Hvordan bygge en høy effektivitetsklasse

Lydinnhold har kommet langt de siste tiårene, fra en klassisk rørforsterker til moderne mediaspillere, teknologiske fremskritt har endret måten digitale medier blir konsumert på. Blant alle disse innovasjonene har bærbare mediaspillere blitt et av de første valgene blant forbrukerne på grunn av deres livlige lydkvalitet og lange batterilevetid. Så hvordan fungerer det, og hvordan det høres så bra ut. Som elektronisk entusiast kommer dette spørsmålet alltid til meg. Til tross for fremskritt innen høyttalerteknologi, spilte forbedringer i forsterkermetodikken en stor rolle, og det åpenbare svaret på dette spørsmålet er en klasse D-forsterker.Så i dette prosjektet vil vi benytte anledningen til å diskutere en klasse D-forsterker og vite fordeler og ulemper med den. Til slutt skal vi bygge en maskinvareprototype av forsterkeren og teste ytelsen. Høres interessant ut! Så la oss komme rett inn i det.

Hvis du er interessert i lydforsterkerkretser, kan du sjekke artiklene våre om emnet der vi har bygget kretser ved hjelp av op-forsterkere, MOSFET og IC som TDA2030, TDA2040 og TDA2050.

Grunnleggende om klasse D forsterker

Hva er en klasse-D lydforsterker? Det enkleste svaret vil være, det er en bryterforsterker. Men for å forstå hvordan den fungerer, må vi lære hvordan den fungerer og hvordan koblingssignalet produseres. For det kan du følge blokkdiagrammet nedenfor.

Så hvorfor en bryterforsterker? Det åpenbare svaret på dette spørsmålet er effektivitet. Sammenlignet med klasse A-, klasse B- og klasse AB-forsterkere, kan lydforsterkerne i klasse D oppnå en effektivitet på opptil 90-95%. Hvor den maksimale effektiviteten til en klasse AB-forsterker er 60-65%, fordi de fungerer på den aktive regionen og har lavt tap av strøm, kan du finne ut om du multipliserer samler-emitter-spenningen med strømmen. For å lære mer om emnet, sjekk ut artikkelen vår om klasser av effektforsterkere der vi diskuterte alle relaterte tapsfaktorer.

Nå, tilbake til vårt forenklede blokkskjema over klasse D lydforsterker, som du kan se på den ikke-inverterende terminalen, har vi vår lydinngang, og på den inverterende terminalen har vi vårt høyfrekvente trekantede signal. På dette tidspunktet, når spenningen til inngangssignalet er større enn spenningen til den trekantede bølgen, blir utgangen fra komparatoren høy, og når signalet er lavt, er utgangen lav. Med dette oppsettet modulerte vi nettopp inngangssignalet med et høyfrekvent bæresignal, som deretter kobles til en MOSFET gate-stasjon IC, og som navnet antyder, brukes driveren til å kjøre porten til to MOSFET-er for begge de høye side og nedre side en gang. Ved utgangen får vi en kraftig høyfrekvent firkantbølge ved utgangen, som vi passerer gjennom et lavpassfilterstrinn for å få vårt endelige lydsignal.

Komponenter som kreves for å bygge klasse-D lydforsterkerkrets

Nå har vi forstått det grunnleggende om en klasse-D lydforsterker, og vi kan bevege oss for å finne komponentene for å bygge en DIY klasse D-forsterker. Siden dette er et enkelt testprosjekt, er komponentkravet veldig generelt, og du finner de fleste av dem fra en lokal hobbybutikk. En liste over komponenter med et bilde er gitt nedenfor.

Deleliste for å bygge en klasse D-forsterker:

IR2110 IC - 1
Lm358 OP-Amp - 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 motstand - 1
10 K motstand - 2
10R motstand - 2
3,5 mm lydkontakt - 1
5,08 mm skrueterminal - 2
UF4007-diode - 3
IRF640 MOSFETs - 2
10K Trim POT - 1
26uH Induktor - 1
3,5 mm hodetelefonkontakt - 1

Klasse D lydforsterker - skjematisk diagram

Skjematisk diagram for vår klasse-D forsterkerkrets er vist nedenfor:

Bygg kretsen på PerfBoard

Som du kan se fra hovedbildet, har vi laget kretsen på et stykke perfboard. Fordi kretsen først er veldig enkel, og for det andre hvis noe går galt, kan vi endre det raskt og enkelt. Vi laget de fleste tilkoblingene ved hjelp av kobbertråd, men i noen sluttfaser måtte vi bruke noen tilkoblingskabler for å fullføre bygningen. Den fullførte perfboardkretsen er vist nedenfor.

Arbeid av klasse-D lydforsterker

I denne delen vil vi gå gjennom hver større blokk i kretsen og forklare hver blokk. Denne Op-amp-baserte Class-D lydforsterkeren består av veldig generiske komponenter som du kan finne dem i din lokale hobbybutikk.

Inngangsspenningsregulatorene:

Vi starter med å regulere inngangsspenningen med en LM7805, 5V spenningsregulator og en LM7812, en 12 Volt spenningsregulator. Dette er viktig fordi vi skal drive kretsen med en 13,5V DC-adapter, og for å drive NE555 og IR2110 IC, 5V og 12V strømforsyning er nødvendig.

Triangular Wave Generator med 555 Astable Multivibrator:

Som du kan se fra bildet ovenfor, har vi brukt en 555 timer med en 2,2K motstand for å generere et 260KHz trekantet signal. Hvis du vil vite mer om Astable Multivibrator, kan du sjekke ut vårt forrige innlegg på 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, der vi har beskrevet alle nødvendige beregninger.

Modulasjonskretsen:

Som du kan se fra bildet ovenfor, har vi brukt en enkel LM358 Op-Amp til å modulere inngangssignalet. Når vi snakker om innkommende lydsignaler, har vi brukt to 10K inngangsmotstander for å få lydsignalet, og mens vi bruker en enkelt forsyning, har vi festet et potensiometer for å kompensere nullsignalet som er tilstede i inngangslyden. Utgangen fra denne komparatoren vil være høy når verdien av inngangssignalet er større enn den trekantede inngangsbølgen, og ved utgangen vil vi få en modulert firkantbølge, som vi deretter mater til en MOSFET gate driver IC.

IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Da vi jobber med noen moderat høye frekvenser, har vi brukt en MOSFET gate driver IC for å kjøre MOSFET riktig. Alle nødvendige kretser er plassert som anbefalt av databladet til IR2110 IC. For riktig drift krever denne IC et invertert signal fra inngangssignalet, og det er grunnen til at vi har brukt en BF200, en høyfrekvent transistor for å generere den inverterte firkantbølgen til inngangssignalet.

MOSFET-utgangsscenen:

Som du kan se fra bildet ovenfor, har vi MOSFET-utgangstrinnet, som også er hovedutgangsdriveren, ettersom vi har å gjøre med høyfrekvens og induktorer, er det alltid transienter involvert, og det er grunnen til at vi har brukt noen UF4007 som flyback dioder som hindrer MOSFET-ene i å bli skadet.

LC Lavpassfilter:

Utgangen fra MOSFET-førertrinnet er en høyfrekvent firkantbølge, dette signalet er absolutt upassende for å kjøre last som en høyttaler. For å hindre det, har vi benyttet et 26uH induktor med en 1uF ikke-polarisert kondensator for å lage et lavpassfilter som er betegnet som C11. Slik fungerer den enkle kretsen.

Testing av klasse-D forsterkerkrets

Som du kan se fra bildet ovenfor, har jeg brukt en 12V strømadapter for å drive kretsen. Da jeg bruker en rimelig kinesisk, gir den litt mer enn 12V, den er 13,5V for å være nøyaktig, noe som er perfekt for vår innebygde LM7812 spenningsregulator. Som last bruker jeg en 4 Ohm, 5Watt høyttaler. For lydinngangen bruker jeg den bærbare datamaskinen min med en lang 3,5 mm lydkontakt.

Når kretsen er slått på, er det ingen merkbar brummende lyd som du kan få fra andre typer forsterkere, men som du kan se på videoen, er denne kretsen ikke perfekt, og den har et klippeproblem ved høyere inngangsnivåer, så dette krets har mye rom for forbedringer. Da jeg kjørte moderat lave belastninger, ble MOSFET-ene ikke varme i det hele tatt, og for disse testene krever det ingen varmeavleder.

Ytterligere forbedringer

Denne klasse D effektforsterkerkretsen er en enkel prototype og har mye rom for forbedringer. Mitt hovedproblem med denne kretsen var prøvetakingsteknikken, som må forbedres. For å redusere klippet av forsterkeren, må riktige induktans- og kapasitansverdier beregnes for å få et perfekt lavpassfilterstrinn. Som alltid kan kretsen lages på et kretskort for bedre ytelse. En beskyttelseskrets kan legges til som vil beskytte kretsen mot overoppheting eller kortslutningsforhold.

Jeg håper du likte denne artikkelen og lærte noe nytt ut av den. Hvis du er i tvil, kan du spørre i kommentarene nedenfor eller bruke forumene våre for detaljert diskusjon.