Hoe een hoge efficiëntieklasse te bouwen

Audiocontent heeft de afgelopen decennia een lange weg afgelegd, van een klassieke buizenversterker tot moderne mediaspelers, technologische vooruitgang heeft de manier veranderd waarop digitale media worden geconsumeerd. Van al deze innovaties zijn draagbare mediaspelers een van de eerste keuzes van consumenten geworden, vanwege hun levendige geluidskwaliteit en lange batterijduur. Dus hoe werkt het en hoe klinkt het zo goed? Als elektronische liefhebber komt deze vraag altijd bij me op. Ondanks vorderingen in de luidsprekertechnologie speelden verbeteringen in de versterkermethodologie een grote rol en het voor de hand liggende antwoord op deze vraag is een Klasse D-versterker.Dus in dit project zullen we van de gelegenheid gebruik maken om een Klasse D-versterker te bespreken en de voor- en nadelen ervan te kennen. Ten slotte gaan we een hardware-prototype van de versterker bouwen en de prestaties testen. Klinkt interessant toch! Dus laten we er meteen op ingaan.

Als je geïnteresseerd bent in circuits voor audioversterkers, kun je onze artikelen bekijken over het onderwerp waar we circuits hebben gebouwd met op-amps, MOSFET's en IC's zoals TDA2030, TDA2040 en TDA2050.

De basisprincipes van een klasse D-versterker

Wat is een klasse-D audioversterker? Het eenvoudigste antwoord is: het is een schakelende versterker. Maar om de werking ervan te begrijpen, moeten we leren hoe het werkt en hoe het schakelsignaal wordt geproduceerd, daarvoor kunt u het onderstaande blokschema volgen.

Dus waarom een schakelende versterker? Het voor de hand liggende antwoord op deze vraag is efficiëntie. Vergeleken met Klasse A-, Klasse B- en Klasse AB-versterkers, kan de Klasse D-audioversterker een efficiëntie bereiken van 90-95%. Waar het maximale rendement van een Klasse AB-versterker 60-65% is, omdat ze op het actieve gebied werken en een laag vermogensverlies vertonen, als je de collector-emitterspanning vermenigvuldigt met de stroom, kun je dat ontdekken. Raadpleeg ons artikel over klassen van eindversterkers voor meer informatie over het onderwerp, waar we alle gerelateerde verliesfactoren hebben besproken.

Nu, terug naar ons vereenvoudigde blokschema van de Klasse D-audioversterker, zoals je kunt zien aan de niet-inverterende terminal, hebben we onze audio-ingang en op de inverterende terminal hebben we ons hoogfrequente driehoekige signaal. Op dit punt, wanneer de spanning van het ingangsaudiosignaal groter is dan de spanning van de driehoeksgolf, wordt de uitgang van de comparator hoog, en wanneer het signaal laag is, is de uitgang laag. Met deze opstelling hebben we zojuist het ingangsaudiosignaal gemoduleerd met een hoogfrequent draaggolfsignaal, dat vervolgens wordt verbonden met een MOSFET-poortaandrijf-IC, en zoals de naam al aangeeft, wordt de driver gebruikt om de poort van twee MOSFET's aan te sturen voor zowel de hoge zijkant en lage kant een keer. Aan de uitgang krijgen we een krachtige hoogfrequente blokgolf aan de uitgang, die we door een laagdoorlaatfilterfase laten gaan om ons laatste audiosignaal te krijgen.

Vereiste componenten om een klasse-D audioversterkercircuit te bouwen

Nu hebben we de basisprincipes van een klasse-D-audioversterker begrepen en kunnen we op zoek gaan naar de componenten om een doe-het-zelf klasse D-versterker te bouwen. Aangezien dit een eenvoudig testproject is, is de componentvereiste erg algemeen en kunt u de meeste vinden in een plaatselijke hobbywinkel. Hieronder vindt u een lijst met componenten met een afbeelding.

Onderdelenlijst om een Klasse D eindversterker te bouwen:

IR2110 IC - 1
Lm358 OP-Amp - 1
NE555 Timer IC - 1
LM7812 IC - 1
LM7805 IC - 1
102 pF condensator - 1
103 pF condensator - 1
104 pF condensator - 2
105 pF condensator - 1
224 pF condensator - 1
22uF Condensator - 1
470uF condensator - 1
220uF Condensator - 1
100uF condensator - 2
2.2K weerstand - 1
10 K weerstand - 2
10R Weerstand - 2
3,5 mm audio-aansluiting - 1
5,08 mm schroefaansluiting - 2
UF4007 Diode - 3
IRF640 MOSFET's - 2
10K Trim POT - 1
26uH Inductor - 1
3,5 mm koptelefoonaansluiting - 1

Klasse D audioversterker - schematisch diagram

Het schematische diagram voor ons Klasse-D-versterkercircuit wordt hieronder weergegeven:

Het circuit bouwen op PerfBoard

Zoals je op de hoofdafbeelding kunt zien, hebben we het circuit gemaakt op een stuk perfboard. Omdat het circuit ten eerste heel eenvoudig is en ten tweede, als er iets misgaat, kunnen we het snel en gemakkelijk aanpassen. We hebben de meeste verbindingen gemaakt met behulp van koperdraad, maar in sommige laatste fasen moesten we wat aansluitdraden gebruiken om de bouw te voltooien. Het voltooide perfboard-circuit wordt hieronder weergegeven.

Werking van klasse-D audioversterker

In deze sectie zullen we elk belangrijk blok van het circuit doorlopen en elk blok uitleggen. Deze op amp gebaseerde klasse-D audioversterker bestaat uit zeer algemene componenten die u in uw plaatselijke hobbywinkel kunt vinden.

De ingangsspanningsregelaars:

We beginnen met het regelen van de ingangsspanning met een LM7805, 5V spanningsregelaar, en een LM7812, een 12 Volt spanningsregelaar. Dit is belangrijk omdat we het circuit gaan voeden met een 13.5V DC adapter, en om de NE555 en IR2110 IC van stroom te voorzien is 5V en 12V voeding nodig.

Driehoekige golfgenerator met 555 Astable Multivibrator:

Zoals je kunt zien in de bovenstaande afbeelding, hebben we een 555-timer met een 2.2K-weerstand gebruikt om een 260KHz driehoekig signaal te genereren.Als je meer wilt weten over Astable Multivibrator, kun je ons vorige bericht bekijken op 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, waar we alle nodige berekeningen hebben beschreven.

Het modulatiecircuit:

Zoals je kunt zien in de bovenstaande afbeelding, hebben we een eenvoudige LM358 Op-Amp gebruikt om het ingangsaudiosignaal te moduleren. Over inkomende audiosignalen gesproken, we hebben twee 10K-ingangsweerstanden gebruikt om het audiosignaal te krijgen en omdat we een enkele voeding gebruiken, hebben we een potentiometer aangesloten om het nulsignaal dat aanwezig is in de ingangsaudio te compenseren. De output van deze comparator zal hoog zijn wanneer de waarde van het inputaudiosignaal groter is dan de input driehoeksgolf, en aan de output krijgen we een gemoduleerde blokgolf, die we vervolgens naar een MOSFET gate driver IC sturen.

De IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Omdat we met enkele matig hoge frequenties werken, hebben we een MOSFET-poortstuurprogramma-IC gebruikt om de MOSFET correct aan te sturen. Alle benodigde schakelingen zijn geplaatst zoals aanbevolen door de datasheet van IR2110 IC. Voor een goede werking vereist dit IC een omgekeerd signaal van het ingangssignaal, daarom hebben we een BF200 gebruikt, een hoogfrequente transistor om de geïnverteerde blokgolf van het ingangssignaal te genereren.

De MOSFET-eindtrap:

Zoals je kunt zien in de bovenstaande afbeelding, hebben we de MOSFET-uitgangstrap, die ook de belangrijkste uitgangsdriver is, omdat we te maken hebben met hoge frequentie en inductoren, zijn er altijd transiënten bij betrokken, daarom hebben we wat UF4007 gebruikt als flyback diodes die voorkomen dat de MOSFET's beschadigd raken.

Het LC laagdoorlaatfilter:

De uitvoer van de MOSFET-drivertrap is een hoogfrequente blokgolf, dit signaal is absoluut ongeschikt voor het aansturen van belastingen zoals een luidspreker. Om dit te voorkomen, hebben we een 26uH-inductor met een 1uF niet-gepolariseerde condensator gebruikt om een laagdoorlaatfilter te maken dat wordt aangeduid als C11. Dit is hoe de eenvoudige schakeling werkt.

Het klasse-D versterkercircuit testen

Zoals je op de bovenstaande afbeelding kunt zien, heb ik een 12V-voedingsadapter gebruikt om het circuit van stroom te voorzien. Omdat ik een betaalbare Chinese gebruik, geeft hij iets meer af dan de 12V, het is 13,5V om precies te zijn, wat perfect is voor onze ingebouwde LM7812-spanningsregelaar. Als belasting gebruik ik een luidspreker van 4 Ohm, 5Watt. Voor de audio-invoer gebruik ik mijn laptop met een lange 3,5 mm audio-aansluiting.

Wanneer het circuit is ingeschakeld, is er geen merkbaar zoemend geluid zoals je misschien krijgt van andere soorten versterkers, maar zoals je op de video kunt zien, is dit circuit niet perfect en heeft het een clippingprobleem bij hogere ingangsniveaus, dus dit circuit heeft veel ruimte voor verbeteringen. Omdat ik matig lage belastingen reed, werden de MOSFET's helemaal niet heet en dus voor deze tests is er geen koellichaam nodig.

Verdere verbeteringen

Dit Klasse D eindversterkercircuit is een eenvoudig prototype en heeft veel ruimte voor verbeteringen. Mijn grootste probleem met dit circuit was de samplingtechniek, die moet worden verbeterd. Om het knippen van de versterker te verminderen, moeten de juiste inductantie- en capaciteitswaarden worden berekend om een perfecte laagdoorlaatfiltertrap te krijgen. Zoals altijd kan het circuit op een PCB worden gemaakt voor betere prestaties. Er kan een beveiligingscircuit worden toegevoegd dat het circuit beschermt tegen oververhitting of kortsluiting.

Ik hoop dat je dit artikel leuk vond en er iets nieuws van hebt geleerd. Als u twijfelt, kunt u dit in de onderstaande opmerkingen stellen of onze forums gebruiken voor een gedetailleerde discussie.