Com es construeix una classe d’alta eficiència

El contingut d’àudio ha recorregut un llarg camí en les darreres dècades, des d’un clàssic amplificador de tubs fins a reproductors multimèdia actuals. Entre totes aquestes innovacions, els reproductors multimèdia portàtils s’han convertit en una de les primeres opcions entre els consumidors, a causa de la seva vibrant qualitat de so i la seva llarga durada de la bateria. Llavors, com funciona i com sona tan bé. Com a entusiasta de l’electrònica, sempre em ve al cap aquesta pregunta. Tot i els avenços en la tecnologia dels altaveus, les millores en la metodologia dels amplificadors van tenir un paper important i la resposta òbvia a aquesta pregunta és un amplificador de classe D.Així doncs, en aquest projecte, aprofitarem per discutir sobre un amplificador de classe D i conèixer-ne els pros i els contres. Finalment, construirem un prototip de maquinari de l’amplificador i provarem el seu rendiment. Sona interessant oi! Així que anem-hi directament.

Si esteu interessats en els circuits d’amplificació d’àudio, podeu consultar els nostres articles sobre el tema on hem construït circuits amb amplificadors d’opcions, MOSFET i IC com TDA2030, TDA2040 i TDA2050.

Conceptes bàsics de l'amplificador de classe D.

Què és un amplificador d'àudio de classe D? La resposta més senzilla serà que es tracta d’un amplificador de commutació. Però, per entendre el seu funcionament, hem d’aprendre com funciona i com es produeix el senyal de commutació. Per a això, podeu seguir el diagrama de blocs que es mostra a continuació.

Llavors, per què un amplificador de commutació? La resposta òbvia a aquesta pregunta és l’eficiència. En comparació amb els amplificadors de classe A, classe B i classe AB, l’amplificador d’àudio de classe D pot assolir una eficiència de fins a un 90-95%. Quan l’eficiència màxima d’un amplificador de classe AB és del 60-65%, perquè treballen a la regió activa i presenten baixes pèrdues de potència, si multipliqueu la tensió del col·lector-emissor amb el corrent, ho podreu saber. Per obtenir més informació sobre el tema, consulteu el nostre article sobre classes d'amplificadors de potència, on discutim tots els factors de pèrdua relacionats.

Ara tornem al nostre diagrama de blocs simplificat de l’ ampli d’àudio de classe D., com podeu veure al terminal que no inverteix, tenim la nostra entrada d’àudio i, al terminal inversor, tenim el nostre senyal triangular d’alta freqüència. En aquest moment, quan el voltatge del senyal d'àudio d'entrada és superior al voltatge de l'ona triangular, la sortida del comparador augmenta i, quan el senyal és baix, la sortida és baixa. Amb aquesta configuració, acabem de modular el senyal d’àudio d’entrada amb un senyal portador d’alta freqüència, que després es connecta a un IC de la unitat de porta MOSFET i, com el seu nom indica, el controlador s’utilitza per conduir la porta de dos MOSFET tant per a l’alta lateral i lateral baix una vegada. A la sortida, obtenim una potent ona quadrada d'alta freqüència a la sortida, que passem a través d'una etapa de filtre de pas baix per obtenir el nostre senyal d'àudio final.

Components necessaris per construir un circuit d'amplificador d'àudio de classe D

Ara hem entès els conceptes bàsics d’un amplificador d’àudio de classe D i podem moure’ns per trobar els components per construir un amplificador de classe D de bricolatge. Com que es tracta d’un projecte de prova senzill, el requisit de components és molt genèric i podeu trobar-ne la majoria en una botiga d’aficionats local. A continuació es mostra una llista de components amb una imatge.

Llista de peces per construir un amplificador de potència de classe D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. Temporitzador NE555 IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. Condensador de 102 pF - 1
7. Condensador de 103 pF - 1
8. Condensador de 104 pF - 2
9. Condensador de 105 pF - 1
10. Condensador de 224 pF - 1
11. Condensador de 22uF: 1
12. Condensador 470uF: 1
13. Condensador 220uF: 1
14. Condensador 100uF - 2
15. Resistència 2.2K - 1
16. Resistència de 10 K - 2
17. Resistència 10R - 2
18. Presa d'àudio de 3,5 mm - 1
19. Terminal de cargol de 5,08 mm - 2
20. Diode UF4007 - 3
21. MOSFET IRF640: 2
22. POT de retall 10K - 1
23. Inductor 26uH ​​- 1
24. Presa per a auriculars de 3,5 mm: 1

Amplificador d'àudio de classe D: diagrama esquemàtic

A continuació es mostra l’ esquema del nostre circuit amplificador de classe D:

Construint el circuit a PerfBoard

Com podeu veure a la imatge principal, hem realitzat el circuit en un tros de perfboard. Com que, primer, el circuit és molt senzill i, en segon lloc, si alguna cosa surt malament, el podem modificar ràpidament i fàcilment. Vam fer la majoria de les connexions amb l'ajut de filferro de coure, però en algunes etapes finals vam haver d'utilitzar alguns cables de connexió per completar la construcció. A continuació es mostra el circuit completat de perfboard.

Funcionament de l’amplificador d’àudio Class-D

En aquesta secció, passarem per tots els blocs principals del circuit i explicarem cada bloc. Aquest amplificador d’àudio Class-D basat en amplificadors d’Op està format per components molt genèrics que podeu trobar a la vostra botiga d’aficionats local.

Els reguladors de tensió d'entrada:

Comencem per regular la tensió d’entrada amb un regulador de tensió LM7805, 5V i un LM7812, un regulador de tensió de 12 volts. Això és important perquè alimentarem el circuit amb un adaptador de 13,5 V CC i per alimentar el NE555 i l’IR2110 IC, es necessita una font d’alimentació de 5 V i 12 V

Generador d’ones triangulars amb 555 Multivibrador Astable:

Com podeu veure a la imatge anterior, hem utilitzat un temporitzador 555 amb una resistència de 2,2 K per generar un senyal triangular de 260 KHz. Si voleu saber més sobre el multivibrador Astable, podeu consultar la nostra publicació anterior a Multivibrador Astable basat en temporitzador 555 Circuit, on hem descrit tots els càlculs necessaris.

El circuit de modulació:

Com podeu veure a la imatge anterior, hem utilitzat un senzill amplificador operatiu LM358 per modular el senyal d'àudio d'entrada. Parlant de senyals d'àudio entrants, hem utilitzat dues resistències d'entrada de 10 K per obtenir el senyal d'àudio i, com que estem utilitzant una única font, hem adjuntat un potenciòmetre per compensar el senyal zero present a l'àudio d'entrada. La sortida d’aquest comparador serà elevada quan el valor del senyal d’àudio d’entrada sigui major que l’ona triangular d’entrada i, a la sortida, obtindrem una ona quadrada modulada, que després alimentarem a un circuit controlador de porta MOSFET.

IC del controlador de la porta MOSFET IR2110:

Com que treballem amb algunes freqüències moderadament altes, hem utilitzat un IC de controlador de porta MOSFET per conduir el MOSFET correctament. Tots els circuits necessaris es col·loquen tal com es recomana a la fitxa tècnica de l'IR2110 IC. Per a un funcionament adequat, aquest CI requereix un senyal invertit del senyal d’entrada, per això hem utilitzat un BF200, un transistor d’alta freqüència per generar l’ona quadrada invertida del senyal d’entrada.

Etapa de sortida MOSFET:

Com podeu veure a la imatge anterior, tenim l’etapa de sortida MOSFET, que també és el principal controlador de sortida, ja que tractem d’inductors i alta freqüència, sempre hi ha transitoris implicats, motiu pel qual hem utilitzat alguns UF4007 com a flyback díodes que eviten que els MOSFET es danyin.

El filtre de pas baix LC:

La sortida de l’etapa del controlador MOSFET és una ona quadrada d’alta freqüència, aquest senyal és absolutament inadequat per conduir càrregues com un altaveu. Per evitar-ho, hem utilitzat un inductor de 26uH ​​amb un condensador no polaritzat de 1uF per fer un filtre de pas baix que es denota com C11. Així funciona el circuit simple.

Prova del circuit d'amplificador de classe D

Com podeu veure a la imatge anterior, he utilitzat un adaptador de corrent de 12V per alimentar el circuit. Com que estic fent servir un xinès assequible, emet una mica més que els 12V, és a dir, 13,5V, el que és perfecte per al nostre regulador de voltatge LM7812 incorporat. Com a càrrega, estic fent servir un altaveu de 4 ohms i 5 watts. Per a l'entrada d'àudio, estic fent servir el meu ordinador portàtil amb un connector d'àudio llarg de 3,5 mm.

Quan el circuit està engegat, no es produeix cap so remorós com es pot obtenir d'altres tipus d'amplificadors, però, com es pot veure al vídeo, aquest circuit no és perfecte i té un problema de retallada a nivells d'entrada més elevats, de manera que això el circuit té molt marge de millora. Com que conduïa càrregues moderadament baixes, els MOSFET no s’escalfaven gens i, per tant, per a aquestes proves no requereixen cap dissipador de calor.

Millores addicionals

Aquest circuit d'amplificador de potència de classe D és un prototip simple i té molt marge per millorar, el meu principal problema amb aquest circuit va ser la tècnica de mostreig, que cal millorar. Per tal de reduir el retall de l’amplificador, cal calcular els valors d’inductància i capacitat adequats per obtenir una etapa de filtre de pas baix perfecta. Com sempre, el circuit es pot fer en un PCB per obtenir un millor rendiment. Es pot afegir un circuit de protecció que protegirà el circuit de sobrecalentament o de curtcircuit.

Espero que aquest article us hagi agradat i n’hagueu après alguna cosa nova. Si teniu algun dubte, podeu demanar-los als comentaris següents o fer servir els nostres fòrums per a una discussió detallada.