Как да изградим клас с висока ефективност

През последните десетилетия аудиосъдържанието е изминало дълъг път, от класически лампови усилватели до съвременни медийни плейъри, технологичният напредък е променил начина на потребление на цифровите медии. Сред всички тези нововъведения преносимите медийни плейъри се превърнаха в един от първите решения сред потребителите, поради тяхното жизнено качество на звука и дълъг живот на батерията. И така, как работи и как звучи толкова добре. Като електронен ентусиаст този въпрос винаги ми идва на ум. Въпреки напредъка в технологията на високоговорителите, подобренията в методологията на усилвателя изиграха голяма роля и очевидният отговор на този въпрос е усилвател от клас D.Така че в този проект ще се възползваме от възможността да обсъдим усилвател клас D и да знаем плюсовете и минусите на него. Накрая ще изградим хардуерен прототип на усилвателя и ще тестваме неговата производителност. Звучи интересно нали! Така че нека да влезем направо в него.

Ако се интересувате от аудио усилвателни схеми, можете да разгледате нашите статии по темата, където сме изградили схеми, използвайки оп-усилватели, MOSFET и IC като TDA2030, TDA2040 и TDA2050.

Основите на усилвател клас D

Какво е аудио усилвател от клас D? Най-простият отговор ще бъде, това е превключващ усилвател. Но за да разберем работата му, трябва да научим как функционира и как се произвежда превключващият сигнал, за това можете да следвате блок-схемата, дадена по-долу.

И така, защо превключващ усилвател? Очевидният отговор на този въпрос е ефективността. В сравнение с усилвателите клас A, клас B и клас AB, аудио усилвателят клас D може да достигне ефективност до 90-95%. Където максималната ефективност на усилвател от клас AB е 60-65%, тъй като те работят върху активната област и показват ниски загуби на мощност, ако умножите напрежението колектор-емитер с тока, можете да разберете това. За да научите повече по темата, вижте нашата статия за класове усилватели на мощност, където обсъдихме всички свързани фактори на загубата.

Сега, обратно към нашата опростена блок-схема на аудио усилвателя от клас D, както можете да видите на неинвертиращия терминал, ние имаме нашия аудио вход, а на инвертиращия терминал, имаме нашия високочестотен триъгълен сигнал. В този момент, когато напрежението на входния аудио сигнал е по-голямо от напрежението на триъгълната вълна, изходът на компаратора отива високо, а когато сигналът е нисък, изходът е нисък. С тази настройка, ние току-що модулирахме входния аудио сигнал с високочестотен носещ сигнал, който след това се свързва към интегрална схема на MOSFET порта, и както подсказва името, драйверът се използва за задвижване на порта на два MOSFET за двете високи страна и ниска страна веднъж. На изхода получаваме мощна високочестотна квадратна вълна на изхода, която преминаваме през нискочестотен филтър, за да получим крайния си аудио сигнал.

Компоненти, необходими за изграждане на верига за усилвател на клас D

Сега разбрахме основите на аудио усилвател от клас D и можем да се придвижим, за да намерим компонентите за изграждане на усилвател от клас D, направи си сам. Тъй като това е прост тестов проект, изискването за компонент е много общо и можете да намерите повечето от тях в местен магазин за хоби. Списък на компонентите със снимка е даден по-долу.

Списък на частите за изграждане на усилвател на мощност клас D:

IR2110 IC - 1
Lm358 OP-Amp - 1
NE555 IC таймер - 1
LM7812 IC - 1
LM7805 IC - 1
Кондензатор 102 pF - 1
Кондензатор 103 pF - 1
Кондензатор 104 pF - 2
Кондензатор 105 pF - 1
Кондензатор 224 pF - 1
Кондензатор 22uF - 1
Кондензатор 470uF - 1
Кондензатор 220uF - 1
Кондензатор 100uF - 2
2.2K резистор - 1
10 K резистор - 2
10R резистор - 2
3,5 мм аудио жак - 1
5,08 mm винтов терминал - 2
UF4007 Диод - 3
IRF640 MOSFET - 2
10K Trim POT - 1
26uH индуктор - 1
3,5 мм жак за слушалки - 1

Аудио усилвател клас D - Схематична диаграма

Схематичната диаграма за нашата усилвателна схема клас D е показана по-долу:

Изграждане на веригата на PerfBoard

Както можете да видите от основното изображение, ние направихме веригата върху парче перфборд. Защото, първо, веригата е много проста и второ, ако нещо се обърка, можем да я модифицираме бързо и лесно. Направихме повечето от връзките с помощта на меден проводник, но в някои последни етапи трябваше да използваме няколко свързващи проводника, за да завършим изграждането. Изпълнената схема на перфборда е показана по-долу.

Работа на аудио усилвател от клас D

В този раздел ще разгледаме всеки основен блок на веригата и ще обясним всеки блок. Този аудио усилвател Class-D, базиран на Op- усилвател, е съставен от много общи компоненти, които можете да намерите в местния магазин за хоби.

Регулаторите на входното напрежение:

Започваме с регулиране на входното напрежение с LM7805, 5V регулатор на напрежение и LM7812, 12 Volt регулатор на напрежение. Това е важно, тъй като ще захранваме веригата с адаптер за постоянен ток 13.5V и за захранване на NE555 и IR2110 IC, е необходимо 5V и 12V захранване.

Триъгълен генератор на вълни с 555 подвижен мултивибратор:

Както можете да видите от горното изображение, ние използвахме 555 таймер с 2.2K резистор, за да генерираме 260KHz триъгълен сигнал, ако искате да научите повече за Astable Multivibrator, можете да проверите предишната ни публикация за 555 Timer Based Avable Multivibrator Верига, където сме описали всички необходими изчисления.

Модулационната схема:

Както можете да видите от горното изображение, ние използвахме прост LM358 Op-Amp за модулиране на входния аудио сигнал. Говорейки за входящи аудио сигнали, ние използвахме два 10K входни резистора, за да получим аудио сигнала и тъй като използваме едно захранване, прикачихме потенциометър за компенсиране на нулевия сигнал, присъстващ във входния аудио. Изходът на този компаратор ще бъде висок, когато стойността на входния аудио сигнал е по-голяма от входната триъгълна вълна, а на изхода ще получим модулирана квадратна вълна, която след това подаваме към интегрална схема на драйвера на MOSFET порта.

IC драйвер за порта за IR2110 MOSFET:

Тъй като работим с някои умерено високи честоти, използвахме интегрална схема на драйвера на MOSFET порта, за да управляваме правилно MOSFET. Всички необходими схеми са поставени, както се препоръчва в листа с данни на IR2110 IC. За правилна работа този IC изисква инвертиран сигнал на входния сигнал, поради което използвахме BF200, високочестотен транзистор за генериране на обърната квадратна вълна на входния сигнал.

Изходният етап на MOSFET:

Както можете да видите от горното изображение, имаме MOSFET изходен етап, който е и основният изходен драйвер, тъй като имаме работа с високочестотни и индуктивни, винаги има преходни процеси, поради което използвахме някои UF4007 като обратна връзка диоди, които предпазват MOSFET от повреда.

Нискочестотен филтър LC:

Изходът от степента на MOSFET драйвер е високочестотна квадратна вълна, този сигнал е абсолютно неподходящ за шофиране на товари като високоговорител. За да го предотвратим, използваме 26uH индуктор с 1uF неполяризиран кондензатор, за да направим нискочестотен филтър, който е означен като C11. Ето как функционира простата верига.

Тестване на схема на усилвател клас-D

Както можете да видите от горното изображение, използвах 12V захранващ адаптер за захранване на веригата. Тъй като използвам достъпен китайски, той дава малко повече от 12V, по-точно 13,5V, което е идеално за нашия вграден регулатор на напрежение LM7812. Като товар използвам високоговорител с 4 ома и 5 вата. За аудио входа използвам лаптопа си с дълъг 3,5 мм аудио жак.

Когато веригата е включена, няма забележим тананикащ звук, който може да получите от други видове усилватели, но както можете да видите на видеото, тази схема не е перфектна и има проблем с отрязването при по-високи входни нива, така че това верига има много място за подобрения. Тъй като шофирах умерено ниски товари, MOSFET-тата изобщо не се нагряха и по този начин за тези тестове не се изисква радиатор.

Допълнителни подобрения

Тази схема на усилвател на мощност клас D е прост прототип и има много място за подобрения. Основният ми проблем с тази схема беше техниката за вземане на проби, която трябва да се подобри. За да се намали изрязването на усилвателя, трябва да се изчислят правилните стойности на индуктивност и капацитет, за да се получи перфектен етап на нискочестотен филтър. Както винаги, веригата може да бъде направена на печатни платки за по-добра производителност. Може да се добави схема за защита, която ще предпази веригата от условия на прегряване или късо съединение.

Надявам се тази статия да ви е харесала и да сте научили нещо ново от нея. Ако имате някакви съмнения, можете да попитате в коментарите по-долу или да използвате нашите форуми за подробна дискусия.