodě.

Regulátory vstupního napětí:

Začneme regulací vstupního napětí pomocí regulátoru napětí LM7805, 5V a regulátoru napětí 12V LM7812. To je důležité, protože budeme napájet obvod pomocí 13,5V stejnosměrného adaptéru a k napájení integrovaných obvodů NE555 a IR2110 je zapotřebí napájení 5V a 12V.

Generátor trojúhelníkových vln s 555 Astable Multivibrator:

Jak můžete vidět z výše uvedeného obrázku, použili jsme časovač 555 s odporem 2,2 K ke generování trojúhelníkového signálu 260 kHz, pokud se chcete dozvědět více o Astable Multivibrator, můžete se podívat na náš předchozí příspěvek o 555 Timer Based Astable Multivibrator Okruh, kde jsme popsali všechny potřebné výpočty.

Modulační obvod:

Jak je vidět z výše uvedeného obrázku, k modulaci vstupního zvukového signálu jsme použili jednoduchý LM358 Op-Amp. Když už mluvíme o příchozích zvukových signálech, k získání zvukového signálu jsme použili dva 10K vstupní rezistory a protože používáme jediný zdroj, připojili jsme potenciometr k vyrovnání nulového signálu přítomného ve vstupním zvuku. Výstup tohoto komparátoru bude vysoký, když je hodnota vstupního zvukového signálu větší než vstupní trojúhelníková vlna, a na výstupu dostaneme modulovanou čtvercovou vlnu, kterou pak přivádíme do ovladače MOSFET brány IC.

Integrovaný ovladač brány MOSFET IR2110:

Protože pracujeme s mírně středně vysokými frekvencemi, použili jsme IC ovladač MOSFET brány pro správné řízení MOSFET. Všechny potřebné obvody jsou umístěny podle doporučení v datovém listu IR2110 IC. Pro správnou funkci tento IC vyžaduje invertovaný signál vstupního signálu, a proto jsme pro generování invertované obdélníkové vlny vstupního signálu použili vysokofrekvenční tranzistor BF200.

Fáze výstupu MOSFET:

Jak můžete vidět z výše uvedeného obrázku, máme výstupní fázi MOSFET, která je také hlavním výstupním ovladačem, protože máme co do činění s vysokofrekvenčními a indukčními cívkami, vždy jsou zapojeny přechodové jevy, proto jsme použili nějaký UF4007 jako flyback diody, které zabraňují poškození MOSFETů.

LC dolní propust:

Výstup z MOSFET budicího stupně je vysokofrekvenční obdélníková vlna, tento signál je naprosto nevhodný pro řízení zátěží jako reproduktor. Abychom tomu zabránili, použili jsme induktor 26uH ​​s nepolarizovaným kondenzátorem 1uF k výrobě nízkoprůchodového filtru, který se označuje jako C11. Takto funguje jednoduchý obvod.

Testování obvodu zesilovače třídy D.

Jak můžete vidět z výše uvedeného obrázku, k napájení obvodu jsem použil 12V napájecí adaptér. Jelikož používám cenově dostupný čínský, vydává o něco více než 12V, je to přesně 13,5V, což je ideální pro náš palubní regulátor napětí LM7812. Jako zátěž používám reproduktor 4 Ohmy, 5Watt. Pro zvukový vstup používám svůj notebook s dlouhým 3,5 mm zvukovým konektorem.

Když je obvod zapnutý, není slyšet žádný hučivý zvuk, který můžete získat z jiných typů zesilovačů, ale jak vidíte na videu, tento obvod není dokonalý a má problém s ořezáváním na vyšších vstupních úrovních, takže toto obvod má velký prostor pro vylepšení. Jelikož jsem řídil mírně nízké zatížení, MOSFETy se vůbec neohřály, a proto pro tyto testy nevyžaduje žádný chladič.

Další vylepšení

Tento obvod výkonového zesilovače třídy D je jednoduchý prototyp a má spoustu prostoru pro vylepšení. Mým hlavním problémem s tímto obvodem byla technika vzorkování, kterou je třeba vylepšit. Aby se snížilo ořezávání zesilovače, je třeba vypočítat správné hodnoty indukčnosti a kapacity, aby se dosáhlo dokonalého stupně nízkofrekvenčního filtru. Jako vždy lze obvod vyrobit na desce plošných spojů pro lepší výkon. Lze přidat ochranný obvod, který bude chránit obvod před přehřátím nebo zkratem.

Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se z něj něco nového. Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete se zeptat v komentářích níže nebo můžete použít naši fóra pro podrobnou diskusi.