Bagaimana membangun kelas efisiensi tinggi

Konten audio telah berkembang pesat selama beberapa dekade terakhir, dari tube amp klasik hingga pemutar media modern, kemajuan teknologi telah mengubah cara penggunaan media digital. Di antara semua inovasi ini, pemutar media portabel telah menjadi salah satu pilihan pertama di antara konsumen, karena kualitas suaranya yang cemerlang dan masa pakai baterai yang lama. Jadi bagaimana cara kerjanya, dan bagaimana kedengarannya bagus. Sebagai penggemar elektronik, pertanyaan ini selalu muncul di benak saya. Meskipun ada kemajuan dalam teknologi speaker, perbaikan dalam metodologi penguat memainkan peran besar dan jawaban yang jelas untuk pertanyaan ini adalah penguat Kelas D.Jadi dalam proyek ini, kami akan mengambil kesempatan untuk membahas penguat Kelas D dan mengetahui pro dan kontra darinya. Terakhir, kami akan membangun prototipe perangkat keras penguat dan menguji kinerjanya. Kedengarannya menarik bukan! Jadi mari kita langsung ke dalamnya.

Jika Anda tertarik dengan rangkaian penguat audio, Anda dapat melihat artikel kami tentang topik di mana kami telah membangun rangkaian menggunakan Op-amp, MOSFET, dan IC seperti TDA2030, TDA2040, dan TDA2050.

Dasar-dasar Amplifier Kelas D.

Apa itu penguat audio Kelas-D? Jawaban paling sederhana adalah, ini penguat switching. Namun untuk memahami cara kerjanya, kita perlu mempelajari bagaimana fungsinya dan bagaimana sinyal switching dihasilkan, untuk itu, Anda dapat mengikuti diagram blok yang diberikan di bawah ini.

Jadi mengapa penguat switching? Jawaban yang jelas untuk pertanyaan ini adalah Efisiensi. Dibandingkan dengan amplifier Kelas A, Kelas B, dan Kelas AB, amplifier audio Kelas D dapat mencapai efisiensi hingga 90-95%. Di mana efisiensi maksimum penguat Kelas AB adalah 60-65%, karena mereka bekerja pada daerah aktif dan menunjukkan kehilangan daya yang rendah, jika Anda mengalikan tegangan kolektor-emitor dengan arus, Anda dapat mengetahuinya. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang topik ini, lihat artikel kami di kelas penguat daya di mana kami membahas semua faktor kerugian terkait.

Sekarang, kembali ke diagram blok yang disederhanakan dari audio amp Kelas D., seperti yang Anda lihat di terminal non-pembalik, kami memiliki masukan audio, dan di terminal pembalik, kami memiliki sinyal segitiga frekuensi tinggi. Pada titik ini, ketika tegangan sinyal audio input lebih besar dari tegangan gelombang segitiga, output komparator menjadi tinggi, dan ketika sinyal rendah, outputnya rendah. Dengan pengaturan ini, kami hanya memodulasi sinyal audio input dengan sinyal pembawa frekuensi tinggi, yang kemudian terhubung ke IC drive gerbang MOSFET, dan seperti namanya, driver digunakan untuk menggerakkan gerbang dua MOSFET untuk keduanya yang tinggi sisi dan sisi bawah sekali. Pada output, kami mendapatkan gelombang persegi frekuensi tinggi yang kuat pada output, yang kami lewati melalui tahap filter lolos rendah untuk mendapatkan sinyal audio akhir kami.

Komponen yang Diperlukan untuk membangun Sirkuit Amplifier Audio Kelas-D

Sekarang, kita telah memahami dasar-dasar penguat audio Kelas-D dan kita dapat pindah untuk menemukan komponen untuk membangun amplif Kelas D DIY. Karena ini adalah proyek pengujian sederhana, persyaratan komponennya sangat umum dan Anda dapat menemukannya sebagian besar dari toko hobi setempat. Daftar komponen dengan gambar diberikan di bawah ini.

Daftar Bagian untuk membangun Penguat Daya Kelas D:

IC IR2110 - 1
Lm358 OP-Amp - 1
IC Timer NE555 - 1
IC LM7812 - 1
IC LM7805 - 1
102 pF Kapasitor - 1
103 pF Kapasitor - 1
104 pF Kapasitor - 2
105 pF Kapasitor - 1
Kapasitor 224 pF - 1
Kapasitor 22uF - 1
470uF Kapasitor - 1
Kapasitor 220uF - 1
Kapasitor 100uF - 2
2.2K Resistor - 1
Resistor 10 K - 2
Resistor 10R - 2
Jack Audio 3,5 mm - 1
Terminal Sekrup 5,08 mm - 2
UF4007 Diode - 3
IRF640 MOSFET - 2
POT Pangkas 10K - 1
26uH Induktor - 1
Colokan Headphone 3,5 mm - 1

Penguat Audio Kelas D- Diagram Skema

Diagram skema untuk rangkaian penguat Kelas-D kami ditunjukkan di bawah ini:

Membangun Sirkuit di PerfBoard

Seperti yang Anda lihat dari gambar utama, kami telah membuat sirkuit di atas sebuah perfboard. Karena, pertama rangkaiannya sangat sederhana, dan kedua jika terjadi kesalahan, kita dapat memodifikasinya dengan cepat dan mudah. Kami membuat sebagian besar sambungan dengan bantuan kawat tembaga, tetapi dalam beberapa tahap akhir, kami harus menggunakan beberapa kabel pengait untuk menyelesaikan pembuatannya. Sirkuit perfboard lengkap ditunjukkan di bawah ini.

Cara Kerja Penguat Audio Kelas-D

Di bagian ini, kita akan membahas setiap blok utama sirkuit dan menjelaskan setiap blok. Penguat audio Kelas-D berbasis Op-amp ini terdiri dari komponen yang sangat umum yang dapat Anda temukan di toko hobi setempat.

Regulator Tegangan Input:

Kita mulai dengan mengatur tegangan input dengan LM7805, regulator tegangan 5V, dan LM7812, regulator tegangan 12 Volt. Ini penting karena kita akan menyalakan sirkuit dengan adaptor DC 13,5V, dan untuk menyalakan IC NE555 dan IR2110, diperlukan catu daya 5V dan 12V.

Generator Gelombang Segitiga dengan 555 Multivibrator Astabil:

Seperti yang Anda lihat dari gambar di atas, kami telah menggunakan timer 555 dengan resistor 2.2K untuk menghasilkan sinyal segitiga 260KHz, jika Anda ingin tahu lebih banyak tentang Multivibrator Astabil, Anda dapat melihat posting kami sebelumnya tentang Multivibrator Astabil Berbasis Timer 555 Sirkuit, di mana kami telah menjelaskan semua perhitungan yang diperlukan.

Sirkuit Modulasi:

Seperti yang Anda lihat dari gambar di atas, kami telah menggunakan Op-Amp LM358 sederhana untuk memodulasi sinyal audio input. Berbicara tentang sinyal audio yang masuk, kami telah menggunakan dua resistor input 10K untuk mendapatkan sinyal audio dan karena kami menggunakan suplai tunggal, kami telah memasang potensiometer untuk mengimbangi sinyal nol yang ada dalam audio input. Output dari komparator ini akan menjadi tinggi ketika nilai sinyal audio input lebih besar dari gelombang segitiga input, dan pada output, kita akan mendapatkan gelombang persegi termodulasi, yang kemudian kita masukkan ke IC driver gerbang MOSFET.

IC Driver Gerbang MOSFET IR2110:

Karena kami bekerja dengan beberapa frekuensi yang cukup tinggi, kami telah menggunakan IC driver gerbang MOSFET untuk menggerakkan MOSFET dengan benar. Semua sirkuit yang diperlukan ditempatkan seperti yang direkomendasikan oleh lembar data IC IR2110. Untuk pengoperasian yang benar, IC ini membutuhkan sinyal Inverted dari sinyal input, itulah sebabnya kami menggunakan BF200, transistor frekuensi tinggi untuk menghasilkan gelombang persegi terbalik dari sinyal input.

Tahap Keluaran MOSFET:

Seperti yang Anda lihat dari gambar di atas, kami memiliki tahap keluaran MOSFET, yang juga merupakan driver keluaran utama, karena kita berurusan dengan frekuensi tinggi dan induktor, selalu ada transien yang terlibat, itulah sebabnya kami menggunakan beberapa UF4007 sebagai flyback dioda yang mencegah MOSFET rusak.

Filter Low-Pass LC:

Output dari tahap driver MOSFET adalah gelombang persegi frekuensi tinggi, sinyal ini sama sekali tidak sesuai untuk menggerakkan beban seperti loudspeaker. Untuk mencegahnya, kami telah menggunakan induktor 26uH dengan kapasitor non-terpolarisasi 1uF untuk membuat filter lolos rendah yang dilambangkan sebagai C11. Beginilah fungsi rangkaian sederhana.

Menguji Sirkuit Amplifier Kelas-D

Seperti yang Anda lihat dari gambar di atas, saya telah menggunakan adaptor daya 12V untuk menyalakan sirkuit. Karena saya menggunakan yang Cina yang terjangkau, itu mengeluarkan sedikit lebih dari 12V, tepatnya 13,5V, yang sempurna untuk pengatur tegangan LM7812 onboard kami. Sebagai beban, saya menggunakan speaker 4 Ohm, 5Watt. Untuk input audio, saya menggunakan laptop saya dengan jack audio 3.5mm panjang.

Saat sirkuit dihidupkan, tidak ada suara senandung yang terlihat seperti yang Anda dapatkan dari jenis amplifier lain, tetapi seperti yang Anda lihat di video, sirkuit ini tidak sempurna dan memiliki masalah kliping pada level input yang lebih tinggi, jadi ini sirkuit memiliki banyak ruang untuk perbaikan. Karena saya sedang mengemudi dengan beban yang cukup rendah, MOSFET tidak menjadi panas sama sekali, dan karenanya untuk pengujian ini, tidak memerlukan heat sink.

Peningkatan Lebih Lanjut

Ini Kelas D power amplifier circuit adalah prototipe sederhana dan memiliki banyak ruang untuk perbaikan, masalah utama dengan sirkuit ini adalah teknik sampling, yang perlu ditingkatkan. Untuk mengurangi kliping penguat, nilai induktansi dan kapasitansi yang tepat perlu dihitung untuk mendapatkan tahap filter lolos rendah yang sempurna. Seperti biasa, rangkaian dapat dibuat pada PCB untuk performa yang lebih baik. Sirkuit perlindungan dapat ditambahkan yang akan melindungi sirkuit dari kondisi panas berlebih atau korsleting.

Saya harap Anda menyukai artikel ini dan mempelajari sesuatu yang baru darinya. Jika Anda ragu, Anda dapat bertanya di komentar di bawah atau dapat menggunakan forum kami untuk diskusi terperinci.