高効率クラスを構築する方法

オーディオコンテンツは、古典的な真空管アンプから現代のメディアプレーヤーまで、過去数十年にわたって長い道のりを歩んできました。技術の進歩により、デジタルメディアの消費方法が変化しました。これらすべての革新の中で、ポータブルメディアプレーヤーは、その鮮やかな音質と長いバッテリー寿命のために、消費者の間で最初の選択肢の1つになっています。それで、それはどのように機能し、どのようにそれが良いように聞こえるか。電子愛好家として、この質問はいつも私の頭に浮かびます。スピーカー技術の進歩にもかかわらず、アンプの方法論の改善が大きな役割を果たし、この質問に対する明白な答えはクラスDアンプです。そのため、このプロジェクトでは、クラスDアンプについて話し合い、その長所と短所を知る機会を利用します。最後に、アンプのハードウェアプロトタイプを作成し、そのパフォーマンスをテストします。面白そうですね！それでは、すぐに始めましょう。

オーディオアンプ回路に興味がある場合は、オペアンプ、MOSFET、およびTDA2030、TDA2040、TDA2050などのICを使用して回路を構築したトピックに関する記事を確認してください。

クラスDアンプの基本

クラスDオーディオアンプとは何ですか？最も簡単な答えは、スイッチングアンプです。しかし、その動作を理解するには、それがどのように機能し、スイッチング信号がどのように生成されるかを学ぶ必要があります。そのためには、以下のブロック図に従うことができます。

では、なぜスイッチングアンプなのか？この質問に対する明白な答えは効率です。クラスA、クラスB、およびクラスABアンプと比較して、クラスDオーディオアンプは最大90〜95％の効率に達することができます。クラスABアンプの最大効率が60〜65％の場合、アクティブ領域で動作し、電力損失が少ないため、コレクタ-エミッタ間電圧に電流を掛けると、それを見つけることができます。このトピックの詳細については、関連するすべての損失要因について説明したパワーアンプのクラスに関する記事をご覧ください。

ここで、クラスDオーディオアンプの簡略化されたブロック図に戻ります。、非反転端子でわかるように、オーディオ入力があり、反転端子には高周波三角波信号があります。この時点で、入力オーディオ信号の電圧が三角波の電圧よりも大きい場合、コンパレータの出力はハイになり、信号がローの場合、出力はローになります。このセットアップでは、入力オーディオ信号を高周波キャリア信号で変調し、それをMOSFETゲートドライブICに接続します。名前が示すように、ドライバーは2つのMOSFETのゲートを駆動するために使用されます。サイドとローサイドを一度。出力では、出力で強力な高周波方形波を取得し、ローパスフィルターステージを通過して最終的なオーディオ信号を取得します。

クラスDオーディオアンプ回路の構築に必要なコンポーネント

これで、クラスDオーディオアンプの基本を理解し、DIYクラスDアンプを構築するためのコンポーネントを見つけるために移動できます。これは単純なテストプロジェクトであるため、コンポーネントの要件は非常に一般的であり、それらのほとんどは地元のホビーショップで見つけることができます。写真付きのコンポーネントのリストを以下に示します。

クラスDパワーアンプを構築するためのパーツリスト：

1. IR2110 IC-1
2. Lm358オペアンプ-1
3. NE555タイマーIC-1
4. LM7812 IC-1
5. LM7805IC-1
6. 102pFコンデンサ-1
7. 103pFコンデンサ-1
8. 104pFコンデンサ-2
9. 105pFコンデンサ-1
10. 224pFコンデンサ-1
11. 22uFコンデンサ-1
12. 470uFコンデンサ-1
13. 220uFコンデンサ-1
14. 100uFコンデンサ-2
15. 2.2K抵抗-1
16. 10K抵抗-2
17. 10R抵抗-2
18. 3.5mmオーディオジャック-1
19. 5.08mmネジ留め式端子-2
20. UF4007ダイオード-3
21. IRF640MOSFET-2
22. 10KトリムPOT-1
23. 26uHインダクタ-1
24. 3.5mmヘッドフォンジャック-1

クラスDオーディオアンプ-回路図

私達のための模式図D級増幅回路は、 以下に示します。

PerfBoardで回路を構築する

メイン画像からわかるように、私たちは一枚のパフォーマンスボード上に回路を作りました。なぜなら、最初は回路が非常に単純であり、次に何か問題が発生した場合に、すばやく簡単に変更できるからです。ほとんどの接続は銅線を使用して行いましたが、最終段階では、いくつかのフックアップ線を使用してビルドを完了する必要がありました。完成したperfboard回路を以下に示します。

クラスDオーディオアンプの動作

このセクションでは、回路のすべての主要なブロックを調べ、すべてのブロックについて説明します。このオペアンプベースのClass-Dオーディオアンプは、地元のホビーショップで見つけることができる非常に一般的なコンポーネントで構成されています。

入力電圧レギュレータ：

まず、LM7805、5V電圧レギュレーター、およびLM7812、12ボルト電圧レギュレーターを使用して入力電圧を調整します。13.5V DCアダプターで回路に電力を供給し、NE555およびIR2110 ICに電力を供給するため、5Vおよび12V電源が必要になるため、これは重要です。

555非安定マルチバイブレータを備えた三角波発生器：

上の画像からわかるように、2.2K抵抗を備えた555タイマーを使用して260KHzの三角信号を生成しました。AstableMultivibratorについて詳しく知りたい場合は、555 Timer Based AstableMultivibratorに関する以前の投稿を確認してください。必要なすべての計算について説明した回路。

変調回路：

上の画像からわかるように、入力オーディオ信号を変調するために単純なLM358オペアンプを使用しました。入力オーディオ信号について言えば、オーディオ信号を取得するために2つの10K入力抵抗を使用し、単一電源を使用しているため、入力オーディオに存在するゼロ信号をオフセットするためにポテンショメータを取り付けました。このコンパレータの出力は、入力オーディオ信号の値が入力三角波よりも大きい場合にハイになり、出力で変調された方形波を取得し、それをMOSFETゲートドライバICに供給します。

IR2110 MOSFETゲートドライバIC：

適度に高い周波数で作業しているため、MOSFETを適切に駆動するためにMOSFETゲートドライバICを使用しました。必要な回路はすべて、IR2110ICのデータシートで推奨されているように配置されています。このICを正しく動作させるには、入力信号の反転信号が必要です。そのため、高周波トランジスタであるBF200を使用して、入力信号の反転方形波を生成しました。

MOSFET出力段：

上の画像からわかるように、MOSFET出力段があります。これはメイン出力ドライバーでもあります。高周波とインダクターを扱っているため、常にトランジェントが関係しているため、フライバックとしてUF4007を使用しました。 MOSFETの損傷を防ぐダイオード。

LCローパスフィルター：

MOSFETドライバ段からの出力は高周波方形波であり、この信号はスピーカーのような負荷を駆動するには絶対に不適切です。これを防ぐために、1uFの無極性コンデンサを備えた26uHインダクタを使用して、C11で示されるローパスフィルタを作成しました。これが単純な回路の機能です。

クラスDアンプ回路のテスト

上の画像からわかるように、私は回路に電力を供給するために12V電源アダプターを使用しました。私は手頃な価格の中国製のものを使用しているので、12Vより少し多く放出します。正確には13.5Vであり、オンボードのLM7812電圧レギュレーターに最適です。負荷として、私は4オーム、5ワットのスピーカーを使用しています。オーディオ入力には、3.5mmの長いオーディオジャックを備えたラップトップを使用しています。

回路の電源を入れると、他のタイプのアンプから聞こえるような目立ったハミング音はありませんが、ビデオで見ることができるように、この回路は完全ではなく、より高い入力レベルでクリッピングの問題があります。回路には改善の余地がたくさんあります。適度に低い負荷を駆動していたので、MOSFETはまったく熱くならず、したがってこれらのテストでは、ヒートシンクは必要ありません。

さらなる機能強化

このクラスDパワーアンプ回路は単純なプロトタイプであり、改善の余地がたくさんあります。この回路の私の主な問題は、改善が必要なサンプリング手法でした。アンプのクリッピングを低減するには、適切なインダクタンスと静電容量の値を計算して、完全なローパスフィルタステージを取得する必要があります。いつものように、回路はより良いパフォーマンスのためにPCB上に作ることができます。過熱または短絡状態から回路を保護する保護回路を追加できます。

この記事が気に入って、そこから何か新しいことを学んだことを願っています。疑問がある場合は、以下のコメントで質問するか、フォーラムを使用して詳細なディスカッションを行うことができます。