Hur man bygger en hög effektivitetsklass

Ljudinnehåll har kommit långt under de senaste decennierna, från en klassisk rörförstärkare till dagens mediaspelare, tekniska framsteg har förändrat sättet att konsumera digitala medier. Bland alla dessa innovationer har bärbara mediaspelare blivit ett av de första valen bland konsumenterna på grund av deras livliga ljudkvalitet och långa batteritid. Så hur fungerar det och hur det låter så bra. Som en elektronisk entusiast kommer den här frågan alltid att tänka på mig. Trots framsteg inom högtalarteknologi spelade förbättringar av förstärkarmetodiken en stor roll och det uppenbara svaret på denna fråga är en klass D-förstärkare.Så i det här projektet kommer vi att ta tillfället i akt att diskutera en klass D-förstärkare och känna till fördelarna och nackdelarna med den. Slutligen kommer vi att bygga en hårdvaruprototyp av förstärkaren och testa dess prestanda. Låter intressant rätt! Så låt oss gå in i det.

Om du är intresserad av ljudförstärkarkretsar kan du kolla in våra artiklar om ämnet där vi har byggt kretsar med hjälp av op-förstärkare, MOSFET och IC som TDA2030, TDA2040 och TDA2050.

Grunderna i klass D-förstärkare

Vad är en klass-D ljudförstärkare? Det enklaste svaret blir, det är en omkopplingsförstärkare. Men för att förstå hur det fungerar måste vi lära oss hur det fungerar och hur kopplingssignalen produceras, för det kan du följa blockschemat nedan.

Så varför en omkopplingsförstärkare? Det uppenbara svaret på denna fråga är effektivitet. Jämfört med klass A-, klass B- och klass AB-förstärkare kan klass D-ljudförstärkaren uppnå en verkningsgrad på upp till 90-95%. Om den maximala verkningsgraden för en klass AB-förstärkare är 60-65%, eftersom de arbetar på det aktiva området och uppvisar låg effektförlust, kan du ta reda på det om du multiplicerar kollektor-emitterspänning med strömmen. För att lära dig mer om ämnet, kolla in vår artikel om klasser av effektförstärkare där vi diskuterade alla relaterade förlustfaktorer.

Nu, tillbaka till vårt förenklade blockschema över klass D ljudförstärkare, som du kan se på den icke-inverterande terminalen, har vi vår ljudingång, och på den inverterande terminalen har vi vår högfrekventa triangulära signal. Vid denna tidpunkt, när spänningen för ingångssignalen är större än spänningen för den triangulära vågen, blir utgången från komparatorn hög, och när signalen är låg är utgången låg. Med denna inställning modulerade vi bara ingångssignalen med en högfrekvent bärvågssignal, som sedan ansluts till en MOSFET-gate-enhet IC, och som namnet antyder används föraren för att driva porten till två MOSFETs för båda de höga sida och låg sida en gång. Vid utgången får vi en kraftfull högfrekvent fyrkantvåg vid utgången, som vi passerar genom ett lågpassfiltersteg för att få vår slutliga ljudsignal.

Komponenter som krävs för att bygga klass-D ljudförstärkarkrets

Nu har vi förstått grunderna för en klass-D ljudförstärkare och vi kan gå för att hitta komponenterna för att bygga en DIY klass D-förstärkare. Eftersom detta är ett enkelt testprojekt är komponentkravet mycket generiskt och du kan hitta de flesta av dem från en lokal hobbybutik. En lista över komponenter med en bild ges nedan.

Dellista för att bygga en klass D-förstärkare:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. NE555 Timer IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. 102 pF kondensator - 1
7. 103 pF kondensator - 1
8. 104 pF kondensator - 2
9. 105 pF kondensator - 1
10. 224 pF kondensator - 1
11. 22uF kondensator - 1
12. 470uF kondensator - 1
13. 220uF kondensator - 1
14. 100uF kondensator - 2
15. 2.2K Motstånd - 1
16. 10 K motstånd - 2
17. 10R-motstånd - 2
18. 3,5 mm ljuduttag - 1
19. 5,08 mm skruvplint - 2
20. UF4007-diod - 3
21. IRF640 MOSFET: er - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH Induktor - 1
24. 3,5 mm hörlursuttag - 1

Klass D Ljudförstärkare - Schematiskt diagram

Det schematiska diagrammet för vår klass-D förstärkarkrets visas nedan:

Bygga kretsen på PerfBoard

Som du kan se från huvudbilden har vi gjort kretsen på en bit perfboard. För att först är kretsen väldigt enkel och för det andra om något går fel kan vi ändra det snabbt och enkelt. Vi gjorde de flesta anslutningarna med hjälp av koppartråd, men i vissa slutfaser var vi tvungna att använda några anslutningsledningar för att slutföra byggnaden. Den färdiga perfboardkretsen visas nedan.

Arbeta med klass-D ljudförstärkare

I detta avsnitt kommer vi att gå igenom varje större block i kretsen och förklara varje block. Denna Op-amp baserade Class-D ljudförstärkare består av mycket generiska komponenter som du kan hitta i din lokala hobbybutik.

Ingångsspänningsregulatorerna:

Vi börjar med att reglera ingångsspänningen med en LM7805, 5V spänningsregulator och en LM7812, en 12 Volt spänningsregulator. Detta är viktigt eftersom vi kommer att driva kretsen med en 13,5V DC-adapter, och att driva NE555 och IR2110 IC, 5V och 12V strömförsörjning behövs.

Triangular Wave Generator med 555 Astable Multivibrator:

Som du kan se från bilden ovan har vi använt en 555 timer med ett 2,2K motstånd för att generera en 260KHz triangulär signal, om du vill veta mer om Astable Multivibrator kan du kolla in vårt tidigare inlägg på 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, där vi har beskrivit alla nödvändiga beräkningar.

Modulation Circuit:

Som du kan se från bilden ovan har vi använt en enkel LM358 Op-Amp för att modulera ingångssignalen. På tal om inkommande ljudsignaler har vi använt två 10K-ingångsmotstånd för att få ljudsignalen och eftersom vi använder en enda matning har vi anslutit en potentiometer för att kompensera för nollsignalen i ingångsljudet. Utgången från denna komparator kommer att vara hög när värdet på ingångssignalen är större än ingångens triangulära våg, och vid utgången får vi en modulerad fyrkantvåg, som vi sedan matar till en MOSFET-gate-drivrutin IC.

IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Eftersom vi arbetar med några måttligt höga frekvenser har vi använt en MOSFET gate driver IC för att köra MOSFET ordentligt. Alla nödvändiga kretsar är placerade enligt rekommendationen i databladet IR2110 IC. För korrekt drift kräver denna IC en inverterad signal från insignalen, varför vi har använt en BF200, en högfrekvent transistor för att generera den inverterade fyrkantsvågen hos insignalen.

MOSFET-utgångsscenen:

Som du kan se från ovanstående bild har vi MOSFET-utgångssteget, vilket också är den viktigaste utgångsdrivrutinen, eftersom vi har att göra med högfrekvens och induktorer, det är alltid transienter involverade, varför vi har använt några UF4007 som flyback dioder som förhindrar att MOSFET: erna skadas.

LC lågpassfilter:

Utgången från MOSFET-drivrutinen är en högfrekvent fyrkantvåg, denna signal är absolut olämplig för att köra laster som en högtalare. För att förhindra det har vi använt en 26uH-induktor med en 1uF icke-polariserad kondensator för att skapa ett lågpassfilter som betecknas som C11. Så här fungerar den enkla kretsen.

Testa klass-D-förstärkarkretsen

Som du kan se från bilden ovan har jag använt en 12V nätadapter för att driva kretsen. Eftersom jag använder en prisvärd kinesisk, ger den lite mer än 12V, det är 13,5V för att vara exakt, vilket är perfekt för vår inbyggda LM7812 spänningsregulator. Som belastning använder jag en 4 ohm, 5 watt högtalare. För ljudingången använder jag min bärbara dator med ett långt 3,5 mm ljuduttag.

När kretsen är påslagen finns det inget märkbart surrande ljud som du kan få från andra typer av förstärkare, men som du kan se på videon är den här kretsen inte perfekt och den har ett klippklipp vid högre ingångsnivåer, så detta har mycket utrymme för förbättringar. Eftersom jag körde måttligt låga belastningar blev MOSFET-enheterna inte heta alls, och för de här testerna kräver det ingen kylfläns.

Ytterligare förbättringar

Denna klass D effektförstärkarkrets är en enkel prototyp och har mycket utrymme för förbättringar. Mitt huvudproblem med den här kretsen var provtagningstekniken, som måste förbättras. För att minska förstärkarens klippning måste korrekta induktans- och kapacitansvärden beräknas för att få ett perfekt lågpassfiltersteg. Som alltid kan kretsen göras på ett kretskort för bättre prestanda. En skyddskrets kan läggas till som skyddar kretsen mot överhettning eller kortslutningsförhållanden.

Jag hoppas att du gillade den här artikeln och lärde dig något nytt av den. Om du är osäker kan du fråga i kommentarerna nedan eller använda våra forum för detaljerad diskussion.