Hogyan lehet magas hatékonyságú osztályt felépíteni

A hangtartalom hosszú utat tett meg az elmúlt évtizedekben, a klasszikus tubuserősítőtől a modern médialejátszókig a technológiai fejlődés megváltoztatta a digitális média fogyasztásának módját. Ezen újítások között a hordozható médialejátszók élénk hangminőségük és hosszú akkumulátor-élettartamuk miatt az első választásokká váltak a fogyasztók körében. Tehát hogyan működik, és hogyan hangzik olyan jól. Elektronikus rajongóként mindig ez a kérdés jut eszembe. A hangszórótechnika fejlődése ellenére az erősítő módszertanának fejlesztése nagy szerepet játszott, és a kérdés nyilvánvaló válasza a D osztályú erősítő.Tehát ebben a projektben megragadjuk az alkalmat, hogy megvitassunk egy D osztályú erősítőt, és megismerjük annak előnyeit és hátrányait. Végül elkészítjük az erősítő hardveres prototípusát és teszteljük annak teljesítményét. Érdekesen hangzik! Szóval menjünk bele rögtön.

Ha érdekli az audio erősítő áramkörök, megnézheti a témával kapcsolatos cikkeket, ahol op-erősítők, MOSFET-ek és IC-k segítségével építettünk áramköröket, mint például a TDA2030, TDA2040 és TDA2050.

A D osztályú erősítő alapjai

Mi az a D osztályú hangerősítő? A legegyszerűbb válasz az, hogy ez egy kapcsolóerősítő. De ahhoz, hogy megértsük a működését, meg kell tanulnunk, hogyan működik és hogyan állítja elő a kapcsolási jelet, ehhez kövesse az alább megadott blokkdiagramot.

Tehát miért egy kapcsolóerősítő? A kérdés nyilvánvaló válasza a hatékonyság. Az A, B és AB osztályú erősítőkhöz képest a D osztályú hangerősítő akár 90-95% -os hatékonyságot is elérhet. Ahol az AB osztályú erősítő maximális hatékonysága 60-65%, mivel ezek az aktív régióban működnek és alacsony energiaveszteséget mutatnak, ha a kollektor-emitter feszültséget szorozzuk az árammal, akkor ezt megtudhatjuk. Ha többet szeretne megtudni a témáról, olvassa el cikkünket a teljesítményerősítők osztályairól, ahol megvitattuk az összes kapcsolódó veszteségtényezőt.

Most térjünk vissza a D osztályú hangerősítő egyszerűsített blokkdiagramjára, amint láthatja a nem invertáló terminálon, megvan az audio bemenetünk, az invertáló terminálon pedig a nagyfrekvenciás háromszög jelünk. Ezen a ponton, amikor a bemenő audiojel feszültsége nagyobb, mint a háromszög alakú hullám feszültsége, a komparátor kimenete magasra megy, és amikor a jel alacsony, a kimenet alacsony. Ezzel a beállítással csak moduláltuk a bemenő audiojelet egy nagyfrekvenciás vivőjellel, amely ezután csatlakozik egy MOSFET kapuhajtó IC-hez, és ahogy a neve is mutatja, az illesztőprogramot két MOSFET kapujának meghajtására használják mind a magas, mind a magas oldal és alacsony oldal egyszer. A kimeneten egy erős, nagyfrekvenciás négyzethullámot kapunk a kimeneten, amelyet egy aluláteresztő szűrő fokozaton haladunk át, hogy megkapjuk a végső hangjelet.

A D osztályú hangerősítő áramkör kiépítéséhez szükséges alkatrészek

Most már megértettük a D osztályú hangerősítő alapjait, és elmozdulhatunk, hogy megtaláljuk az alkatrészeket egy DIY D osztályú erősítő felépítéséhez. Mivel ez egy egyszerű tesztprojekt, az alkatrészigény nagyon általános, és a legtöbbet megtalálhatja egy helyi hobbiboltban. Az alábbiakban felsoroljuk az alkotóelemeket egy képpel.

Alkatrészlista a D osztályú erősítő felépítéséhez:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. NE555 időzítő IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. 102 pF kondenzátor - 1
7. 103 pF kondenzátor - 1
8. 104 pF kondenzátor - 2
9. 105 pF kondenzátor - 1
10. 224 pF kondenzátor - 1
11. 22uF kondenzátor - 1
12. 470uF kondenzátor - 1
13. 220uF kondenzátor - 1
14. 100uF kondenzátor - 2
15. 2.2K ellenállás - 1
16. 10 K ellenállás - 2
17. 10R ellenállás - 2
18. 3,5 mm-es audio csatlakozó - 1
19. 5,08 mm-es csavaros kapocs - 2
20. UF4007 dióda - 3
21. IRF640 MOSFET - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH induktivitás - 1
24. 3,5 mm-es fejhallgató-csatlakozó - 1

D osztályú hangerősítő - sematikus ábra

A D osztályú erősítő áramkörünk vázlatos diagramja az alábbiakban látható:

Az áramkör felépítése a PerfBoard-ra

Amint az a fő képből látható, az áramkört egy darab perfboardra készítettük. Mert először az áramkör nagyon egyszerű, másodszor pedig, ha valami nem stimmel, gyorsan és egyszerűen módosíthatjuk. A legtöbb csatlakozást rézhuzal segítségével hoztuk létre, de néhány utolsó szakaszban néhány összekötő vezetéket kellett felhasználnunk az építkezés befejezéséhez. A teljes perfboard áramkört az alábbiakban mutatjuk be.

D-osztályú erősítő működése

Ebben a szakaszban végigmegyünk az áramkör minden nagyobb blokkján, és megmagyarázzuk az egyes blokkokat. Ez az Op-amp alapú D-osztályú hangerősítő nagyon általános összetevőkből áll, amelyeket a helyi hobbiboltban találhat meg.

Bemeneti feszültségszabályozók:

Kezdjük azzal, hogy a bemeneti feszültséget egy LM7805, 5V feszültségszabályzóval és egy LM7812, egy 12 voltos feszültségszabályzóval szabályozzuk. Ez azért fontos, mert az áramkört 13,5 V DC adapterrel fogjuk táplálni, és az NE555 és IR2110 IC táplálásához 5V és 12V tápegységre van szükség.

Háromszög hullámgenerátor 555 Astable multivibrátorral:

Amint a fenti képből látható, egy 555-ös időzítőt használtunk 2,2K-os ellenállással 260KHz-es háromszögű jel előállításához, ha többet szeretne tudni az Astable Multivibratorról, megnézheti az 555 Timer Based Astable Multivibrator korábbi bejegyzését Áramkör, ahol leírtuk az összes szükséges számítást.

A modulációs áramkör:

Amint a fenti képen látható, egy egyszerű LM358 Op-Amp-t használtunk a bemeneti hangjel modulálásához. A bejövő audiojelekről szólva két 10K bemeneti ellenállást használtunk az audiojel megszerzéséhez, és mivel egyetlen tápegységet használunk, csatlakoztattunk egy potenciométert a bemeneti hangban lévő nulla jel ellensúlyozásához. Ennek az összehasonlítónak a kimenete akkor lesz magas, ha a bemenő audiojel értéke nagyobb, mint a bemenő háromszög hullám, és a kimeneten egy modulált négyzethullámot kapunk, amelyet ezután egy MOSFET kapu meghajtó IC-be táplálunk.

Az IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Mivel mérsékelten magas frekvenciákkal dolgozunk, a MOSFET megfelelő meghajtásához MOSFET gate driver IC-t használtunk. Az összes szükséges áramkört az IR2110 IC adatlapjának ajánlása szerint helyezzük el. A megfelelő működéshez ehhez az IC-hez a bemenőjel invertált jelére van szükség, ezért BF200-at, egy nagyfrekvenciás tranzisztort használtunk a bemeneti jel invertált négyzethullámának előállításához.

A MOSFET kimeneti szakasz:

Amint a fenti képből látható, megvan a MOSFET kimeneti fokozat, amely egyben a fő kimeneti meghajtó is, mivel nagyfrekvenciás és induktorokkal van dolgunk, mindig vannak tranziensek, ezért is használtunk néhány UF4007-et flyback-ként diódák, amelyek megakadályozzák a MOSFET károsodását.

Az LC aluláteresztő szűrő:

A MOSFET meghajtó fokozatának kimenete nagyfrekvenciás négyzethullám, ez a jel abszolút nem alkalmas terhelések vezetésére, mint például egy hangszóró. Ennek megakadályozása érdekében egy 26uH ​​induktort használtunk 1uF nem polarizált kondenzátorral egy aluláteresztő szűrő előállítására, amelyet C11-nek jelölünk. Így működik az egyszerű áramkör.

A D osztályú erősítő áramkörének tesztelése

Amint a fenti képen látható, 12 V-os hálózati adaptert használtam az áramkör táplálásához. Mivel megfizethető kínai módszert használok, ez valamivel többet ad ki, mint a 12 V, egészen pontosan 13,5 V, ami tökéletes a fedélzeti LM7812 feszültségszabályozónkhoz. Terhelésként egy 4 Ohmos, 5 Wattos hangszórót használok. A hangbemenethez laptopomat használom egy hosszú, 3,5 mm-es audio csatlakozóval.

Amikor az áramkör be van kapcsolva, nincs észrevehető zümmögő hang, amit más típusú erősítőktől kaphat, de mint a videón látható, ez az áramkör nem tökéletes, és magasabb bemeneti szinteken van nyírási problémája, így ez áramkör sok fejlődési lehetőség. Mivel mérsékelten alacsony terheléssel közlekedtem, a MOSFET-ek egyáltalán nem melegedtek fel, ezért ezekhez a tesztekhez nem szükséges hűtőborda.

További fejlesztések

Ez a D osztályú erősítő áramkör egy egyszerű prototípus, és rengeteg teret kínál a fejlesztésekre. A fő problémám ezzel az áramkörrel a mintavételi technika volt, amelyet fejleszteni kell. Az erősítő nyírásának csökkentése érdekében a megfelelő aluláteresztő szűrő fokozatának eléréséhez megfelelő induktivitási és kapacitási értékeket kell kiszámítani. Mint mindig, a jobb teljesítmény érdekében az áramkört egy NYÁK-ra lehet kötni. Hozzáadható egy védelmi áramkör, amely megvédi az áramkört a túlmelegedéstől vagy a rövidzárlat körülményeitől.

Remélem tetszett ez a cikk, és valami újat tanultál belőle. Ha kétségei vannak, kérje az alábbi megjegyzéseket, vagy használhatja fórumunkat a részletes megbeszéléshez.