Comment construire une classe à haut rendement

Le contenu audio a parcouru un long chemin au cours des dernières décennies, d'un ampli à lampe classique aux lecteurs multimédias modernes, les progrès technologiques ont changé la façon dont les médias numériques sont consommés. Parmi toutes ces innovations, les lecteurs multimédias portables sont devenus l'un des premiers choix des consommateurs, en raison de leur qualité sonore vibrante et de leur longue durée de vie de la batterie. Alors comment ça marche et comment ça sonne si bien. En tant que passionné d'électronique, cette question me vient toujours à l'esprit. Malgré les progrès de la technologie des haut-parleurs, les améliorations de la méthodologie des amplificateurs ont joué un grand rôle et la réponse évidente à cette question est un amplificateur de classe D.Dans ce projet, nous en profiterons donc pour discuter d'un amplificateur de classe D et en connaître les avantages et les inconvénients. Enfin, nous allons construire un prototype matériel de l'amplificateur et tester ses performances. Cela semble intéressant, non! Alors allons-y droit.

Si vous êtes intéressé par les circuits d'amplification audio, vous pouvez consulter nos articles sur le sujet où nous avons construit des circuits utilisant des amplificateurs opérationnels, des MOSFET et des circuits intégrés tels que TDA2030, TDA2040 et TDA2050.

Les bases de l'amplificateur de classe D

Qu'est-ce qu'un amplificateur audio de classe D? La réponse la plus simple sera, c'est un amplificateur à découpage. Mais pour comprendre son fonctionnement, nous devons apprendre comment il fonctionne et comment le signal de commutation est produit, pour cela, vous pouvez suivre le schéma de principe ci-dessous.

Alors pourquoi un amplificateur à découpage? La réponse évidente à cette question est l'efficacité. Comparé aux amplificateurs de classe A, classe B et classe AB, l'amplificateur audio de classe D peut atteindre une efficacité allant jusqu'à 90-95%. Lorsque l'efficacité maximale d'un amplificateur de classe AB est de 60 à 65%, car ils fonctionnent sur la région active et présentent une faible perte de puissance, si vous multipliez la tension collecteur-émetteur avec le courant, vous pouvez le découvrir. Pour en savoir plus sur le sujet, consultez notre article sur les classes d'amplificateurs de puissance où nous avons discuté de tous les facteurs de perte associés.

Maintenant, revenons à notre schéma synoptique simplifié de l' ampli audio de classe D, comme vous pouvez le voir sur le terminal non inverseur, nous avons notre entrée audio, et sur le terminal inverseur, nous avons notre signal triangulaire haute fréquence. À ce stade, lorsque la tension du signal audio d'entrée est supérieure à la tension de l'onde triangulaire, la sortie du comparateur devient élevée et lorsque le signal est faible, la sortie est faible. Avec cette configuration, nous avons juste modulé le signal audio d'entrée avec un signal de porteuse haute fréquence, qui se connecte ensuite à un circuit intégré de commande de porte MOSFET, et comme son nom l'indique, le pilote est utilisé pour piloter la porte de deux MOSFET pour les deux côté et côté bas une fois. En sortie, nous obtenons une puissante onde carrée haute fréquence en sortie, que nous passons à travers un étage de filtre passe-bas pour obtenir notre signal audio final.

Composants requis pour construire un circuit d'amplificateur audio de classe D

Maintenant, nous avons compris les bases d'un amplificateur audio de classe D et nous pouvons passer à trouver les composants pour construire une classe de bricolage D Amplifié r. Comme il s'agit d'un projet de test simple, l'exigence des composants est très générique et vous pouvez trouver la plupart d'entre eux dans un magasin de loisirs local. Une liste des composants avec une image est donnée ci-dessous.

Liste des pièces pour construire un amplificateur de puissance de classe D:

IR2110 IC - 1
Amplificateur OP Lm358 - 1
CI de minuterie NE555 - 1
LM7812 IC - 1
LM7805 IC - 1
Condensateur 102 pF - 1
Condensateur 103 pF - 1
Condensateur 104 pF - 2
Condensateur 105 pF - 1
Condensateur 224 pF - 1
Condensateur 22uF - 1
Condensateur 470uF - 1
Condensateur 220uF - 1
Condensateur 100uF - 2
Résistance 2,2K - 1
Résistance 10 K - 2
Résistance 10R - 2
Prise audio 3,5 mm - 1
Borne à vis de 5,08 mm - 2
Diode UF4007 - 3
MOSFET IRF640 - 2
POT de finition 10K - 1
Inducteur 26uH - 1
Prise casque 3,5 mm - 1

Amplificateur audio de classe D - Schéma de principe

Le schéma de principe de notre circuit amplificateur de classe D est illustré ci-dessous:

Construire le circuit sur PerfBoard

Comme vous pouvez le voir sur l'image principale, nous avons fait le circuit sur un morceau de perfboard. Parce que, premièrement, le circuit est très simple, et deuxièmement, si quelque chose ne va pas, nous pouvons le modifier rapidement et facilement. Nous avons effectué la plupart des connexions à l'aide de fil de cuivre, mais dans certaines étapes finales, nous avons dû utiliser des fils de raccordement pour terminer la construction. Le circuit de perfboard terminé est illustré ci-dessous.

Fonctionnement de l'amplificateur audio de classe D

Dans cette section, nous passerons en revue chaque bloc majeur du circuit et expliquerons chaque bloc. Cet amplificateur audio de classe D basé sur un amplificateur opérationnel est composé de composants très génériques que vous pouvez les trouver dans votre magasin de bricolage local.

Les régulateurs de tension d'entrée:

Nous commençons par réguler la tension d'entrée avec un LM7805, régulateur de tension 5V, et un LM7812, un régulateur de tension 12 volts. Ceci est important car nous allons alimenter le circuit avec un adaptateur CC 13,5 V, et pour alimenter les IC NE555 et IR2110, une alimentation 5 V et 12 V est nécessaire.

Générateur d'ondes triangulaires avec multivibrateur 555 Astable:

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, nous avons utilisé une minuterie de 555 avec une résistance de 2,2 K pour générer un signal triangulaire de 260 KHz, si vous voulez en savoir plus sur Astable Multivibrator, vous pouvez consulter notre article précédent sur 555 Timer Based Astable Multivibrator Circuit, où nous avons décrit tous les calculs nécessaires.

Le circuit de modulation:

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, nous avons utilisé un simple amplificateur opérationnel LM358 pour moduler le signal audio d'entrée. En parlant de signaux audio entrants, nous avons utilisé deux résistances d'entrée 10K pour obtenir le signal audio et comme nous utilisons une seule alimentation, nous avons attaché un potentiomètre pour compenser le signal nul présent dans l'audio d'entrée. La sortie de ce comparateur sera élevée lorsque la valeur du signal audio d'entrée est supérieure à l'onde triangulaire d'entrée, et en sortie, nous obtiendrons une onde carrée modulée, que nous transmettons ensuite à un circuit intégré de pilote de porte MOSFET.

Le CI de pilote de porte MOSFET IR2110:

Comme nous travaillons avec des fréquences modérément élevées, nous avons utilisé un circuit intégré de pilote de porte MOSFET pour piloter correctement le MOSFET. Tous les circuits nécessaires sont placés comme recommandé par la fiche technique de l'IR2110 IC. Pour un bon fonctionnement, ce circuit intégré nécessite un signal inversé du signal d'entrée, c'est pourquoi nous avons utilisé un BF200, un transistor haute fréquence pour générer l'onde carrée inversée du signal d'entrée.

L'étage de sortie MOSFET:

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, nous avons l'étage de sortie MOSFET, qui est également le pilote de sortie principal, car nous traitons de haute fréquence et d'inductances, il y a toujours des transitoires impliqués, c'est pourquoi nous avons utilisé du UF4007 comme flyback des diodes qui empêchent les MOSFET d'être endommagés.

Le filtre passe-bas LC:

La sortie de l'étage de commande MOSFET est une onde carrée haute fréquence, ce signal est absolument inapproprié pour piloter des charges comme un haut-parleur. Afin de l'éviter, nous avons utilisé une inductance 26uH avec un condensateur non polarisé 1uF pour réaliser un filtre passe-bas qui est noté C11. C'est ainsi que fonctionne le circuit simple.

Test du circuit d'amplificateur de classe D

Comme vous pouvez le voir sur l'image ci-dessus, j'ai utilisé un adaptateur secteur 12V pour alimenter le circuit. Comme j'utilise un chinois abordable, il dégage un peu plus que le 12V, c'est 13,5V pour être exact, ce qui est parfait pour notre régulateur de tension LM7812 embarqué. En tant que charge, j'utilise un haut-parleur de 4 Ohms, 5 watts. Pour l'entrée audio, j'utilise mon ordinateur portable avec une longue prise audio 3,5 mm.

Lorsque le circuit est sous tension, il n'y a pas de bourdonnement perceptible comme vous pouvez obtenir d'autres types d'amplificateurs, mais comme vous pouvez le voir sur la vidéo, ce circuit n'est pas parfait et il a un problème d'écrêtage à des niveaux d'entrée plus élevés, donc cela circuit a beaucoup de place pour des améliorations. Comme je conduisais des charges modérément faibles, les MOSFET ne chauffaient pas du tout, et donc pour ces tests, il ne nécessite aucun dissipateur de chaleur.

Autres améliorations

Ce circuit d'amplificateur de puissance de classe D est un prototype simple et a beaucoup de place pour des améliorations. Mon principal problème avec ce circuit était la technique d'échantillonnage, qui doit être améliorée. Afin de réduire l'écrêtage de l'amplificateur, des valeurs d'inductance et de capacité appropriées doivent être calculées pour obtenir un étage de filtre passe-bas parfait. Comme toujours, le circuit peut être réalisé sur un PCB pour de meilleures performances. Un circuit de protection peut être ajouté pour protéger le circuit des conditions de surchauffe ou de court-circuit.

J'espère que vous avez aimé cet article et en avez appris quelque chose de nouveau. Si vous avez le moindre doute, vous pouvez demander dans les commentaires ci-dessous ou utiliser nos forums pour une discussion détaillée.