Wie man eine hocheffiziente Klasse baut

Audioinhalte haben in den letzten Jahrzehnten einen langen Weg zurückgelegt, von einem klassischen Röhrenverstärker bis hin zu modernen Mediaplayern. Technologische Fortschritte haben die Art und Weise verändert, wie digitale Medien konsumiert werden. Unter all diesen Innovationen sind tragbare Mediaplayer aufgrund ihrer lebendigen Klangqualität und langen Akkulaufzeit zu einer der ersten Wahl unter Verbrauchern geworden. Wie funktioniert es und wie klingt es so gut? Als elektronischer Enthusiast kommt mir diese Frage immer in den Sinn. Trotz der Fortschritte in der Lautsprechertechnologie spielten Verbesserungen der Verstärkermethodik eine große Rolle, und die offensichtliche Antwort auf diese Frage ist ein Klasse-D-Verstärker.In diesem Projekt werden wir die Gelegenheit nutzen, einen Klasse-D-Verstärker zu diskutieren und die Vor- und Nachteile zu kennen. Schließlich werden wir einen Hardware-Prototyp des Verstärkers erstellen und dessen Leistung testen. Klingt interessant, oder? Also lasst uns gleich loslegen.

Wenn Sie an Audioverstärkerschaltungen interessiert sind, lesen Sie unsere Artikel zum Thema, in dem wir Schaltungen mit Operationsverstärkern, MOSFETs und ICs wie TDA2030, TDA2040 und TDA2050 gebaut haben.

Die Grundlagen des Class D-Verstärkers

Was ist ein Class-D-Audioverstärker? Die einfachste Antwort ist, es ist ein Schaltverstärker. Um seine Funktionsweise zu verstehen, müssen wir jedoch lernen, wie es funktioniert und wie das Schaltsignal erzeugt wird. Dazu können Sie dem unten angegebenen Blockdiagramm folgen.

Warum also ein Schaltverstärker? Die offensichtliche Antwort auf diese Frage lautet Effizienz. Im Vergleich zu Verstärkern der Klassen A, B und AB kann der Audioverstärker der Klasse D einen Wirkungsgrad von bis zu 90-95% erreichen. Wenn der maximale Wirkungsgrad eines Verstärkers der Klasse AB 60-65% beträgt, weil er im aktiven Bereich arbeitet und einen geringen Leistungsverlust aufweist, können Sie dies herausfinden, wenn Sie die Kollektor-Emitter-Spannung mit dem Strom multiplizieren. Weitere Informationen zum Thema finden Sie in unserem Artikel über Leistungsverstärkerklassen, in dem wir alle damit verbundenen Verlustfaktoren besprochen haben.

Zurück zu unserem vereinfachten Blockdiagramm des Audioverstärkers der Klasse D.Wie Sie am nicht invertierenden Anschluss sehen können, haben wir unseren Audioeingang und am invertierenden Anschluss unser hochfrequentes Dreieckssignal. Zu diesem Zeitpunkt geht der Ausgang des Komparators hoch, wenn die Spannung des Eingangs-Audiosignals größer als die Spannung der Dreieckwelle ist, und wenn das Signal niedrig ist, ist der Ausgang niedrig. Bei diesem Aufbau haben wir nur das Eingangs-Audiosignal mit einem Hochfrequenz-Trägersignal moduliert, das dann mit einem MOSFET-Gate-Ansteuerungs-IC verbunden wird, und wie der Name schon sagt, wird der Treiber verwendet, um das Gate von zwei MOSFETs für beide Highs anzusteuern Seite und niedrige Seite einmal. Am Ausgang erhalten wir eine starke hochfrequente Rechteckwelle am Ausgang, die wir durch eine Tiefpassfilterstufe laufen, um unser endgültiges Audiosignal zu erhalten.

Erforderliche Komponenten zum Aufbau einer Klasse-D-Audioverstärkerschaltung

Jetzt haben wir die Grundlagen eines Class-D-Audioverstärkers verstanden und können nach den Komponenten suchen, um einen DIY Class D-Verstärker zu bauen. Da es sich um ein einfaches Testprojekt handelt, sind die Komponentenanforderungen sehr allgemein und die meisten finden Sie in einem örtlichen Hobbygeschäft. Eine Liste der Komponenten mit einem Bild finden Sie unten.

Teileliste zum Bau eines Leistungsverstärkers der Klasse 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 Kondensator - 1
7. 103 pF Kondensator - 1
8. 104 pF Kondensator - 2
9. 105 pF Kondensator - 1
10. 224 pF Kondensator - 1
11. 22uF Kondensator - 1
12. 470uF Kondensator - 1
13. 220 uF Kondensator - 1
14. 100 uF Kondensator - 2
15. 2.2K Widerstand - 1
16. 10 K Widerstand - 2
17. 10R Widerstand - 2
18. 3,5 mm Audiobuchse - 1
19. 5,08 mm Schraubklemme - 2
20. UF4007 Diode - 3
21. IRF640-MOSFETs - 2
22. 10K Trim POT - 1
23. 26uH Induktor - 1
24. 3,5 mm Kopfhörerbuchse - 1

Klasse D Audioverstärker - Schematische Darstellung

Das schematische Diagramm für unsere Klasse-D-Verstärkerschaltung ist unten gezeigt:

Aufbau der Schaltung auf PerfBoard

Wie Sie auf dem Hauptbild sehen können, haben wir die Schaltung auf einem Stück Perfboard hergestellt. Denn erstens ist die Schaltung sehr einfach, und zweitens können wir sie schnell und einfach ändern, wenn etwas schief geht. Wir haben die meisten Verbindungen mit Hilfe von Kupferdraht hergestellt, aber in einigen letzten Schritten mussten wir einige Anschlussdrähte verwenden, um den Bau abzuschließen. Die fertige Perfboard-Schaltung ist unten gezeigt.

Funktionieren eines Audioverstärkers der Klasse D.

In diesem Abschnitt werden wir jeden Hauptblock der Schaltung durchgehen und jeden Block erklären. Dieser Class-D-Audioverstärker auf Basis eines Operationsverstärkers besteht aus sehr allgemeinen Komponenten, die Sie in Ihrem örtlichen Hobbygeschäft finden können.

Die Eingangsspannungsregler:

Wir beginnen mit der Regelung der Eingangsspannung mit einem 5-V-Spannungsregler LM7805 und einem 12-Volt-Spannungsregler LM7812. Dies ist wichtig, da wir den Stromkreis mit einem 13,5-V-Gleichstromadapter mit Strom versorgen und für die Stromversorgung des IC NE555 und IR2110 eine 5-V- und 12-V-Stromversorgung erforderlich ist.

Dreieckwellengenerator mit 555 Astable Multivibrator:

Wie Sie dem obigen Bild entnehmen können, haben wir einen 555-Timer mit einem 2,2-K-Widerstand verwendet, um ein 260-KHz-Dreieckssignal zu erzeugen. Wenn Sie mehr über Astable Multivibrator erfahren möchten, lesen Sie unseren vorherigen Beitrag über 555 Timer Based Astable Multivibrator Schaltung, wo wir alle notwendigen Berechnungen beschrieben haben.

Die Modulationsschaltung:

Wie Sie auf dem obigen Bild sehen können, haben wir einen einfachen LM358-Operationsverstärker verwendet, um das Eingangs-Audiosignal zu modulieren. Apropos eingehende Audiosignale: Wir haben zwei 10K-Eingangswiderstände verwendet, um das Audiosignal zu erhalten, und da wir eine einzige Versorgung verwenden, haben wir ein Potentiometer angeschlossen, um das im Eingangsaudio vorhandene Nullsignal zu versetzen. Der Ausgang dieses Komparators ist hoch, wenn der Wert des Eingangs-Audiosignals größer als die Eingangsdreieckwelle ist, und am Ausgang erhalten wir eine modulierte Rechteckwelle, die wir dann einem MOSFET-Gate-Treiber-IC zuführen.

Der IR2110-MOSFET-Gate-Treiber-IC:

Da wir mit einigen mäßig hohen Frequenzen arbeiten, haben wir einen MOSFET-Gate-Treiber-IC verwendet, um den MOSFET richtig anzusteuern. Alle erforderlichen Schaltkreise befinden sich gemäß den Empfehlungen im Datenblatt des IR2110 IC. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigt dieser IC ein invertiertes Signal des Eingangssignals, weshalb wir einen BF200, einen Hochfrequenztransistor, verwendet haben, um die invertierte Rechteckwelle des Eingangssignals zu erzeugen.

Die MOSFET-Ausgangsstufe:

Wie Sie dem obigen Bild entnehmen können, haben wir die MOSFET-Ausgangsstufe, die auch der Hauptausgangstreiber ist, da es sich um Hochfrequenz- und Induktivitätsstufen handelt. Es sind immer Transienten beteiligt, weshalb wir einige UF4007 als Flyback verwendet haben Dioden, die verhindern, dass die MOSFETs beschädigt werden.

Der LC-Tiefpassfilter:

Der Ausgang der MOSFET-Treiberstufe ist eine hochfrequente Rechteckwelle. Dieses Signal ist für die Ansteuerung von Lasten wie einem Lautsprecher absolut ungeeignet. Um dies zu verhindern, haben wir einen 26uH-Induktor mit einem nicht polarisierten 1uF-Kondensator verwendet, um ein Tiefpassfilter herzustellen , das als C11 bezeichnet wird. So funktioniert die einfache Schaltung.

Testen der Class-D-Verstärkerschaltung

Wie Sie auf dem obigen Bild sehen können, habe ich ein 12-V-Netzteil verwendet, um die Schaltung mit Strom zu versorgen. Da ich einen erschwinglichen chinesischen verwende, gibt er etwas mehr als die 12 V ab, genauer gesagt 13,5 V, was perfekt für unseren integrierten Spannungsregler LM7812 ist. Als Last verwende ich einen 4 Ohm, 5 Watt Lautsprecher. Für den Audioeingang verwende ich meinen Laptop mit einer langen 3,5-mm-Audiobuchse.

Wenn die Schaltung eingeschaltet ist, ist kein Brummgeräusch zu hören, wie es bei anderen Verstärkertypen der Fall ist. Wie Sie jedoch auf dem Video sehen können, ist diese Schaltung nicht perfekt und weist bei höheren Eingangspegeln ein Übersteuerungsproblem auf Schaltung hat viel Raum für Verbesserungen. Da ich mäßig niedrige Lasten gefahren bin, wurden die MOSFETs überhaupt nicht heiß und benötigen daher für diese Tests keinen Kühlkörper.

Weitere Verbesserungen

Diese Klasse- D- Leistungsverstärkerschaltung ist ein einfacher Prototyp und bietet viel Raum für Verbesserungen. Mein Hauptproblem bei dieser Schaltung war die Abtasttechnik, die verbessert werden muss. Um das Übersteuern des Verstärkers zu verringern, müssen geeignete Induktivitäts- und Kapazitätswerte berechnet werden, um eine perfekte Tiefpassfilterstufe zu erhalten. Wie immer kann die Schaltung für eine bessere Leistung auf einer Leiterplatte hergestellt werden. Es kann eine Schutzschaltung hinzugefügt werden, die die Schaltung vor Überhitzung oder Kurzschluss schützt.

Ich hoffe, Ihnen hat dieser Artikel gefallen und Sie haben etwas Neues daraus gelernt. Wenn Sie Zweifel haben, können Sie in den Kommentaren unten nachfragen oder unsere Foren für detaillierte Diskussionen nutzen.