Как построить высокий класс эффективности

Аудиоконтент прошел долгий путь за последние десятилетия: от классического лампового усилителя до современных медиаплееров, технологические достижения изменили способ использования цифровых медиа. Среди всех этих нововведений портативные медиаплееры стали одними из первых, выбранных потребителями, благодаря их яркому качеству звука и длительному времени автономной работы. Итак, как это работает и как это хорошо звучит. Мне, как энтузиасту электроники, всегда приходит этот вопрос. Несмотря на достижения в технологии громкоговорителей, усовершенствования методологии усиления сыграли большую роль, и очевидным ответом на этот вопрос является усилитель класса D.Итак, в этом проекте мы воспользуемся возможностью обсудить усилитель класса D и узнать его плюсы и минусы. Наконец, мы создадим аппаратный прототип усилителя и протестируем его работу. Звучит интересно! Итак, приступим к делу.

Если вас интересуют схемы аудиоусилителей, вы можете ознакомиться с нашими статьями по теме, где мы построили схемы с использованием операционных усилителей, полевых МОП-транзисторов и микросхем, таких как TDA2030, TDA2040 и TDA2050.

Основы усилителя класса D

Что такое аудиоусилитель класса D? Самый простой ответ - это коммутационный усилитель. Но чтобы понять, как он работает, нам нужно узнать, как он работает и как вырабатывается сигнал переключения, для этого вы можете следовать блок-схеме, приведенной ниже.

Так почему же коммутирующий усилитель? Очевидный ответ на этот вопрос - эффективность. По сравнению с усилителями класса A, класса B и класса AB, аудиоусилитель класса D может достигать КПД до 90-95%. Если максимальный КПД усилителя класса AB составляет 60-65%, потому что они работают в активной области и демонстрируют низкие потери мощности, если вы умножите напряжение коллектор-эмиттер на ток, вы можете это выяснить. Чтобы узнать больше по этой теме, ознакомьтесь с нашей статьей о классах усилителей мощности, в которой мы обсудили все связанные факторы потерь.

Теперь вернемся к нашей упрощенной блок-схеме аудиоусилителя класса D., как вы можете видеть на неинвертирующем терминале, у нас есть аудиовход, а на инвертирующем терминале у нас есть высокочастотный треугольный сигнал. В этот момент, когда напряжение входного аудиосигнала больше, чем напряжение треугольной волны, выход компаратора становится высоким, а когда сигнал низкий, выходным. В этой настройке мы просто модулировали входной аудиосигнал высокочастотным несущим сигналом, который затем подключается к ИС управления затвором полевого МОП-транзистора, и, как следует из названия, драйвер используется для управления затвором двух полевых МОП-транзисторов для обоих полевых МОП-транзисторов. сторона и низкая сторона один раз. На выходе мы получаем мощную высокочастотную прямоугольную волну на выходе, которую мы пропускаем через каскад фильтра нижних частот, чтобы получить наш окончательный аудиосигнал.

Компоненты, необходимые для построения схемы усилителя звука класса D

Теперь мы поняли основы аудио усилителя класса D, и мы можем двигаться, чтобы найти компоненты, чтобы построить amplifie DIY класса D г. Поскольку это простой тестовый проект, требования к компонентам очень общие, и вы можете найти большинство из них в местном магазине товаров для хобби. Список компонентов с изображением приведен ниже.

Список запчастей для создания усилителя мощности класса D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 операционный усилитель - 1
3. NE555 Таймер IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Конденсатор 102 пФ - 1
7. Конденсатор 103 пФ - 1 шт.
8. Конденсатор 104 пФ - 2
9. Конденсатор 105 пФ - 1 шт.
10. Конденсатор 224 пФ - 1 шт.
11. Конденсатор 22uF - 1
12. Конденсатор 470uF - 1
13. Конденсатор 220 мкФ - 1 шт.
14. Конденсатор 100 мкФ - 2
15. Резистор 2,2 кОм - 1 шт.
16. Резистор 10 кОм - 2 шт.
17. Резистор 10R - 2 шт.
18. Аудиоразъем 3,5 мм - 1
19. 5,08 мм винтовой зажим - 2
20. UF4007 Диод - 3
21. IRF640 МОП-транзисторы - 2
22. Горшок обрезки 10K - 1
23. Индуктор 26uH ​​- 1
24. Разъем для наушников 3,5 мм - 1

Усилитель звука класса D - принципиальная схема

Принципиальная схема нашей схемы усилителя класса D показана ниже:

Создание схемы на PerfBoard

Как вы можете видеть на основном изображении, мы сделали схему на куске перфокарта. Потому что, во-первых, схема очень проста, а во-вторых, если что-то пойдет не так, мы можем быстро и легко ее изменить. Мы сделали большую часть соединений с помощью медного провода, но на некоторых заключительных этапах нам пришлось использовать несколько соединительных проводов для завершения сборки. Завершенная схема перфокарта показана ниже.

Работа усилителя звука класса D

В этом разделе мы рассмотрим все основные блоки схемы и объясним каждый блок. Этот аудиоусилитель класса D на базе операционного усилителя состоит из очень общих компонентов, которые вы можете найти в своем местном магазине для хобби.

Регуляторы входного напряжения:

Начнем с регулирования входного напряжения с помощью регулятора напряжения LM7805 на 5 В и регулятора напряжения LM7812 на 12 В. Это важно, потому что мы собираемся запитать схему с помощью адаптера постоянного тока 13,5 В, а для питания микросхем NE555 и IR2110 необходим источник питания 5 В и 12 В.

Генератор треугольных волн с астабильным мультивибратором 555:

Как видно из приведенного выше изображения, мы использовали таймер 555 с резистором 2,2 кОм для генерации треугольного сигнала 260 кГц. Если вы хотите узнать больше о нестабильном мультивибраторе, вы можете ознакомиться с нашим предыдущим постом о нестабильном мультивибраторе на основе таймера 555. Схема, где мы описали все необходимые расчеты.

Схема модуляции:

Как вы можете видеть на изображении выше, мы использовали простой операционный усилитель LM358 для модуляции входного аудиосигнала. Говоря о входящих аудиосигналах, мы использовали два входных резистора 10 кОм, чтобы получить аудиосигнал, и, поскольку мы используем один источник, мы прикрепили потенциометр для смещения нулевого сигнала, присутствующего во входном аудио. Выход этого компаратора будет высоким, когда значение входного аудиосигнала больше входной треугольной волны, а на выходе мы получим модулированную прямоугольную волну, которую мы затем подадим на ИС драйвера затвора MOSFET.

Микросхема драйвера затвора полевого МОП-транзистора IR2110:

Поскольку мы работаем с некоторыми умеренно высокими частотами, мы использовали ИС драйвера затвора MOSFET для правильного управления MOSFET. Вся необходимая схема размещена в соответствии с рекомендациями спецификации IR2110 IC. Для правильной работы этой ИС требуется инвертированный сигнал входного сигнала, поэтому мы использовали BF200, высокочастотный транзистор для генерации инвертированной прямоугольной волны входного сигнала.

Выходной каскад MOSFET:

Как вы можете видеть на изображении выше, у нас есть выходной каскад MOSFET, который также является основным выходным драйвером, поскольку мы имеем дело с высокой частотой и индукторами, всегда присутствуют переходные процессы, поэтому мы использовали некоторые UF4007 в качестве обратного хода диоды, которые предотвращают повреждение полевых МОП-транзисторов.

LC фильтр нижних частот:

Выходной сигнал каскада драйвера MOSFET представляет собой высокочастотную прямоугольную волну, этот сигнал абсолютно не подходит для управления нагрузками, такими как громкоговоритель. Чтобы предотвратить это, мы использовали катушку индуктивности 26 мкГн с неполяризованным конденсатором 1 мкФ для создания фильтра нижних частот, который обозначен как C11. Так работает простая схема.

Тестирование схемы усилителя класса D

Как вы можете видеть на изображении выше, я использовал адаптер питания 12 В для питания схемы. Поскольку я использую доступный китайский, он выдает немного больше, чем 12 В, а точнее 13,5 В, что идеально подходит для нашего встроенного стабилизатора напряжения LM7812. В качестве нагрузки я использую динамик 4 Ом, 5 Вт. В качестве аудиовхода я использую свой ноутбук с длинным аудиоразъемом 3,5 мм.

Когда схема включена, нет заметного гудящего звука, который вы можете получить от других типов усилителей, но, как вы можете видеть на видео, эта схема не идеальна и имеет проблему с ограничением на более высоких входных уровнях, поэтому это Схема имеет много возможностей для улучшений. Поскольку я ездил с умеренно низкими нагрузками, полевые МОП-транзисторы вообще не нагревались, и, следовательно, для этих тестов не требовался радиатор.

Дальнейшие улучшения

Эта схема усилителя мощности класса D является простым прототипом и имеет много возможностей для улучшений. Моя основная проблема с этой схемой заключалась в методе выборки, который необходимо улучшить. Чтобы уменьшить ограничение усилителя, необходимо рассчитать правильные значения индуктивности и емкости, чтобы получить идеальный каскад фильтра нижних частот. Как всегда, схему можно сделать на печатной плате для лучшей производительности. Можно добавить схему защиты, которая защитит схему от перегрева или короткого замыкания.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.