วิธีสร้างคลาสประสิทธิภาพสูง

เนื้อหาเสียงมีมาอย่างยาวนานในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาตั้งแต่แอมป์หลอดแบบคลาสสิกไปจนถึงเครื่องเล่นสื่อสมัยใหม่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้เปลี่ยนวิธีการบริโภคสื่อดิจิทัล ในบรรดานวัตกรรมเหล่านี้เครื่องเล่นสื่อแบบพกพาได้กลายเป็นหนึ่งในตัวเลือกแรกของผู้บริโภคเนื่องจากคุณภาพเสียงที่สดใสและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน มันทำงานอย่างไรและฟังดูดีอย่างไร ในฐานะผู้ที่ชื่นชอบอิเล็กทรอนิกส์คำถามนี้อยู่ในใจฉันเสมอ แม้จะมีความก้าวหน้าในเทคโนโลยีลำโพง แต่การปรับปรุงวิธีการขยายเสียงก็มีบทบาทสำคัญและคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้คือเครื่องขยายเสียง Class Dดังนั้นในโครงการนี้เราจะถือโอกาสหารือเกี่ยวกับเครื่องขยายเสียง Class D และทราบข้อดีข้อเสียของมัน ในที่สุดเราจะสร้างต้นแบบฮาร์ดแวร์ของเครื่องขยายเสียงและทดสอบประสิทธิภาพ ฟังดูน่าสนใจ! ลองมาดูกัน

หากคุณสนใจเกี่ยวกับวงจรขยายเสียงคุณสามารถอ่านบทความของเราในหัวข้อที่เราสร้างวงจรโดยใช้ออปแอมป์มอสเฟตและ IC เช่น TDA2030, TDA2040 และ TDA2050

พื้นฐานของเครื่องขยายเสียง Class D

เครื่องขยายเสียง Class-D คืออะไร? คำตอบที่ง่ายที่สุดจะได้รับมันเป็นเครื่องขยายเสียงสลับแต่เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานของมันเราจำเป็นต้องเรียนรู้ว่ามันทำงานอย่างไรและวิธีการสร้างสัญญาณสวิตชิ่งสำหรับสิ่งนั้นคุณสามารถทำตามแผนภาพบล็อกที่ระบุด้านล่าง

ทำไมต้องมีเครื่องขยายเสียงแบบสวิตชิ่ง? คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้คือประสิทธิภาพ เมื่อเทียบกับเครื่องขยายเสียง Class A, Class B และ Class AB เครื่องขยายเสียง Class D สามารถให้ประสิทธิภาพได้ถึง 90-95% ในกรณีที่ประสิทธิภาพสูงสุดของแอมพลิฟายเออร์คลาส AB อยู่ที่ 60-65% เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ทำงานในพื้นที่แอคทีฟและมีการสูญเสียพลังงานต่ำหากคุณคูณแรงดันตัวเก็บรวบรวม - ตัวปล่อยด้วยกระแสคุณจะพบว่า หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้โปรดดูบทความของเราเกี่ยวกับคลาสของเพาเวอร์แอมป์ซึ่งเราได้กล่าวถึงปัจจัยการสูญเสียที่เกี่ยวข้องทั้งหมด

ตอนนี้กลับไปที่แผนภาพบล็อกที่เรียบง่ายของเราของแอมป์เสียงคลาส Dดังที่คุณเห็นที่เทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านเรามีอินพุตเสียงของเราและที่ขั้วกลับด้านเรามีสัญญาณสามเหลี่ยมความถี่สูงของเรา ณ จุดนี้เมื่อแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณเสียงอินพุตมากกว่าแรงดันไฟฟ้าของคลื่นสามเหลี่ยมเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะสูงและเมื่อสัญญาณต่ำเอาต์พุตจะต่ำ ด้วยการตั้งค่านี้เราเพิ่งปรับสัญญาณเสียงอินพุตด้วยสัญญาณผู้ให้บริการความถี่สูงจากนั้นจะเชื่อมต่อกับ IC ไดรฟ์เกต MOSFET และตามชื่อที่แสดงถึงไดรเวอร์จะใช้เพื่อขับเคลื่อนเกตของ MOSFET สองตัวสำหรับทั้งสูง ด้านข้างและด้านล่างหนึ่งครั้ง ที่เอาต์พุตเราจะได้คลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงที่มีประสิทธิภาพที่เอาต์พุตซึ่งเราผ่านขั้นตอนการกรองความถี่ต่ำเพื่อรับสัญญาณเสียงสุดท้ายของเรา

ส่วนประกอบที่จำเป็นในการสร้างวงจรขยายเสียง Class-D

ตอนนี้เราเข้าใจพื้นฐานของเครื่องขยายเสียง Class-D แล้วและเราสามารถย้ายไปหาส่วนประกอบเพื่อสร้างเครื่องขยายเสียง DIY Class Dได้ เนื่องจากเป็นโครงการทดสอบอย่างง่ายข้อกำหนดเกี่ยวกับส่วนประกอบจึงมีอยู่ทั่วไปและคุณสามารถหาได้จากร้านขายอุปกรณ์งานอดิเรกในท้องถิ่น รายการส่วนประกอบพร้อมรูปภาพมีให้ด้านล่าง

รายการชิ้นส่วนเพื่อสร้างเพาเวอร์แอมป์ Class D:

1. IR2110 IC - 1
2. Lm358 OP-Amp - 1
3. NE555 Timer IC - 1
4. LM7812 IC - 1
5. LM7805 IC - 1
6. 102 pF ตัวเก็บประจุ - 1
7. ตัวเก็บประจุ 103 pF - 1
8. 104 pF ตัวเก็บประจุ - 2
9. 105 pF ตัวเก็บประจุ - 1
10. 224 pF ตัวเก็บประจุ - 1
11. 22uF ตัวเก็บประจุ - 1
12. ตัวเก็บประจุ 470uF - 1
13. ตัวเก็บประจุ 220uF - 1
14. ตัวเก็บประจุ 100uF - 2
15. ตัวต้านทาน 2.2K - 1
16. ตัวต้านทาน 10 K - 2
17. ตัวต้านทาน 10R - 2
18. แจ็คเสียง 3.5 มม. - 1
19. 5.08 มม. ขั้วต่อสกรู - 2
20. UF4007 ไดโอด - 3
21. IRF640 MOSFET - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH ตัวเหนี่ยวนำ - 1
24. แจ็คหูฟัง 3.5 มม. - 1

เครื่องขยายเสียง Class D - แผนผัง

แผนผังสำหรับวงจรขยาย Class-Dของเรา แสดงไว้ด้านล่าง:

การสร้างวงจรบน PerfBoard

ดังที่คุณเห็นจากภาพหลักเราได้สร้างวงจรบนชิ้นส่วนของเพอร์บอร์ด เพราะอย่างแรกวงจรนั้นง่ายมากและอย่างที่สองถ้ามีอะไรผิดพลาดเราสามารถแก้ไขได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย เราทำการเชื่อมต่อส่วนใหญ่ด้วยความช่วยเหลือของลวดทองแดง แต่ในบางขั้นตอนสุดท้ายเราต้องใช้สายเชื่อมต่อเพื่อให้การสร้างเสร็จสมบูรณ์ วงจร perfboard ที่สมบูรณ์จะแสดงด้านล่าง

การทำงานของเครื่องขยายเสียง Class-D

ในส่วนนี้เราจะอธิบายทุกบล็อกหลักของวงจรและอธิบายทุกบล็อก แอมพลิฟายเออร์เสียง Class-D ที่ใช้ Op-amp นี้ประกอบด้วยส่วนประกอบทั่วไปที่คุณสามารถหาได้จากร้านขายอุปกรณ์งานอดิเรกในพื้นที่ของคุณ

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาเข้า:

เราเริ่มต้นด้วยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าเข้าด้วย LM7805 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 5V และ LM7812 ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์ นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากเราจะจ่ายไฟให้กับวงจรด้วยอะแดปเตอร์ 13.5V DC และเพื่อจ่ายไฟให้กับ NE555 และ IR2110 IC, 5V และ 12V

เครื่องกำเนิดคลื่นสามเหลี่ยมพร้อม 555 Astable Multivibrator:

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนเราได้ใช้ตัวจับเวลา 555 พร้อมตัวต้านทาน 2.2K เพื่อสร้างสัญญาณสามเหลี่ยม 260KHz หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Astable Multivibrator คุณสามารถดูโพสต์ก่อนหน้าของเราเกี่ยวกับ 555 Timer Based Astable Multivibrator วงจรที่เราได้อธิบายการคำนวณที่จำเป็นทั้งหมด

วงจรมอดูเลต:

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนเราได้ใช้ LM358 Op-Amp แบบธรรมดาเพื่อปรับสัญญาณเสียงอินพุต เมื่อพูดถึงสัญญาณเสียงที่เข้ามาเราได้ใช้ตัวต้านทานอินพุต 10K สองตัวเพื่อรับสัญญาณเสียงและในขณะที่เราใช้แหล่งจ่ายเดียวเราได้ติดตั้งโพเทนชิออมิเตอร์เพื่อชดเชยสัญญาณศูนย์ที่มีอยู่ในเสียงอินพุต เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบนี้จะสูงเมื่อค่าของสัญญาณเสียงอินพุตมากกว่าคลื่นสามเหลี่ยมอินพุตและที่เอาต์พุตเราจะได้คลื่นสี่เหลี่ยมที่มอดูเลตซึ่งจากนั้นเราจะป้อนให้กับ IC ไดรเวอร์ประตู MOSFET

IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

ในขณะที่เราทำงานกับความถี่สูงพอสมควรเราจึงใช้ MOSFET gate driver IC เพื่อขับเคลื่อน MOSFET อย่างถูกต้อง วงจรที่จำเป็นทั้งหมดถูกวางไว้ตามที่แนะนำโดยแผ่นข้อมูลของ IR2110 IC เพื่อการทำงานที่เหมาะสม IC นี้ต้องใช้สัญญาณกลับหัวของสัญญาณอินพุตซึ่งเป็นสาเหตุที่เราใช้ BF200 ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ความถี่สูงเพื่อสร้างคลื่นสี่เหลี่ยมกลับด้านของสัญญาณอินพุต

ขั้นตอนการส่งออก MOSFET:

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนเรามีขั้นตอนการส่งออก MOSFET ซึ่งเป็นตัวขับเอาท์พุทหลักเช่นกันเนื่องจากเรากำลังจัดการกับความถี่สูงและตัวเหนี่ยวนำจึงมีการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวอยู่เสมอซึ่งเป็นสาเหตุที่เราใช้ UF4007 บางตัวเป็นฟลายแบ็ค ไดโอดซึ่งป้องกันไม่ให้ MOSFET ได้รับความเสียหาย

ตัวกรอง LC Low-Pass:

เอาต์พุตจากสเตจไดรเวอร์ MOSFET เป็นคลื่นสี่เหลี่ยมความถี่สูงสัญญาณนี้ไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการขับโหลดเช่นลำโพง เพื่อป้องกันไม่ให้เราใช้ตัวเหนี่ยวนำ 26uH ​​พร้อมตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้ว 1uF เพื่อสร้างตัวกรองความถี่ต่ำซึ่งแสดงเป็น C11 นี่คือวิธีการทำงานของวงจรอย่างง่าย

การทดสอบวงจรเครื่องขยายเสียง Class-D

ดังที่คุณเห็นจากภาพด้านบนฉันใช้อะแดปเตอร์ไฟ 12V เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจร เนื่องจากฉันใช้ของจีนราคาไม่แพงมันให้มากกว่า 12V เล็กน้อยจึงเป็น 13.5V ซึ่งเหมาะสำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LM7812 บนบอร์ด ในการโหลดฉันใช้ลำโพง 4 โอห์ม, 5 วัตต์ สำหรับอินพุตเสียงฉันใช้แล็ปท็อปที่มีแจ็คเสียงยาว 3.5 มม.

เมื่อเปิดวงจรจะไม่มีเสียงฟู่ที่เห็นได้ชัดเจนอย่างที่คุณอาจได้รับจากแอมพลิฟายเออร์ประเภทอื่น แต่อย่างที่คุณเห็นในวิดีโอวงจรนี้ไม่สมบูรณ์แบบและมีปัญหาในการตัดที่ระดับอินพุตที่สูงขึ้นดังนั้นสิ่งนี้ วงจรมีพื้นที่มากสำหรับการปรับปรุง ในขณะที่ฉันขับรถโหลดต่ำพอสมควร MOSFET จึงไม่ร้อนเลยดังนั้นสำหรับการทดสอบเหล่านี้จึงไม่ต้องใช้ชุดระบายความร้อนใด ๆ

การปรับปรุงเพิ่มเติม

นี้คลาสD วงจรขยายอำนาจเป็นต้นแบบที่เรียบง่ายและมีจำนวนมากห้องพักสำหรับการปรับปรุงเป็นปัญหาหลักของฉันกับวงจรนี้เป็นเทคนิคการสุ่มตัวอย่างซึ่งต้องมีการปรับปรุง เพื่อลดการตัดของเครื่องขยายเสียงจำเป็นต้องคำนวณค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ขั้นตอนการกรองความถี่ต่ำที่สมบูรณ์แบบ เช่นเคยวงจรสามารถทำบน PCB เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น สามารถเพิ่มวงจรป้องกันที่จะป้องกันวงจรจากสภาวะความร้อนสูงเกินไปหรือไฟฟ้าลัดวงจร

ฉันหวังว่าคุณจะชอบบทความนี้และเรียนรู้สิ่งใหม่ ๆ จากบทความนี้ หากคุณมีข้อสงสัยคุณสามารถถามได้ในความคิดเห็นด้านล่างหรือสามารถใช้ฟอรัมของเราสำหรับการอภิปรายโดยละเอียด