- Los conceptos básicos del amplificador de clase D
- Componentes necesarios para construir un circuito amplificador de audio de clase D
- Amplificador de audio de clase D: diagrama esquemático
- Construyendo el circuito en PerfBoard
- Funcionamiento del amplificador de audio de clase D
- Prueba del circuito amplificador de clase D
- Más mejoras
El contenido de audio ha recorrido un largo camino en las últimas décadas, desde un amplificador de válvulas clásico hasta reproductores multimedia modernos, los avances tecnológicos han cambiado la forma en que se consumen los medios digitales. Entre todas estas innovaciones, los reproductores multimedia portátiles se han convertido en una de las primeras opciones entre los consumidores, debido a su vibrante calidad de sonido y su batería de larga duración. Entonces, ¿cómo funciona y cómo suena tan bien? Como entusiasta de la electrónica, esta pregunta siempre me viene a la mente. A pesar de los avances en la tecnología de los altavoces, las mejoras en la metodología de los amplificadores jugaron un papel importante y la respuesta obvia a esta pregunta es un amplificador de clase D.Entonces, en este proyecto, aprovecharemos la oportunidad para discutir un amplificador de Clase D y conocer sus pros y contras. Finalmente, construiremos un prototipo de hardware del amplificador y probaremos su rendimiento. Suena interesante, ¿verdad? Así que entremos en ello.
Si está interesado en circuitos amplificadores de audio, puede consultar nuestros artículos sobre el tema en el que hemos construido circuitos utilizando amplificadores operacionales, MOSFET e IC como TDA2030, TDA2040 y TDA2050.
Los conceptos básicos del amplificador de clase D
¿Qué es un amplificador de audio de clase D? La respuesta más simple será, es un amplificador de conmutación. Pero para comprender su funcionamiento, necesitamos aprender cómo funciona y cómo se produce la señal de conmutación, para eso, puede seguir el diagrama de bloques que se muestra a continuación.
Entonces, ¿por qué un amplificador de conmutación? La respuesta obvia a esta pregunta es la eficiencia. En comparación con los amplificadores de Clase A, Clase B y Clase AB, el amplificador de audio de Clase D puede alcanzar una eficiencia de hasta el 90-95%. Donde la eficiencia máxima de un amplificador de Clase AB es del 60-65%, debido a que funcionan en la región activa y exhiben una baja pérdida de potencia, si multiplica el voltaje colector-emisor con la corriente, puede averiguarlo. Para obtener más información sobre el tema, consulte nuestro artículo sobre clases de amplificadores de potencia en el que discutimos todos los factores de pérdida relacionados.
Ahora, volvamos a nuestro diagrama de bloques simplificado del amplificador de audio Clase D, como puede ver en el terminal no inversor, tenemos nuestra entrada de audio, y en el terminal inversor, tenemos nuestra señal triangular de alta frecuencia. En este punto, cuando el voltaje de la señal de audio de entrada es mayor que el voltaje de la onda triangular, la salida del comparador es alta, y cuando la señal es baja, la salida es baja. Con esta configuración, simplemente modulamos la señal de audio de entrada con una señal portadora de alta frecuencia, que luego se conecta a un IC de unidad de puerta MOSFET, y como su nombre lo indica, el controlador se usa para conducir la puerta de dos MOSFET tanto para el alto lado y lado bajo una vez. En la salida, obtenemos una poderosa onda cuadrada de alta frecuencia en la salida, que pasamos a través de una etapa de filtro de paso bajo para obtener nuestra señal de audio final.
Componentes necesarios para construir un circuito amplificador de audio de clase D
Ahora, hemos entendido los conceptos básicos de un amplificador de audio de clase D y podemos avanzar para encontrar los componentes para construir un amplificador de clase D de bricolaje. Como se trata de un proyecto de prueba simple, el requisito del componente es muy genérico y puede encontrar la mayoría de ellos en una tienda de pasatiempos local. A continuación se proporciona una lista de componentes con una imagen.
Lista de piezas para construir un amplificador de potencia de clase D:
- IR2110 IC - 1
- Amplificador operacional Lm358 - 1
- Temporizador NE555 IC - 1
- LM7812 IC - 1
- LM7805 IC - 1
- Condensador de 102 pF - 1
- Condensador de 103 pF - 1
- Condensador de 104 pF - 2
- Condensador de 105 pF - 1
- Condensador de 224 pF - 1
- Condensador 22uF - 1
- Condensador 470uF - 1
- Condensador 220uF - 1
- Condensador 100uF - 2
- Resistencia 2.2K - 1
- Resistencia de 10 K - 2
- Resistencia 10R - 2
- Conector de audio de 3,5 mm - 1
- Terminal de tornillo de 5,08 mm - 2
- Diodo UF4007 - 3
- MOSFET IRF640 - 2
- BOTE de ajuste 10K - 1
- Inductor 26uH - 1
- Conector para auriculares de 3,5 mm - 1
Amplificador de audio de clase D: diagrama esquemático
El diagrama esquemático de nuestro circuito amplificador de clase D se muestra a continuación:
Construyendo el circuito en PerfBoard
Como puedes ver en la imagen principal, hemos realizado el circuito sobre una pieza de perfboard. Porque, primero el circuito es muy simple, y segundo si algo sale mal podemos modificarlo de forma rápida y sencilla. Hicimos la mayoría de las conexiones con la ayuda de alambre de cobre, pero en algunas etapas finales, tuvimos que usar algunos cables de conexión para completar la construcción. El circuito de perfboard completo se muestra a continuación.
Funcionamiento del amplificador de audio de clase D
En esta sección, repasaremos cada bloque principal del circuito y explicaremos cada bloque. Este amplificador de audio de clase D basado en amplificador operacional se compone de componentes muy genéricos que puede encontrar en su tienda de pasatiempos local.
Los reguladores de voltaje de entrada:
Comenzamos regulando el voltaje de entrada con un LM7805, regulador de voltaje de 5V, y un LM7812, un regulador de voltaje de 12 Voltios. Esto es importante porque vamos a alimentar el circuito con un adaptador de CC de 13,5 V, y para alimentar el IC NE555 e IR2110, se necesita una fuente de alimentación de 5 V y 12 V.
Generador de ondas triangulares con multivibrador 555 Astable:
Como puede ver en la imagen de arriba, hemos usado un temporizador 555 con una resistencia de 2.2K para generar una señal triangular de 260KHz, si desea saber más sobre el Multivibrador Astable, puede consultar nuestra publicación anterior sobre Multivibrador Astable Basado en Temporizador 555 Circuito, donde hemos descrito todos los cálculos necesarios.
El circuito de modulación:
Como puede ver en la imagen de arriba, hemos utilizado un amplificador operacional LM358 simple para modular la señal de audio de entrada. Hablando de señales de audio entrantes, hemos usado dos resistencias de entrada de 10K para obtener la señal de audio y como estamos usando un solo suministro, hemos adjuntado un potenciómetro para compensar la señal cero presente en el audio de entrada. La salida de este comparador será alta cuando el valor de la señal de audio de entrada sea mayor que la onda triangular de entrada, y en la salida, obtendremos una onda cuadrada modulada, que luego alimentamos a un controlador de puerta MOSFET IC.
El controlador de puerta IR2110 MOSFET IC:
Como estamos trabajando con algunas frecuencias moderadamente altas, hemos utilizado un controlador de puerta MOSFET IC para manejar el MOSFET correctamente. Todos los circuitos necesarios se colocan según lo recomendado por la hoja de datos del IR2110 IC. Para su correcto funcionamiento, este IC requiere una señal invertida de la señal de entrada, razón por la cual hemos utilizado un BF200, un transistor de alta frecuencia para generar la onda cuadrada invertida de la señal de entrada.
La etapa de salida del MOSFET:
Como puede ver en la imagen de arriba, tenemos la etapa de salida MOSFET, que también es el controlador de salida principal, ya que estamos tratando con alta frecuencia e inductores, siempre hay transitorios involucrados, por lo que hemos utilizado algunos UF4007 como flyback. diodos que evitan que los MOSFET se dañen.
El filtro de paso bajo LC:
La salida de la etapa del controlador MOSFET es una onda cuadrada de alta frecuencia, esta señal es absolutamente inapropiada para impulsar cargas como un altavoz. Para evitarlo, hemos utilizado un inductor de 26uH con un condensador no polarizado de 1uF para hacer un filtro de paso bajo que se denota como C11. Así es como funciona el circuito simple.
Prueba del circuito amplificador de clase D
Como puede ver en la imagen de arriba, he usado un adaptador de corriente de 12V para alimentar el circuito. Como estoy usando uno chino asequible, emite un poco más que los 12V, es 13.5V para ser exactos, lo cual es perfecto para nuestro regulador de voltaje LM7812 integrado. Como carga, estoy usando un altavoz de 4 ohmios y 5 vatios. Para la entrada de audio, estoy usando mi computadora portátil con un conector de audio largo de 3.5 mm.
Cuando el circuito está encendido, no hay un zumbido perceptible como puede obtener de otros tipos de amplificadores, pero como puede ver en el video, este circuito no es perfecto y tiene un problema de recorte en los niveles de entrada más altos, por lo que esto El circuito tiene mucho margen de mejora. Como conducía cargas moderadamente bajas, los MOSFET no se calentaron en absoluto y, por lo tanto, para estas pruebas, no requieren ningún disipador de calor.
Más mejoras
Este circuito amplificador de potencia de clase D es un prototipo simple y tiene mucho espacio para mejoras. Mi principal problema con este circuito fue la técnica de muestreo, que debe mejorarse. Para reducir el recorte del amplificador, es necesario calcular los valores adecuados de inductancia y capacitancia para obtener una etapa de filtro de paso bajo perfecta. Como siempre, el circuito se puede hacer en una PCB para un mejor rendimiento. Se puede agregar un circuito de protección que protegerá el circuito de condiciones de sobrecalentamiento o cortocircuito.
Espero que les haya gustado este artículo y hayan aprendido algo nuevo de él. Si tiene alguna duda, puede preguntar en los comentarios a continuación o puede utilizar nuestros foros para una discusión detallada.