Como construir uma classe de alta eficiência

O conteúdo de áudio já percorreu um longo caminho nas últimas décadas, de um amplificador valvulado clássico aos players de mídia modernos. Os avanços tecnológicos mudaram a forma como a mídia digital é consumida. Entre todas essas inovações, os reprodutores de mídia portáteis se tornaram uma das primeiras escolhas entre os consumidores, devido à qualidade de som vibrante e longa duração da bateria. Então, como funciona e como soa tão bem. Como um entusiasta da eletrônica, essa pergunta sempre vem à minha mente. Apesar dos avanços na tecnologia de alto-falantes, as melhorias na metodologia do amplificador desempenharam um grande papel e a resposta óbvia para essa pergunta é um amplificador Classe D.Portanto, neste projeto, aproveitaremos a oportunidade para discutir um amplificador Classe D e saber seus prós e contras. Finalmente, estaremos construindo um protótipo de hardware do amplificador e testando seu desempenho. Parece interessante, certo! Então, vamos direto ao assunto.

Se você estiver interessado em circuitos de amplificador de áudio, pode verificar nossos artigos sobre o tópico em que construímos circuitos usando amplificadores operacionais, MOSFETs e IC como TDA2030, TDA2040 e TDA2050.

O básico do amplificador de classe D

O que é um amplificador de áudio Classe D? A resposta mais simples será: é um amplificador de comutação. Mas, para entender seu funcionamento, precisamos aprender como funciona e como o sinal de comutação é produzido, para isso, você pode seguir o diagrama de blocos abaixo.

Então, por que um amplificador de comutação? A resposta óbvia para essa pergunta é eficiência. Comparado aos amplificadores Classe A, Classe B e Classe AB, o amplificador de áudio Classe D pode atingir uma eficiência de até 90-95%. Onde a eficiência máxima de um amplificador Classe AB é de 60-65%, porque eles trabalham na região ativa e apresentam baixa perda de potência, se você multiplicar a tensão coletor-emissor pela corrente, você pode descobrir isso. Para saber mais sobre o tópico, verifique nosso artigo sobre classes de amplificadores de potência, onde discutimos todos os fatores de perda relacionados.

Agora, de volta ao nosso diagrama de blocos simplificado do amplificador de áudio Classe D, como você pode ver no terminal não inversor, temos nossa entrada de áudio, e no terminal inversor, temos nosso sinal triangular de alta frequência. Neste ponto, quando a tensão do sinal de áudio de entrada é maior do que a tensão da onda triangular, a saída do comparador fica alta e, quando o sinal é baixo, a saída é baixa. Com esta configuração, apenas modulamos o sinal de áudio de entrada com um sinal de portadora de alta frequência, que então se conecta a um IC de unidade de porta MOSFET e, como o nome indica, o driver é usado para conduzir a porta de dois MOSFETs para ambos os lado e lado baixo uma vez. Na saída, obtemos uma poderosa onda quadrada de alta frequência na saída, que passamos por um estágio de filtro passa-baixa para obter nosso sinal de áudio final.

Componentes necessários para construir um circuito amplificador de áudio Classe-D

Agora, nós entendemos o básico de um amplificador de áudio Classe-D e podemos mover para encontrar os componentes para construir um Amplifie DIY Classe D r. Como este é um projeto de teste simples, o requisito do componente é muito genérico e você pode encontrar a maioria deles em uma loja local de hobbies. Uma lista de componentes com uma imagem é fornecida abaixo.

Lista de peças para construir um amplificador de potência Classe 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 Capacitor - 1
7. 103 pF Capacitor - 1
8. Capacitor 104 pF - 2
9. Capacitor 105 pF - 1
10. Capacitor 224 pF - 1
11. Capacitor 22uF - 1
12. Capacitor 470uF - 1
13. Capacitor 220uF - 1
14. Capacitor 100uF - 2
15. Resistor 2.2K - 1
16. Resistor de 10 K - 2
17. Resistor 10R - 2
18. Conector de áudio de 3,5 mm - 1
19. Terminal de parafuso 5,08 mm - 2
20. Diodo UF4007 - 3
21. MOSFETs IRF640 - 2
22. POT 10K Trim - 1
23. Indutor 26uH ​​- 1
24. Entrada para fone de ouvido de 3,5 mm - 1

Amplificador de áudio de classe D - diagrama esquemático

O diagrama esquemático para o nosso circuito amplificador Classe-D é mostrado abaixo:

Construindo o Circuito no PerfBoard

Como você pode ver na imagem principal, fizemos o circuito em um pedaço de perfboard. Porque, primeiro o circuito é muito simples e, segundo, se algo der errado, podemos modificá-lo de forma rápida e fácil. Fizemos a maioria das conexões com a ajuda de fio de cobre, mas em alguns estágios finais, tivemos que usar alguns fios de conexão para completar a construção. O circuito de perfboard concluído é mostrado abaixo.

Funcionamento do amplificador de áudio Classe-D

Nesta seção, examinaremos cada bloco principal do circuito e explicaremos cada bloco. Este amplificador de áudio Classe D baseado em Op-amp é feito de componentes muito genéricos que você pode encontrar em sua loja local.

Os reguladores de tensão de entrada:

Começamos regulando a tensão de entrada com um LM7805, regulador de tensão de 5 V e um LM7812, um regulador de tensão de 12 volts. Isso é importante porque vamos alimentar o circuito com um adaptador de 13,5 V DC, e para alimentar o NE555 e IR2110 IC, é necessária uma fonte de alimentação de 5 V e 12 V.

Gerador de ondas triangulares com multivibrador astável 555:

Como você pode ver na imagem acima, usamos um temporizador de 555 com um resistor de 2.2K para gerar um sinal triangular de 260KHz, se você quiser saber mais sobre o Multivibrador Astable, pode conferir nosso post anterior sobre Multivibrador Astable baseado em temporizador 555 Circuito, onde descrevemos todos os cálculos necessários.

O Circuito de Modulação:

Como você pode ver na imagem acima, usamos um LM358 Op-Amp simples para modular o sinal de áudio de entrada. Por falar em sinais de áudio de entrada, usamos dois resistores de entrada de 10K para obter o sinal de áudio e, como estamos usando uma única fonte, conectamos um potenciômetro para compensar o sinal zero presente no áudio de entrada. A saída deste comparador será alta quando o valor do sinal de áudio de entrada for maior do que a onda triangular de entrada e, na saída, obteremos uma onda quadrada modulada, que então alimentamos a um IC controlador de porta MOSFET.

O IR2110 MOSFET Gate Driver IC:

Como estamos trabalhando com algumas frequências moderadamente altas, usamos um controlador de porta MOSFET IC para conduzir o MOSFET corretamente. Todos os circuitos necessários são colocados conforme recomendado pela folha de dados do IC IR2110. Para uma operação adequada, este IC requer um sinal invertido do sinal de entrada, e é por isso que usamos um BF200, um transistor de alta frequência para gerar a onda quadrada invertida do sinal de entrada.

O estágio de saída do MOSFET:

Como você pode ver na imagem acima, temos o estágio de saída do MOSFET, que também é o driver de saída principal, como estamos lidando com alta frequência e indutores, sempre há transientes envolvidos, por isso usamos UF4007 como flyback diodos que evitam que os MOSFETs sejam danificados.

O filtro passa-baixa LC:

A saída do estágio do driver MOSFET é uma onda quadrada de alta frequência, este sinal é absolutamente impróprio para conduzir cargas como um alto-falante. Para evitá-lo, usamos um indutor de 26uH ​​com um capacitor não polarizado de 1uF para fazer um filtro passa-baixo denominado C11. É assim que funciona o circuito simples.

Testando o Circuito Amplificador Classe-D

Como você pode ver na imagem acima, usei um adaptador de alimentação de 12V para alimentar o circuito. Como estou usando um chinês barato, ele emite um pouco mais que 12V, é 13,5V para ser exato, o que é perfeito para nosso regulador de tensão LM7812 integrado. Como carga, estou usando um alto-falante de 4 Ohms e 5 Watts. Para a entrada de áudio, estou usando meu laptop com um longo conector de áudio de 3,5 mm.

Quando o circuito está ligado, não há nenhum zumbido perceptível como você pode obter em outros tipos de amplificadores, mas como você pode ver no vídeo, este circuito não é perfeito e tem um problema de corte em níveis de entrada mais altos, então isso circuito tem muito espaço para melhorias. Como eu estava dirigindo com cargas moderadamente baixas, os MOSFETs não esquentaram nem um pouco e, portanto, para esses testes, não requer nenhum dissipador de calor.

Outras melhorias

Este circuito amplificador de potência Classe D é um protótipo simples e tem muito espaço para melhorias. Meu principal problema com este circuito era a técnica de amostragem, que precisa ser melhorada. A fim de reduzir o corte do amplificador, os valores adequados de indutância e capacitância precisam ser calculados para obter um estágio de filtro passa-baixo perfeito. Como sempre, o circuito pode ser feito em uma placa de circuito impresso para melhor desempenho. Um circuito de proteção pode ser adicionado para proteger o circuito de condições de superaquecimento ou curto-circuito.

Espero que tenha gostado deste artigo e aprendido algo novo com ele. Se você tiver alguma dúvida, pode perguntar nos comentários abaixo ou pode usar nossos fóruns para uma discussão detalhada.