Πώς να φτιάξετε μια κατηγορία υψηλής απόδοσης

Το περιεχόμενο ήχου έχει διανύσει πολύ τις τελευταίες δεκαετίες, από έναν κλασικό ενισχυτή σωλήνων έως τις σύγχρονες συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων, οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν αλλάξει τον τρόπο κατανάλωσης των ψηφιακών μέσων. Μεταξύ όλων αυτών των καινοτομιών, οι φορητές συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων έχουν γίνει μια από τις πρώτες επιλογές μεταξύ των καταναλωτών, λόγω της ζωντανής ποιότητας ήχου και της μεγάλης διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Λοιπόν, πώς λειτουργεί και πώς ακούγεται τόσο καλό. Ως λάτρεις των ηλεκτρονικών, αυτή η ερώτηση έρχεται πάντα στο μυαλό μου. Παρά τις εξελίξεις στην τεχνολογία των ηχείων, οι βελτιώσεις στη μεθοδολογία του ενισχυτή έπαιξαν μεγάλο ρόλο και η προφανής απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ένας ενισχυτής Κλάσης Δ.Έτσι, σε αυτό το έργο, θα εκμεταλλευτούμε την ευκαιρία να συζητήσουμε έναν ενισχυτή Class D και να γνωρίζουμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτού. Τέλος, θα κατασκευάσουμε ένα πρωτότυπο υλικού του ενισχυτή και θα δοκιμάσουμε την απόδοσή του. Ακούγεται ενδιαφέρον, σωστά! Ας πάμε κατευθείαν σε αυτό.

Εάν ενδιαφέρεστε για κυκλώματα ενισχυτή ήχου, μπορείτε να δείτε τα άρθρα μας σχετικά με το θέμα που έχουμε δημιουργήσει κυκλώματα χρησιμοποιώντας op-amp, MOSFET και IC όπως TDA2030, TDA2040 και TDA2050.

Τα βασικά του ενισχυτή κλάσης D

Τι είναι ο ενισχυτής ήχου Class-D; Η απλούστερη απάντηση θα είναι, είναι ένας ενισχυτής εναλλαγής. Αλλά για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του, πρέπει να μάθουμε πώς λειτουργεί και πώς παράγεται το σήμα μεταγωγής, για αυτό, μπορείτε να ακολουθήσετε το διάγραμμα μπλοκ που δίνεται παρακάτω.

Γιατί λοιπόν ένας ενισχυτής εναλλαγής; Η προφανής απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι η αποτελεσματικότητα. Σε σύγκριση με τους ενισχυτές Class A, Class B και Class AB, ο ενισχυτής ήχου Class D μπορεί να επιτύχει απόδοση έως και 90-95%. Όπου η μέγιστη απόδοση ενός ενισχυτή Class AB είναι 60-65%, επειδή λειτουργούν στην ενεργή περιοχή και εμφανίζουν χαμηλή απώλεια ισχύος, εάν πολλαπλασιάσετε την τάση συλλεκτών-εκπομπών με το ρεύμα, μπορείτε να το μάθετε. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το θέμα, ρίξτε μια ματιά στο άρθρο μας σχετικά με κατηγορίες ενισχυτών ισχύος όπου συζητήσαμε όλους τους σχετικούς παράγοντες απώλειας.

Τώρα, επιστρέψτε στο απλοποιημένο μπλοκ διάγραμμα του ενισχυτή ήχου Class D, όπως μπορείτε να δείτε στο τερματικό που δεν αναστρέφει, έχουμε την είσοδο ήχου μας και στο τερματικό αναστροφής, έχουμε το τριγωνικό σήμα υψηλής συχνότητας. Σε αυτό το σημείο, όταν η τάση του σήματος ήχου εισόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση του τριγωνικού κύματος, η έξοδος του συγκριτή πηγαίνει υψηλή και όταν το σήμα είναι χαμηλό, η έξοδος είναι χαμηλή. Με αυτήν τη ρύθμιση, μόλις διαμορφώσαμε το σήμα ήχου εισόδου με ένα σήμα φορέα υψηλής συχνότητας, το οποίο στη συνέχεια συνδέεται με ένα IC μονάδας δίσκου MOSFET και όπως υποδηλώνει το όνομα, το πρόγραμμα οδήγησης χρησιμοποιείται για την οδήγηση της πύλης δύο MOSFET και για τα δύο υψηλά πλευρά και χαμηλή πλευρά μία φορά. Στην έξοδο, έχουμε ένα ισχυρό τετραγωνικό κύμα υψηλής συχνότητας στην έξοδο, το οποίο περνάμε από ένα στάδιο φίλτρου χαμηλής διέλευσης για να λάβουμε το τελικό σήμα ήχου.

Απαιτούνται στοιχεία για την κατασκευή κυκλώματος ενισχυτή ήχου Class-D

Τώρα, έχουμε κατανοήσει τα βασικά ενός ενισχυτή ήχου Class-D και μπορούμε να προχωρήσουμε για να βρει τα στοιχεία για να χτίσει μια DIY κατηγορίας Δ amplifie r. Καθώς πρόκειται για ένα απλό έργο δοκιμών, η απαίτηση εξαρτημάτων είναι πολύ γενική και μπορείτε να βρείτε τα περισσότερα από ένα τοπικό κατάστημα χόμπι. Παρακάτω δίνεται μια λίστα με στοιχεία με μια εικόνα.

Λίστα εξαρτημάτων για τη δημιουργία ενισχυτή ισχύος κατηγορίας D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. NE555 Timer IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Πυκνωτής 102 pF - 1
7. Πυκνωτής 103 pF - 1
8. Πυκνωτής 104 pF - 2
9. Πυκνωτής 105 pF - 1
10. Πυκνωτής 224 pF - 1
11. Πυκνωτής 22uF - 1
12. Πυκνωτής 470uF - 1
13. Πυκνωτής 220uF - 1
14. Πυκνωτής 100uF - 2
15. Αντίσταση 2.2K - 1
16. Αντίσταση 10 K - 2
17. Αντίσταση 10R - 2
18. Υποδοχή ήχου 3,5 mm - 1
19. Ακροδέκτης βίδας 5,08 mm - 2
20. Δίοδος UF4007 - 3
21. IRF640 MOSFET - 2
22. 10Κ Trim POT - 1
23. Επαγωγέας 26uH ​​- 1
24. Υποδοχή ακουστικών 3,5 mm - 1

Ενισχυτής ήχου κατηγορίας D- Σχηματικό διάγραμμα

Το σχηματικό διάγραμμα για το κύκλωμα ενισχυτή Class-D φαίνεται παρακάτω:

Χτίζοντας το κύκλωμα στο PerfBoard

Όπως μπορείτε να δείτε από την κύρια εικόνα, φτιάξαμε το κύκλωμα σε ένα κομμάτι αρωματοποιίας. Διότι, πρώτα το κύκλωμα είναι πολύ απλό και δεύτερο εάν κάτι πάει στραβά, μπορούμε να το τροποποιήσουμε γρήγορα και εύκολα. Πραγματοποιήσαμε τις περισσότερες συνδέσεις με τη βοήθεια χαλκού σύρματος, αλλά σε ορισμένα τελικά στάδια, έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε μερικά καλώδια σύνδεσης για να ολοκληρώσουμε την κατασκευή. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα αρωματοποιίας φαίνεται παρακάτω.

Εργασία ενισχυτή ήχου Class-D

Σε αυτήν την ενότητα, θα περάσουμε από κάθε μεγάλο μπλοκ του κυκλώματος και θα εξηγήσουμε κάθε μπλοκ. Αυτός ο ενισχυτής ήχου Class-D που βασίζεται σε Op-amp αποτελείται από πολύ γενικά στοιχεία που μπορείτε να τα βρείτε στο τοπικό κατάστημα χόμπι.

Οι ρυθμιστές τάσης εισόδου:

Ξεκινάμε ρυθμίζοντας την τάση εισόδου με LM7805, ρυθμιστή τάσης 5V και LM7812, ρυθμιστή τάσης 12 Volt. Αυτό είναι σημαντικό επειδή πρόκειται να τροφοδοτήσουμε το κύκλωμα με έναν προσαρμογέα DC 13,5V και για να τροφοδοτήσουμε την τροφοδοσία NE555 και IR2110 IC, 5V και 12V.

Τριγωνική γεννήτρια κυμάτων με 555 Astable Multivibrator:

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, χρησιμοποιήσαμε χρονοδιακόπτη 555 με αντίσταση 2.2K για να δημιουργήσουμε ένα τριγωνικό σήμα 260KHz, εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το Astable Multivibrator, μπορείτε να δείτε την προηγούμενη ανάρτησή μας στο 555 Timer Based Astable Multivibrator Κύκλωμα, όπου έχουμε περιγράψει όλους τους απαραίτητους υπολογισμούς.

Το κύκλωμα διαμόρφωσης:

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, χρησιμοποιήσαμε ένα απλό LM358 Op-Amp για να διαμορφώσουμε το σήμα ήχου εισόδου. Μιλώντας για εισερχόμενα σήματα ήχου, χρησιμοποιήσαμε δύο αντιστάσεις εισόδου 10K για να λάβουμε το ηχητικό σήμα και καθώς χρησιμοποιούμε μία μόνο τροφοδοσία, έχουμε συνδέσει ένα ποτενσιόμετρο για να αντισταθμίσει το μηδενικό σήμα που υπάρχει στον ήχο εισόδου. Η έξοδος αυτού του συγκριτή θα είναι υψηλή όταν η τιμή του σήματος ήχου εισόδου είναι μεγαλύτερη από το τριγωνικό κύμα εισόδου και στην έξοδο, θα λάβουμε ένα διαμορφωμένο τετραγωνικό κύμα, το οποίο στη συνέχεια τροφοδοτούμε σε ένα πρόγραμμα οδήγησης πύλης MOSFET IC.

Το IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Καθώς δουλεύουμε με κάποιες μετρίως υψηλές συχνότητες, χρησιμοποιήσαμε ένα IC προγράμματος οδήγησης πύλης MOSFET για να οδηγήσουμε σωστά το MOSFET. Όλα τα απαραίτητα κυκλώματα τοποθετούνται όπως συνιστάται από το δελτίο δεδομένων του IR2110 IC. Για σωστή λειτουργία, αυτό το IC απαιτεί ένα ανεστραμμένο σήμα του σήματος εισόδου, γι 'αυτό χρησιμοποιήσαμε ένα BF200, ένα τρανζίστορ υψηλής συχνότητας για τη δημιουργία του ανεστραμμένου τετραγωνικού κύματος του σήματος εισόδου.

Το στάδιο εξόδου MOSFET:

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, έχουμε το στάδιο εξόδου MOSFET, το οποίο είναι επίσης το κύριο πρόγραμμα οδήγησης εξόδου, καθώς έχουμε να κάνουμε με υψηλές συχνότητες και επαγωγείς, υπάρχουν πάντα μεταβατικές ενέργειες, γι 'αυτό έχουμε χρησιμοποιήσει κάποιο UF4007 ως flyback δίοδοι που εμποδίζουν την καταστροφή των MOSFET.

Το φίλτρο LC Low-Pass:

Η έξοδος από το στάδιο του προγράμματος οδήγησης MOSFET είναι ένα τετραγωνικό κύμα υψηλής συχνότητας, αυτό το σήμα είναι απολύτως ακατάλληλο για οδήγηση φορτίων όπως ένα μεγάφωνο. Για να το αποτρέψουμε, χρησιμοποιήσαμε έναν επαγωγέα 26uH ​​με έναν μη πολωμένο πυκνωτή 1uF για να φτιάξουμε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης που δηλώνεται ως C11. Έτσι λειτουργεί το απλό κύκλωμα.

Δοκιμή του κυκλώματος ενισχυτή Class-D

Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, έχω χρησιμοποιήσει έναν τροφοδοτικό 12V για να τροφοδοτήσω το κύκλωμα. Καθώς χρησιμοποιώ ένα προσιτό κινεζικό, εκπέμπει λίγο περισσότερο από το 12V, είναι ακριβές 13,5V, το οποίο είναι ιδανικό για τον ενσωματωμένο ρυθμιστή τάσης LM7812. Ως φορτίο, χρησιμοποιώ ηχείο 4 Ohms, 5Watt. Για την είσοδο ήχου, χρησιμοποιώ τον φορητό υπολογιστή μου με μια μεγάλη υποδοχή ήχου 3,5 mm.

Όταν το κύκλωμα είναι ενεργοποιημένο, δεν υπάρχει αισθητός ήχος βουητού, όπως μπορείτε να λάβετε από άλλους τύπους ενισχυτών, αλλά όπως μπορείτε να δείτε στο βίντεο, αυτό το κύκλωμα δεν είναι τέλειο και έχει πρόβλημα αποκοπής σε υψηλότερα επίπεδα εισόδου, οπότε αυτό το κύκλωμα έχει πολύ χώρο για βελτιώσεις. Καθώς οδηγούσα αρκετά χαμηλά φορτία, τα MOSFET δεν ζεστάθηκαν καθόλου, και επομένως για αυτές τις δοκιμές, δεν απαιτεί ψύκτρα.

Περαιτέρω βελτιώσεις

Αυτό το κύκλωμα ενισχυτή τάξης D είναι ένα απλό πρωτότυπο και έχει πολύ χώρο για βελτιώσεις. Το κύριο πρόβλημα με αυτό το κύκλωμα ήταν η τεχνική δειγματοληψίας, η οποία πρέπει να βελτιωθεί. Προκειμένου να μειωθεί το απόκομμα του ενισχυτή, πρέπει να υπολογιστούν οι σωστές τιμές επαγωγής και χωρητικότητας για να επιτευχθεί ένα τέλειο στάδιο χαμηλού περάσματος φίλτρου. Όπως πάντα, το κύκλωμα μπορεί να κατασκευαστεί σε PCB για καλύτερη απόδοση. Μπορεί να προστεθεί κύκλωμα προστασίας που θα προστατεύει το κύκλωμα από συνθήκες υπερθέρμανσης ή βραχυκυκλώματος.

Ελπίζω να σας άρεσε αυτό το άρθρο και να μάθετε κάτι νέο από αυτό. Εάν έχετε οποιαδήποτε αμφιβολία, μπορείτε να ρωτήσετε στα παρακάτω σχόλια ή να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για λεπτομερή συζήτηση.