NF naprave so v zadnjih desetletjih prehodile dolgo pot, od klasičnega cevnega ojačevalnika do sodobnih medijskih predvajalnikov, tehnološki napredek je spremenil način porabe digitalnih medijev.
Med vsemi temi novostmi so prenosni medijski predvajalniki postali ena prvih izbir med potrošniki zaradi živahne kakovosti zvoka in dolge življenjske dobe baterije.
Torej, kako deluje in kako se tako dobro sliši? Kot ljubitelju elektronike se mi to vprašanje vedno znova poraja. Kljub napredku v tehnologiji zvočnikov so izboljšave metodologije ojačevalnika odigrale veliko vlogo in očiten odgovor na to vprašanje je ojačevalnik razreda D. V tem projektu bomo torej izkoristili priložnost za razpravo o ojačevalniku razreda D in spoznali njegove prednosti in slabosti. Na koncu bomo izdelali prototip strojne opreme ojačevalnika in preizkusili njegovo delovanje. Sliši se prav zanimivo, torej se lotimo dela!
Ta vsebina je samo za naročnike
Osnove ojačevalnika razreda D
Kaj je avdio ojačevalnik razreda D? Najpreprostejši odgovor bo, da je stikalni ojačevalnik. Toda da bi razumeli njegovo delovanje, se moramo naučiti, kako deluje in kako se generira stikalni signal, zato si oglejte blok diagram na sliki 1.
Zakaj sploh narediti stikalni ojačevalnik? Očiten odgovor na to vprašanje je učinkovitost ojačevalnika. V primerjavi z ojačevalniki razreda A, razreda B in razreda AB lahko avdio ojačevalnik razreda D doseže učinkovitost od 90 do 95%. Če je največji izkoristek ojačevalnika razreda AB 60-65%, ker delujejo na aktivnem delu in kažejo nizke izgube moči, lahko to ugotovite, če pomnožite napetost kolektor-emiter s tokom.
Vrnimo se nazaj k našemu poenostavljenemu blok diagramu avdio ojačevalnika razreda D. Kot lahko vidite imamo naš avdio vhod vezan na neinvertiranem priključku, na invertiranem priključku pa imamo priključen visokofrekvenčni trikotni signal. Na tej točki, ko je napetost vhodnega avdio signala večja od napetosti trikotnega vala, je izhod primerjalnika visok, ko je signal nizek, pa je izhod nizek. S to nastavitvijo smo samo modulirali vhodni zvočni signal z visokofrekvenčnim nosilnim signalom, ki se nato poveže z IC krmilnikom MOSFET vrat, in kot pove že ime, se gonilnik uporablja za pogon vrat dveh MOSFET-ov, ki sta priključena eden na + in drugi na – napajalno napetost. Na izhodu dobimo ojačan visokofrekvenčni kvadratni val, ki ga filtriramo skozi stopnjo nizkoprepustnega filtra, da dobimo naš končni zvočni signal.
Potrebne komponente za izgradnjo ojačevalnika razreda D:
- IR2110 IC – 1
- LM358 OP-Amp – 1
- NE555 Timer IC – 1
- LM7812 IC – 1
- LM7805 IC – 1
- 102 pF kondenzator – 1
- 103 pF kondenzator – 1
- 104 pF kondenzator – 2
- 105 pF kondenzator – 1
- 224 pF kondenzator – 1
- 22uF kondenzator – 1
- 470uF kondenzator – 1
- 220 uF kondenzator – 1
- 100 uF kondenzator – 2
- 2.2 k upor – 1
- 10 k upor – 2
- 10 R upor – 2
- 3.5 mm Audio Jack – 1
- 5.08 mm vijačna sponka – 2
- 1N4007 Dioda – 3
- IRF640 MOSFET – 2
- 10K Trim POT – 1
- 26uH tuljava – 1
- 3,5 mm vtikač za slušalke – 1
Gradnja vezja na prototipni plošči
Kot lahko vidite iz slike, smo vezje naredili na kosu prototipne plošče. To pa zato, ker je vezje zelo preprosto, in drugič, če gre kaj narobe, ga lahko hitro in enostavno spremenimo. Večino povezav smo naredili s pomočjo bakrene žice, v nekaterih zadnjih fazah pa smo morali za dokončanje gradnje uporabiti nekaj priključnih žic. Končano vezje na prototipni plošči je prikazano na sliki 4.
Delovanje avdio ojačevalnika razreda D
V tem razdelku bomo šli skozi vsak blok vezja in ga razložili. Ta avdio ojačevalnik razreda D, ki temelji na operacijskem ojačevalniku, je sestavljen iz zelo splošnih komponent, ki jih lahko najdete v vaši lokalni trgovini za elektroniko.
Začnemo z regulacijo vhodne napetosti z LM7805, 5V napetostnim regulatorjem, in LM7812, 12V napetostnim regulatorjem. To je pomembno, ker bomo vezje napajali s 13,5 V DC adapterjem. Za napajanje NE555 in IR2110 IC je namreč potrebna napajalna napetost 5 V in 12 V.
Kot lahko vidite iz zgornje slike, smo uporabili 555 timer z 2,2 k uporom za generiranje trikotnega signala frekvence 260 kHz.
Kot lahko vidite iz zgornje slike, smo za modulacijo vhodnega avdio signala uporabili preprost operacijski ojačevalnik LM358.
Ko že govorimo o dohodnih zvočnih signalih, smo uporabili dva 10k vhodna upora na vhodu in ker uporabljamo en sam napajalnik, smo pritrdili potenciometer za izravnavo ničelnega signala, ki je prisoten v vhodnem signalu. Izhod tega primerjalnika bo visok, ko je vrednost vhodnega avdio signala večja od vhodnega trikotnega vala, na izhodu pa bomo dobili moduliran kvadratni val, ki ga nato dovajamo v IC gonilnik MOSFET vrat.
Ker delamo z nekaj zmerno visokimi frekvencami, smo za pravilno poganjanje MOSFET uporabili gonilnik vrat MOSFET. Vsa potrebna vezja so nameščena, kot priporoča podatkovni list IR2110 IC. Za pravilno delovanje ta IC zahteva invertiran vhodni signal, zato smo uporabili BF200, visokofrekvenčni tranzistor za generiranje invertiranega vhodnega signala.
Kot lahko vidite iz zgornje slike, imamo izhodno MOSFET stopnjo, ki je tudi glavni izhodni gonilnik, saj imamo opravka z visoko frekvenco in tuljavami. Za zaščito MOSFET-ov smo uporabili 1N4007 kot povratno diodo, ki preprečuje uničenje MOSFET-ov.
Na izhod iz gonilne MOSFET stopnje dobimo visokofrekvenčni kvadratni signal, ki je popolnoma neprimeren za krmiljenje bremena, kot je zvočnik. Da bi to preprečili, smo uporabili 26uH tuljavo z 1uF nepolariziranim kondenzatorjem, ki je označen kot C11. Oba skupaj tvorita nizkoprepusten filter. Tako deluje to preprosto vezje ojačevalnika v D razredu.
Testiranje ojačevalnika razreda D
Kot lahko vidite iz zgornje slike, sem za napajanje vezja uporabil 12V napajalnik- adapter. Ker uporabljam cenovno ugodnega, ki ima na izhodu malo več kot 12V, natančneje 13,5V, kar je kot nalašč za naš vgrajeni napetostni regulator LM7812. Kot obremenitev uporabljam zvočnik 4 Ohm, 5W. Za avdio vhod uporabljam svoj prenosnik z dolgim 3,5 mm avdio priključkom.
Ko na vezje priklopimo napajalno napetost, ni opaznega brenčanja, kot ga lahko slišite pri drugih vrstah ojačevalnikov, vendar kot lahko vidite na videoposnetku, to vezje ni popolno in ima težave s prekrmiljenjem pri višjih vhodnih signalih, zato ima to vezje veliko prostora za izboljšave. Ker sem ojačevalnik krmilil z zmerno nizkim vhodnim signalom se MOSFET-i sploh niso segreli, zato za te teste ne potrebujejo 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 rezanje signala ojačevalnika, je treba izračunati ustrezne vrednosti induktivnosti in kapacitivnosti, da dobimo popoln nivo nizkoprepustnega filtra.
Kot vedno je vezje mogoče izdelati na PCB za boljše delovanje. Doda se lahko zaščitno vezje, ki bo zaščitilo vezje pred pregrevanjem ali kratkim stikom na izhodu ojačevalnika.
Povzeto po:
https://bit.ly/3Mh9z9L
https://circuitdigest.com
Circuit Digest
Avtor: Debashis Das
