- Osnove ojačevalnika razreda D.
- Komponente, potrebne za izdelavo vezja ojačevalnika razreda D
- Ojačevalnik razreda D - shematski diagram
- Gradnja vezja na PerfBoard
- Delovanje avdio ojačevalnika razreda D
- Testiranje ojačevalnega vezja razreda D
- Nadaljnje izboljšave
Zvočna vsebina je v zadnjih desetletjih precej napredovala, od klasičnega cevnega ojačevalnika do sodobnih predvajalnikov medijev, tehnološki napredek pa je spremenil način porabe digitalnih medijev. Med vsemi temi novostmi so prenosni medijski predvajalniki postali ena izmed prvih odločitev med potrošniki zaradi svoje živahne kakovosti zvoka in dolge življenjske dobe baterije. Torej, kako deluje in kako se sliši tako dobro. Kot elektronski navdušenec mi to vprašanje vedno pade na pamet. Kljub napredku v tehnologiji zvočnikov so igrale veliko vlogo izboljšave v metodologiji ojačevalnikov in očiten odgovor na to vprašanje je ojačevalnik razreda D.Tako bomo v tem projektu izkoristili priložnost, da bomo razpravljali o ojačevalniku razreda D in poznali njegove prednosti in slabosti. Na koncu bomo izdelali še strojni prototip ojačevalnika in preizkusili njegovo delovanje. Sliši se zanimivo, kajne! Torej, pojdimo naravnost v to.
Če vas zanimajo vezja ojačevalnikov zvoka, si lahko ogledate naše članke na temo, kjer smo zgradili vezja z uporabo op-ojačevalnikov, MOSFET-jev in IC, kot so TDA2030, TDA2040 in TDA2050.
Osnove ojačevalnika razreda D.
Kaj je avdio ojačevalnik razreda D? Najpreprostejši odgovor bo, to je preklopni ojačevalnik. Da pa bi razumeli njegovo delovanje, se moramo naučiti, kako deluje in kako se proizvaja preklopni signal, zato lahko sledite spodnjemu blokovnemu diagramu.
Zakaj torej preklopni ojačevalnik? Očiten odgovor na to vprašanje je učinkovitost. V primerjavi z ojačevalniki razreda A, razreda B in razreda AB lahko zvočni ojačevalnik razreda D doseže učinkovitost do 90-95%. Kjer je največji izkoristek ojačevalnika razreda AB 60-65%, ker deluje na aktivno območje in ima majhne izgube moči, če napetost kolektorja in oddajnika pomnožite s tokom, lahko to ugotovite. Če želite izvedeti več o tej temi, si oglejte članek o razredih ojačevalnikov, kjer smo razpravljali o vseh s tem povezanih dejavnikih izgube.
Zdaj pa se vrnimo k našemu poenostavljenemu blokovnemu diagramu zvočnega ojačevalnika razreda D., kot lahko vidite na neinvertirajočem terminalu, imamo avdio vhod, na invertirnem terminalu pa visokofrekvenčni trikotni signal. V tem trenutku, ko je napetost vhodnega zvočnega signala večja od napetosti trikotnega vala, gre izhod primerjalnika visoko in ko je signal nizek, je izhod nizek. S to nastavitvijo smo pravkar modulirali vhodni zvočni signal z visokofrekvenčnim nosilnim signalom, ki se nato poveže z vhodno IC-enoto MOSFET-ja, in kot že ime pove, se gonilnik uporablja za pogon vrat dveh MOSFET-ov za obe visoki stran in nizka stran enkrat. Na izhodu dobimo močan visokofrekvenčni kvadratni val na izhodu, ki ga prehodimo skozi stopnjo filtra nizkih frekvenc, da dobimo naš zadnji zvočni signal.
Komponente, potrebne za izdelavo vezja ojačevalnika razreda D
Zdaj smo razumeli osnove avdio ojačevalnik razreda D in lahko gremo, da bi našli sestavine za izgradnjo DIY razreda D amplifie r. Ker gre za preprost testni projekt, je zahteva po komponentah zelo splošna in večino jih lahko najdete v lokalni trgovini s hobi izdelki. Seznam komponent s sliko je spodaj.
Seznam delov za izdelavo ojačevalnika razreda D:
- IR2110 IC - 1
- Lm358 OP-ojačevalnik - 1
- NE555 IC timer - 1
- LM7812 IC - 1
- LM7805 IC - 1
- Kondenzator 102 pF - 1
- Kondenzator 103 pF - 1
- Kondenzator 104 pF - 2
- Kondenzator 105 pF - 1
- Kondenzator 224 pF - 1
- Kondenzator 22uF - 1
- Kondenzator 470uF - 1
- Kondenzator 220uF - 1
- Kondenzator 100uF - 2
- 2.2K upor - 1
- 10 K upor - 2
- 10R upor - 2
- 3,5 mm avdio priključek - 1
- 5,08 mm vijačni priključek - 2
- UF4007 Dioda - 3
- MOSFET-ji IRF640 - 2
- 10K Trim POT - 1
- Induktor 26uH - 1
- 3,5 mm priključek za slušalke - 1
Ojačevalnik razreda D - shematski diagram
Shematski diagram za ojačevalno vezje razreda D je prikazan spodaj:
Gradnja vezja na PerfBoard
Kot lahko vidite na glavni sliki, smo vezje izdelali na kosu perfora. Ker je najprej vezje zelo preprosto, drugič, če gre kaj narobe, ga lahko hitro in enostavno spremenimo. Večino povezav smo izvedli s pomočjo bakrene žice, v nekaterih zaključnih fazah pa smo morali uporabiti nekaj priključnih žic, da smo zaključili gradnjo. Izpolnjeno vezje perfboard je prikazano spodaj.
Delovanje avdio ojačevalnika razreda D
V tem poglavju bomo preučili vsak glavni blok vezja in razložili vsak blok. Ta ojačevalnik razreda D na osnovi op-amp je sestavljen iz zelo splošnih komponent, ki jih najdete v lokalni trgovini s hobi izdelki.
Regulatorji vhodne napetosti:
Začnemo z regulacijo vhodne napetosti z LM7805, 5V regulatorjem napetosti in LM7812, 12 Volt regulatorjem napetosti. To je pomembno, ker bomo vezje napajali s 13,5V enosmernim adapterjem, za napajanje NE555 in IR2110 IC pa je potrebno napajanje 5V in 12V.
Trikotni generator valov z 555 nastavljivim multivibratorjem:
Kot lahko vidite iz zgornje slike, smo uporabili 555 časovnik z 2,2 K uporom za generiranje 260KHz trikotnega signala. Če želite izvedeti več o Astable Multivibratorju, si lahko ogledate naš prejšnji prispevek o 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, kjer smo opisali vse potrebne izračune.
Modulacijsko vezje:
Kot lahko vidite iz zgornje slike, smo za modulacijo vhodnega zvočnega signala uporabili preprosto opcijsko ojačevalnik LM358. Če govorimo o dohodnih zvočnih signalih, smo za pridobitev zvočnega signala uporabili dva 10K vhodna upora, in ker uporabljamo en sam napajalnik, smo priklopili potenciometer za izravnavo ničelnega signala, ki je prisoten v vhodnem zvoku. Izhod tega primerjalnika bo visok, ko bo vrednost vhodnega zvočnega signala večja od vhodnega trikotnega vala, na izhodu pa bomo dobili moduliran kvadratni val, ki ga nato dovajamo v IC gonilnika vrat MOSFET.
Vmesnik IC gonilnika IR2110 MOSFET:
Ker delamo z nekaterimi zmerno visokimi frekvencami, smo za pravilno vožnjo MOSFET-a uporabili IC gonilnika vrat MOSFET. Vsa potrebna vezja so nameščena, kot priporoča podatkovni list IR2110 IC. Za pravilno delovanje ta IC potrebuje obrnjen signal vhodnega signala, zato smo uporabili BF200, visokofrekvenčni tranzistor za generiranje obrnjenega kvadratnega vala vhodnega signala.
Izhodna stopnja MOSFET:
Kot lahko vidite iz zgornje slike, imamo izhodno stopnjo MOSFET, ki je tudi glavni izhodni gonilnik, saj imamo opravka z visokofrekvenčnimi in induktorji, vedno gre za prehodne trenutke, zato smo uporabili nekaj UF4007 kot povratni tok diode, ki preprečujejo, da bi se MOSFET-ovi poškodovali.
Nizkopasovni filter LC:
Izhod iz stopnje gonilnika MOSFET je visokofrekvenčni kvadratni val, ta signal je popolnoma neprimeren za vožnjo bremen, kot je zvočnik. Da bi to preprečili, smo uporabili induktor 26uH z nepolariziranim kondenzatorjem 1uF, da smo izdelali nizkoprepustni filter, ki je označen kot C11. Tako deluje preprosto vezje.
Testiranje ojačevalnega vezja razreda D
Kot lahko vidite iz zgornje slike, sem za napajanje vezja uporabil 12V napajalnik. Ker uporabljam cenovno ugodno kitajsko, oddaja nekaj več kot 12V, natančneje 13,5V, kar je kot nalašč za naš vgrajeni napetostni regulator LM7812. Kot obremenitev uporabljam zvočnik s 4 ohmi in 5 vati. Za avdio vhod uporabljam prenosni računalnik z dolgim 3,5-milimetrskim avdio priključkom.
Ko je vezje vklopljeno, ni opaziti brnečega zvoka, kakršnega lahko dobite pri drugih vrstah ojačevalnikov, toda, kot lahko vidite na video posnetku, to vezje ni popolno in ima težavo z rezanjem na višjih vhodnih ravneh, zato to vezje ima veliko prostora za izboljšave. Ker sem vozil zmerno nizke obremenitve, se MOSFET-ji sploh niso segreli, zato za te teste ne potrebuje hladilnega telesa.
Nadaljnje izboljšave
To vezje ojačevalnika moči razreda D je preprost prototip in ima veliko prostora za izboljšave. Moja glavna težava s tem vezjem je bila tehnika vzorčenja, ki jo je treba izboljšati. Da bi zmanjšali odrez ojačevalnika, je treba izračunati ustrezne vrednosti induktivnosti in kapacitivnosti, da dobimo popolno stopnjo nizkofrekvenčnega filtra. Kot vedno lahko vezje naredite na tiskani plošči za boljše delovanje. Doda se lahko zaščitno vezje, ki bo vezje zaščitilo pred pregrevanjem ali kratkim stikom.
Upam, da vam je bil ta članek všeč in ste se iz njega naučili kaj novega. Če dvomite, lahko vprašate v spodnjih komentarjih ali pa uporabite naše forume za podrobno razpravo.