Cách xây dựng lớp học hiệu quả cao

Nội dung âm thanh đã trải qua một chặng đường dài trong nhiều thập kỷ qua, từ một chiếc amply ống cổ điển đến các đầu phát media hiện đại, những tiến bộ công nghệ đã thay đổi cách tiêu thụ phương tiện kỹ thuật số. Trong số tất cả những cải tiến này, máy nghe nhạc di động đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu của người tiêu dùng, bởi chất lượng âm thanh sống động và thời lượng pin dài. Vì vậy, nó hoạt động như thế nào, và làm thế nào nó có âm thanh tốt. Là một người đam mê điện tử, câu hỏi này luôn hiện lên trong đầu tôi. Bất chấp những tiến bộ trong công nghệ loa, những cải tiến trong phương pháp luận bộ khuếch đại đóng một vai trò lớn và câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này là bộ khuếch đại Class D.Vì vậy, trong dự án này, chúng tôi sẽ dành cơ hội thảo luận về bộ khuếch đại Class D và biết những ưu và nhược điểm của nó. Cuối cùng, chúng tôi sẽ xây dựng một nguyên mẫu phần cứng của bộ khuếch đại và kiểm tra hiệu suất của nó. Nghe thật thú vị phải không! Vì vậy, chúng ta hãy bắt đầu ngay vào nó.

Nếu bạn quan tâm đến mạch khuếch đại âm thanh, bạn có thể xem các bài viết của chúng tôi về chủ đề chúng tôi đã chế tạo các mạch sử dụng op-amps, MOSFET và IC như TDA2030, TDA2040 và TDA2050.

Khái niệm cơ bản về Bộ khuếch đại Class D

Bộ khuếch đại âm thanh Class-D là gì? Câu trả lời đơn giản nhất sẽ là, đó là một bộ khuếch đại chuyển mạch. Nhưng để hiểu hoạt động của nó, chúng ta cần tìm hiểu cách thức hoạt động của nó và cách tín hiệu chuyển mạch được tạo ra, bạn có thể theo dõi sơ đồ khối dưới đây.

Vì vậy, tại sao một bộ khuếch đại chuyển đổi? Câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi này là Hiệu quả. So với các bộ khuếch đại Class A, Class B và Class AB, bộ khuếch đại âm thanh Class D có thể đạt hiệu suất lên đến 90-95%. Trong trường hợp hiệu suất tối đa của bộ khuếch đại Class AB là 60-65%, bởi vì chúng hoạt động trên vùng hoạt động và thể hiện tổn thất điện năng thấp, nếu bạn nhân điện áp bộ thu-phát với dòng điện, bạn có thể tìm ra điều đó. Để tìm hiểu thêm về chủ đề này, hãy xem bài viết của chúng tôi về các loại bộ khuếch đại công suất, nơi chúng tôi đã thảo luận về tất cả các yếu tố tổn thất liên quan.

Bây giờ, quay lại sơ đồ khối đơn giản của chúng tôi về bộ khuếch đại âm thanh Class D, như bạn có thể thấy ở thiết bị đầu cuối không đảo ngược, chúng tôi có đầu vào âm thanh và trên thiết bị đầu cuối đảo ngược, chúng tôi có tín hiệu tam giác tần số cao. Tại thời điểm này, khi điện áp của tín hiệu âm thanh đầu vào lớn hơn điện áp của sóng tam giác, đầu ra của bộ so sánh sẽ ở mức cao, và khi tín hiệu thấp, đầu ra ở mức thấp. Với thiết lập này, chúng tôi chỉ điều chế tín hiệu âm thanh đầu vào với tín hiệu sóng mang tần số cao, sau đó kết nối với IC điều khiển cổng MOSFET và như tên của nó, trình điều khiển được sử dụng để điều khiển cổng của hai MOSFET cho cả hai mạch cao. bên và bên thấp một lần. Ở đầu ra, chúng tôi nhận được một sóng vuông tần số cao mạnh mẽ ở đầu ra, mà chúng tôi chuyển qua giai đoạn lọc thông thấp để có được tín hiệu âm thanh cuối cùng.

Các thành phần cần thiết để xây dựng Mạch Khuếch đại Âm thanh Class-D

Bây giờ, chúng ta đã hiểu những kiến thức cơ bản về bộ khuếch đại âm thanh Class-D và chúng ta có thể chuyển sang tìm các thành phần để xây dựng bộ khuếch đại Class D tự làm. Vì đây là một dự án thử nghiệm đơn giản, yêu cầu về thành phần rất chung chung và bạn có thể tìm thấy hầu hết chúng từ một cửa hàng sở thích tại địa phương. Dưới đây là danh sách các thành phần có hình ảnh.

Danh sách bộ phận để xây dựng Bộ khuếch đại công suất loại D:

IC IR2110 - 1
Lm358 OP-Amp - 1
IC hẹn giờ NE555 - 1
IC LM7812 - 1
IC LM7805 - 1
Tụ 102 pF - 1
Tụ điện 103 pF - 1
Tụ điện 104 pF - 2
Tụ 105 pF - 1
Tụ điện 224 pF - 1
Tụ 22uF - 1
Tụ điện 470uF - 1
Tụ điện 220uF - 1
Tụ điện 100uF - 2
Điện trở 2,2K - 1
Điện trở 10 K - 2
Điện trở 10R - 2
Giắc cắm âm thanh 3,5 mm - 1
Thiết bị đầu cuối trục vít 5,08 mm - 2
Diode UF4007 - 3
IRF640 MOSFET - 2
10K Xén POT - 1
Cuộn cảm 26uH - 1
Giắc cắm tai nghe 3,5 mm - 1

Bộ khuếch đại âm thanh Class D- Sơ đồ

Sơ đồ sơ đồ cho mạch khuếch đại Class-D của chúng tôi được hiển thị bên dưới:

Xây dựng mạch trên PerfBoard

Như bạn có thể thấy từ hình ảnh chính, chúng tôi đã tạo mạch điện trên một miếng ván mỏng. Bởi vì, đầu tiên là mạch rất đơn giản, và thứ hai nếu có gì sai sót, chúng tôi có thể sửa đổi nó một cách nhanh chóng và dễ dàng. Chúng tôi đã tạo hầu hết các kết nối với sự trợ giúp của dây đồng, nhưng trong một số công đoạn cuối cùng, chúng tôi phải sử dụng một số dây nối để hoàn thành việc xây dựng. Mạch hoàn thiện được hiển thị bên dưới.

Hoạt động của Bộ khuếch đại âm thanh Class-D

Trong phần này, chúng ta sẽ đi qua từng khối chính của mạch và giải thích từng khối. Bộ khuếch đại âm thanh Class-D dựa trên Op-amp này được tạo thành từ các thành phần rất chung chung mà bạn có thể tìm thấy chúng trong cửa hàng sở thích tại địa phương của mình.

Bộ điều chỉnh điện áp đầu vào:

Chúng tôi bắt đầu bằng cách điều chỉnh điện áp đầu vào với bộ điều chỉnh điện áp LM7805, 5V và LM7812, bộ điều chỉnh điện áp 12 Volt. Điều này rất quan trọng vì chúng ta sẽ cấp nguồn cho mạch bằng bộ chuyển đổi DC 13,5V, và để cấp nguồn cho IC NE555 và IR2110, cần nguồn điện 5V và 12V.

Bộ tạo sóng hình tam giác với bộ điều khiển đa sóng linh hoạt 555:

Như bạn có thể thấy từ hình ảnh trên, chúng tôi đã sử dụng bộ hẹn giờ 555 với điện trở 2,2K để tạo ra tín hiệu tam giác 260KHz, nếu bạn muốn biết thêm về Astable Multivibrator, bạn có thể xem bài viết trước của chúng tôi về 555 Timer Based Astable Multivibrator Mạch, nơi chúng tôi đã mô tả tất cả các tính toán cần thiết.

Mạch điều chế:

Như bạn có thể thấy từ hình ảnh trên, chúng tôi đã sử dụng một Op-Amp LM358 đơn giản để điều chế tín hiệu âm thanh đầu vào. Nói về tín hiệu âm thanh đến, chúng tôi đã sử dụng hai điện trở đầu vào 10K để lấy tín hiệu âm thanh và vì chúng tôi đang sử dụng một nguồn cung cấp duy nhất, chúng tôi đã gắn một chiết áp để bù lại tín hiệu 0 có trong âm thanh đầu vào. Đầu ra của bộ so sánh này sẽ cao khi giá trị của tín hiệu âm thanh đầu vào lớn hơn sóng tam giác đầu vào, và ở đầu ra, chúng ta sẽ nhận được sóng vuông điều chế, sau đó chúng ta cấp cho IC điều khiển cổng MOSFET.

IC điều khiển cổng IR2110 MOSFET:

Vì chúng tôi đang làm việc với một số tần số cao vừa phải, chúng tôi đã sử dụng IC điều khiển cổng MOSFET để điều khiển MOSFET đúng cách. Tất cả các mạch cần thiết được đặt theo khuyến nghị của biểu dữ liệu của IC IR2110. Để hoạt động thích hợp, vi mạch này yêu cầu tín hiệu Đảo ngược của tín hiệu đầu vào, đó là lý do tại sao chúng tôi sử dụng BF200, một bóng bán dẫn tần số cao để tạo ra sóng vuông đảo ngược của tín hiệu đầu vào.

Giai đoạn đầu ra MOSFET:

Như bạn có thể thấy từ hình ảnh trên, chúng tôi có giai đoạn đầu ra MOSFET, cũng là trình điều khiển đầu ra chính, vì chúng tôi đang xử lý tần số cao và cuộn cảm, luôn có các quá độ liên quan, đó là lý do tại sao chúng tôi đã sử dụng một số UF4007 làm flyback điốt ngăn MOSFETs bị hỏng.

Bộ lọc thông thấp LC:

Đầu ra từ giai đoạn trình điều khiển MOSFET là sóng vuông tần số cao, tín hiệu này hoàn toàn không thích hợp để điều khiển tải như loa. Để ngăn chặn nó, chúng tôi đã sử dụng một cuộn cảm 26uH với một tụ điện không phân cực 1uF để tạo ra một bộ lọc thông thấp được ký hiệu là C11. Đây là cách hoạt động của mạch đơn giản.

Kiểm tra mạch Khuếch đại Class-D

Như bạn có thể thấy từ hình trên, tôi đã sử dụng một bộ chuyển đổi nguồn 12V để cấp nguồn cho mạch. Vì tôi đang sử dụng loại của Trung Quốc giá cả phải chăng, nó cho ra nhiều hơn một chút so với 12V, chính xác là 13,5V, hoàn hảo cho bộ điều chỉnh điện áp LM7812 trên bo mạch của chúng tôi. Khi tải, tôi đang sử dụng loa 4 Ohms, 5Watt. Đối với đầu vào âm thanh, tôi đang sử dụng máy tính xách tay có giắc cắm âm thanh dài 3,5 mm.

Khi bật nguồn mạch, không có âm thanh vo ve đáng chú ý như bạn có thể nhận được từ các loại bộ khuếch đại khác, nhưng như bạn có thể thấy trên video, mạch này không hoàn hảo và nó có vấn đề cắt ở mức đầu vào cao hơn, vì vậy điều này mạch có nhiều chỗ để cải tiến. Khi tôi lái xe tải ở mức độ thấp vừa phải, MOSFET không hề bị nóng và do đó đối với các bài kiểm tra này, nó không yêu cầu bất kỳ bộ tản nhiệt nào.

Cải tiến hơn nữa

Đây Lớp D khuếch đại công suất mạch là một nguyên mẫu đơn giản và có nhiều chỗ cho cải tiến, vấn đề chính của tôi với mạch này là kỹ thuật lấy mẫu, mà cần phải được cải thiện. Để giảm sự cắt xén của bộ khuếch đại, các giá trị điện cảm và điện dung thích hợp cần phải được tính toán để có được một tầng lọc thông thấp hoàn hảo. Như mọi khi, mạch có thể được làm trên PCB để có hiệu suất tốt hơn. Một mạch bảo vệ có thể được thêm vào sẽ bảo vệ mạch khỏi tình trạng quá nhiệt hoặc ngắn mạch.

Tôi hy vọng bạn thích bài viết này và học được điều gì đó mới từ nó. Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào, bạn có thể hỏi trong phần bình luận bên dưới hoặc có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi để thảo luận chi tiết.