Come costruire una classe di alta efficienza

I contenuti audio hanno fatto molta strada negli ultimi decenni, da un classico amplificatore a valvole ai moderni lettori multimediali, i progressi tecnologici hanno cambiato il modo in cui vengono consumati i media digitali. Tra tutte queste innovazioni, i lettori multimediali portatili sono diventati una delle prime scelte tra i consumatori, a causa della loro vibrante qualità del suono e della lunga durata della batteria. Quindi come funziona e come suona così bene. Come appassionato di elettronica, questa domanda mi viene sempre in mente. Nonostante i progressi nella tecnologia degli altoparlanti, i miglioramenti nella metodologia dell'amplificatore hanno giocato un ruolo importante e la risposta ovvia a questa domanda è un amplificatore di classe D.Quindi, in questo progetto, coglieremo l'occasione per discutere di un amplificatore di classe D e conoscerne i pro ei contro. Infine, costruiremo un prototipo hardware dell'amplificatore e ne testeremo le prestazioni. Sembra interessante, vero! Quindi entriamo subito.

Se sei interessato ai circuiti per amplificatori audio, puoi consultare i nostri articoli sull'argomento in cui abbiamo costruito circuiti utilizzando amplificatori operazionali, MOSFET e IC come TDA2030, TDA2040 e TDA2050.

Le basi dell'amplificatore di classe D.

Cos'è un amplificatore audio di classe D? La risposta più semplice sarà, è un amplificatore di commutazione. Ma per capire il suo funzionamento, dobbiamo imparare come funziona e come viene prodotto il segnale di commutazione, per questo puoi seguire lo schema a blocchi riportato di seguito.

Allora perché un amplificatore switching? La risposta ovvia a questa domanda è l'efficienza. Rispetto agli amplificatori di Classe A, Classe B e Classe AB, l'amplificatore audio di Classe D può raggiungere un'efficienza fino al 90-95%. Dove l'efficienza massima di un amplificatore di classe AB è del 60-65%, perché lavorano sulla regione attiva e mostrano una bassa perdita di potenza, se moltiplichi la tensione del collettore-emettitore con la corrente, puoi scoprirlo. Per saperne di più sull'argomento, consulta il nostro articolo sulle classi di amplificatori di potenza in cui abbiamo discusso tutti i fattori di perdita correlati.

Ora, torniamo al nostro diagramma a blocchi semplificato dell'amplificatore audio di classe D., come puoi vedere sul terminale non invertente, abbiamo il nostro ingresso audio e sul terminale invertente, abbiamo il nostro segnale triangolare ad alta frequenza. A questo punto, quando la tensione del segnale audio in ingresso è maggiore della tensione dell'onda triangolare, l'uscita del comparatore diventa alta e quando il segnale è basso l'uscita è bassa. Con questa configurazione, abbiamo semplicemente modulato il segnale audio in ingresso con un segnale portante ad alta frequenza, che quindi si collega a un IC di pilotaggio gate MOSFET e, come suggerisce il nome, il driver viene utilizzato per pilotare il gate di due MOSFET sia per gli alti lato e lato basso una volta. All'uscita, otteniamo una potente onda quadra ad alta frequenza in uscita, che passiamo attraverso uno stadio di filtro passa basso per ottenere il nostro segnale audio finale.

Componenti necessari per costruire un circuito amplificatore audio in classe D.

Ora, abbiamo capito le basi di un amplificatore audio in classe D e possiamo passare a trovare i componenti per costruire un fai da te Classe D amplifie r. Poiché si tratta di un semplice progetto di prova, i requisiti dei componenti sono molto generici e puoi trovarne la maggior parte in un negozio di hobby locale. Di seguito viene fornito un elenco di componenti con un'immagine.

Elenco delle parti per costruire un amplificatore di potenza di classe D:

1. IC IR2110 - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. IC timer NE555 - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Condensatore 102 pF - 1
7. Condensatore 103 pF - 1
8. Condensatore 104 pF - 2
9. Condensatore 105 pF - 1
10. Condensatore 224 pF - 1
11. Condensatore 22uF - 1
12. Condensatore 470uF - 1
13. Condensatore 220uF - 1
14. Condensatore 100uF - 2
15. Resistenza 2.2K - 1
16. Resistenza da 10 K - 2
17. Resistenza 10R - 2
18. Jack audio da 3,5 mm - 1
19. Morsetto a vite da 5,08 mm - 2
20. Diodo UF4007 - 3
21. MOSFET IRF640 - 2
22. POT del trim 10K - 1
23. Induttore 26uH ​​- 1
24. Jack per cuffie da 3,5 mm - 1

Amplificatore audio di classe D - Diagramma schematico

Di seguito è mostrato il diagramma schematico del nostro circuito amplificatore in classe D:

Costruire il circuito su PerfBoard

Come puoi vedere dall'immagine principale, abbiamo realizzato il circuito su un pezzo di perfboard. Perché, in primo luogo il circuito è molto semplice, e in secondo luogo se qualcosa va storto, possiamo modificarlo rapidamente e facilmente. Abbiamo realizzato la maggior parte dei collegamenti con l'aiuto del filo di rame, ma in alcune fasi finali abbiamo dovuto utilizzare alcuni cavi di collegamento per completare la costruzione. Il circuito perfboard completato è mostrato di seguito.

Funzionamento dell'amplificatore audio in classe D.

In questa sezione, esamineremo ogni blocco principale del circuito e spiegheremo ogni blocco. Questo amplificatore audio in classe D basato su amplificatore operazionale è costituito da componenti molto generici che puoi trovare nel tuo negozio di hobby locale.

I regolatori della tensione di ingresso:

Iniziamo regolando la tensione di ingresso con un LM7805, regolatore di tensione 5V, e un LM7812, un regolatore di tensione 12 Volt. Questo è importante perché alimenteremo il circuito con un adattatore da 13,5 V CC e per alimentare l'IC NE555 e IR2110, è necessario un alimentatore da 5 V e 12 V.

Generatore di onde triangolari con multivibratore astabile 555:

Come puoi vedere dall'immagine sopra, abbiamo utilizzato un timer 555 con una resistenza da 2.2K per generare un segnale triangolare a 260KHz, se vuoi saperne di più su Astable Multivibrator, puoi controllare il nostro post precedente su 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuito, dove abbiamo descritto tutti i calcoli necessari.

Il circuito di modulazione:

Come puoi vedere dall'immagine sopra, abbiamo utilizzato un semplice amplificatore operazionale LM358 per modulare il segnale audio in ingresso. Parlando di segnali audio in ingresso, abbiamo utilizzato due resistenze di ingresso da 10K per ottenere il segnale audio e poiché stiamo utilizzando una singola alimentazione, abbiamo attaccato un potenziometro per compensare il segnale zero presente nell'ingresso audio. L'uscita di questo comparatore sarà alta quando il valore del segnale audio in ingresso è maggiore dell'onda triangolare in ingresso, e in uscita, otterremo un'onda quadra modulata, che poi alimenteremo a un IC gate driver MOSFET.

Il CI del gate driver MOSFET IR2110:

Poiché stiamo lavorando con alcune frequenze moderatamente alte, abbiamo utilizzato un circuito integrato del gate driver MOSFET per pilotare correttamente il MOSFET. Tutta la circuiteria necessaria è posizionata come raccomandato dal datasheet dell'IR2110 IC. Per un corretto funzionamento, questo IC richiede un segnale invertito del segnale di ingresso, motivo per cui abbiamo utilizzato un BF200, un transistor ad alta frequenza per generare l'onda quadra invertita del segnale di ingresso.

Lo stadio di uscita MOSFET:

Come puoi vedere dall'immagine sopra, abbiamo lo stadio di uscita MOSFET, che è anche il driver di uscita principale, poiché abbiamo a che fare con alta frequenza e induttori, ci sono sempre transitori coinvolti, motivo per cui abbiamo usato alcuni UF4007 come flyback diodi che impediscono il danneggiamento dei MOSFET.

Il filtro passa basso LC:

L'uscita dallo stadio driver MOSFET è un'onda quadra ad alta frequenza, questo segnale è assolutamente inappropriato per pilotare carichi come un altoparlante. Per evitarlo, abbiamo usato un induttore da 26uH ​​con un condensatore non polarizzato da 1uF per realizzare un filtro passa basso che è indicato come C11. Ecco come funziona il circuito semplice.

Test del circuito dell'amplificatore di classe D.

Come puoi vedere dall'immagine sopra, ho usato un alimentatore da 12V per alimentare il circuito. Dato che sto usando uno cinese economico, emette un po 'più di 12V, è 13,5V per l'esattezza, il che è perfetto per il nostro regolatore di tensione LM7812 integrato. Come carico, sto usando un altoparlante da 4 Ohm, 5 Watt. Per l'ingresso audio, utilizzo il mio laptop con un lungo jack audio da 3,5 mm.

Quando il circuito è acceso, non c'è alcun ronzio evidente come potresti ottenere da altri tipi di amplificatori, ma come puoi vedere nel video, questo circuito non è perfetto e ha un problema di clipping a livelli di ingresso più alti, quindi questo circuito ha molto spazio per miglioramenti. Dato che stavo guidando carichi moderatamente bassi, i MOSFET non si sono surriscaldati affatto e quindi per questi test non richiede alcun dissipatore di calore.

Ulteriori miglioramenti

Questo circuito di amplificazione di potenza in Classe D è un semplice prototipo e ha molto spazio per miglioramenti. Il mio problema principale con questo circuito era la tecnica di campionamento, che deve essere migliorata. Al fine di ridurre il clipping dell'amplificatore, è necessario calcolare i valori di induttanza e capacità adeguati per ottenere uno stadio di filtro passa basso perfetto. Come sempre, il circuito può essere realizzato su un PCB per prestazioni migliori. È possibile aggiungere un circuito di protezione che proteggerà il circuito da condizioni di surriscaldamento o cortocircuito.

Spero che questo articolo ti sia piaciuto e che abbia imparato qualcosa di nuovo da esso. Se hai qualche dubbio, puoi chiedere nei commenti qui sotto o puoi usare i nostri forum per una discussione dettagliata.