Hvordan man bygger en høj effektivitetsklasse

Audioindhold er kommet langt i løbet af de sidste årtier, fra en klassisk rørforstærker til moderne medieafspillere, teknologiske fremskridt har ændret den måde, digitale medier forbruges på. Blandt alle disse innovationer er bærbare medieafspillere blevet et af de første valg blandt forbrugerne på grund af deres livlige lydkvalitet og lange batterilevetid. Så hvordan fungerer det, og hvordan det lyder så godt. Som elektronisk entusiast kommer dette spørgsmål altid til mig. På trods af fremskridt inden for højttalerteknologi spillede forbedringer i forstærkermetodologi en stor rolle, og det åbenlyse svar på dette spørgsmål er en klasse D-forstærker.Så i dette projekt benytter vi lejligheden til at diskutere en klasse D-forstærker og kende fordele og ulemper ved den. Endelig bygger vi en hardwareprototype af forstærkeren og tester dens ydeevne. Lyder interessant lige! Så lad os komme lige ind i det.

Hvis du er interesseret i lydforstærkerkredsløb, kan du tjekke vores artikler om emnet, hvor vi har bygget kredsløb ved hjælp af op-forstærkere, MOSFET'er og IC som TDA2030, TDA2040 og TDA2050.

Grundlæggende om klasse D forstærker

Hvad er en klasse-D lydforstærker? Det enkleste svar vil være, det er en switchforstærker. Men for at forstå dets arbejde er vi nødt til at lære, hvordan det fungerer, og hvordan skiftesignalet produceres, for det kan du følge blokdiagrammet nedenfor.

Så hvorfor en switchforstærker? Det åbenlyse svar på dette spørgsmål er effektivitet. Sammenlignet med klasse A-, klasse B- og klasse AB-forstærkere kan klasse D-lydforstærker nå en effektivitet på op til 90-95%. Hvor den maksimale effektivitet for en klasse AB-forstærker er 60-65%, fordi de arbejder på det aktive område og udviser lavt effekttab, hvis du multiplicerer kollektor-emitter-spænding med strømmen, kan du finde ud af det. For at lære mere om emnet, se vores artikel om klasser af effektforstærkere, hvor vi diskuterede alle de relaterede tabsfaktorer.

Nu tilbage til vores forenklede blokdiagram over klasse D-lydforstærker, som du kan se på den ikke-inverterende terminal, har vi vores lydindgang, og på den inverterende terminal har vi vores højfrekvente trekantede signal. På dette tidspunkt, når spændingen på indgangssignalet er større end spændingen i den trekantede bølge, bliver udgangen fra komparatoren høj, og når signalet er lavt, er udgangen lav. Med denne opsætning modulerede vi netop indgangssignalet med et højfrekvent bæresignal, som derefter forbinder til et MOSFET gate-drev IC, og som navnet antyder, bruges føreren til at køre porten til to MOSFET'er til begge de høje side og lav side en gang. Ved udgangen får vi en kraftig højfrekvent firkantbølge ved udgangen, som vi passerer gennem et lavpasfilterstrin for at få vores endelige lydsignal.

Komponenter, der kræves for at opbygge klasse-D lydforstærker kredsløb

Nu har vi forstået det grundlæggende i en klasse-D lydforstærker, og vi kan bevæge os for at finde komponenterne til at opbygge en DIY klasse D-forstærker. Da dette er et simpelt testprojekt, er komponentkravet meget generisk, og du kan finde de fleste af dem fra en lokal hobbybutik. En liste over komponenter med et billede er angivet nedenfor.

Dele-liste til opbygning af en klasse D-forstærker:

IR2110 IC - 1
Lm358 OP-forstærker - 1
NE555 Timer IC - 1
LM7812 IC - 1
LM7805 IC - 1
102 pF kondensator - 1
103 pF kondensator - 1
104 pF kondensator - 2
105 pF kondensator - 1
224 pF kondensator - 1
22uF kondensator - 1
470uF kondensator - 1
220uF kondensator - 1
100uF kondensator - 2
2.2K modstand - 1
10 K modstand - 2
10R modstand - 2
3,5 mm lydstik - 1
5,08 mm skrueterminal - 2
UF4007-diode - 3
IRF640 MOSFET'er - 2
10K Trim POT - 1
26uH induktor - 1
3,5 mm hovedtelefonstik - 1

Klasse D lydforstærker - skematisk diagram

Det skematiske diagram for vores klasse-D forstærker kredsløb er vist nedenfor:

Opbygning af kredsløbet på PerfBoard

Som du kan se fra hovedbilledet, har vi lavet kredsløbet på et stykke perfboard. Fordi kredsløbet først er meget simpelt, og for det andet, hvis noget går galt, kan vi ændre det hurtigt og nemt. Vi lavede de fleste forbindelser ved hjælp af kobbertråd, men i nogle sidste faser måtte vi bruge nogle tilslutningsledninger til at fuldføre bygningen. Det færdige perfboard kredsløb er vist nedenfor.

Arbejde med klasse-D lydforstærker

I dette afsnit gennemgår vi hver større blok i kredsløbet og forklarer hver blok. Denne Op-amp-baserede Class-D lydforstærker består af meget generiske komponenter, som du kan finde dem i din lokale hobbybutik.

Indgangsspændingsregulatorerne:

Vi starter med at regulere indgangsspændingen med en LM7805, 5V spændingsregulator og en LM7812, en 12 Volt spændingsregulator. Dette er vigtigt, fordi vi får strøm til kredsløbet med en 13,5V DC-adapter, og at strømforsyningen til NE555 og IR2110 IC, 5V og 12V er nødvendig.

Triangular Wave Generator med 555 Astable Multivibrator:

Som du kan se fra ovenstående billede, har vi brugt en 555 timer med en 2,2K modstand til at generere et trekantet signal på 260KHz. Hvis du vil vide mere om Astable Multivibrator, kan du tjekke vores forrige indlæg på 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, hvor vi har beskrevet alle de nødvendige beregninger.

Modulationskredsen:

Som du kan se fra ovenstående billede, har vi brugt en simpel LM358 Op-Amp til at modulere indgangssignalet. Når vi taler om indgående lydsignaler, har vi brugt to 10K-indgangsmodstande til at få lydsignalet, og da vi bruger en enkelt forsyning, har vi tilsluttet et potentiometer til at kompensere for det nul-signal, der er til stede i inputlyden. Outputtet fra denne komparator vil være højt, når værdien af indgangssignalet er større end den indgangs trekantede bølge, og ved udgangen får vi en moduleret firkantbølge, som vi derefter føder til en MOSFET gate driver IC.

IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Da vi arbejder med nogle moderat høje frekvenser, har vi brugt en MOSFET gate driver IC til at køre MOSFET korrekt. Alle nødvendige kredsløb er placeret som anbefalet af databladet til IR2110 IC. For korrekt drift kræver denne IC et inverteret signal fra indgangssignalet, hvorfor vi har brugt en BF200, en højfrekvent transistor til at generere den inverterede firkantbølge af indgangssignalet.

MOSFET-outputfasen:

Som du kan se fra ovenstående billede, har vi MOSFET-outputtrinnet, som også er hovedudgangsdriveren, da vi har at gøre med højfrekvens og induktorer, der er altid transienter involveret, hvorfor vi har brugt nogle UF4007 som flyback dioder, der forhindrer MOSFET'erne i at blive beskadiget.

LC lavpasfilter:

Outputtet fra MOSFET-førertrinnet er en højfrekvent firkantbølge, dette signal er absolut upassende til kørsel af belastninger som en højttaler. For at forhindre det har vi brugt en 26uH induktor med en 1uF ikke-polariseret kondensator til at lave et lavpasfilter, der betegnes som C11. Sådan fungerer det enkle kredsløb.

Test af klasse-D forstærker kredsløb

Som du kan se fra ovenstående billede, har jeg brugt en 12V strømadapter til at tænde for kredsløbet. Da jeg bruger en overkommelig kinesisk, afgiver den lidt mere end 12V, den er 13,5V for at være nøjagtig, hvilket er perfekt til vores indbyggede LM7812 spændingsregulator. Som belastning bruger jeg en 4 ohm, 5 watt højttaler. Til lydindgangen bruger jeg min bærbare computer med et langt 3,5 mm lydstik.

Når kredsløbet er tændt, er der ingen mærkbar brummende lyd, som du kan få fra andre typer forstærkere, men som du kan se på videoen, er dette kredsløb ikke perfekt, og det har et klipsproblem ved højere indgangsniveauer, så dette kredsløb har meget plads til forbedringer. Da jeg kørte moderat lave belastninger, blev MOSFET'erne slet ikke varme, og derfor kræver det ikke nogen køleplade til disse tests.

Yderligere forbedringer

Dette klasse D effektforstærker kredsløb er en simpel prototype og har meget plads til forbedringer. Mit største problem med dette kredsløb var prøvetagningsteknikken, som skal forbedres. For at reducere forstærkerens klipning skal der beregnes korrekte induktans- og kapacitansværdier for at få et perfekt lavpasfiltretrin. Som altid kan kredsløbet laves på et printkort for bedre ydeevne. Der kan tilføjes et beskyttelseskredsløb, der beskytter kredsløbet mod overophedning eller kortslutning.

Jeg håber, du kunne lide denne artikel og lærte noget nyt ud af den. Hvis du er i tvivl, kan du spørge i kommentarerne nedenfor eller bruge vores fora til detaljeret diskussion.