1. 实验内容
等离子体扬声器以气体放电作为换能器, 将电信号直接转换为声压波[1]. 与传统扬声器不同, 它没有机械振膜, 声音主要来自放电通道附近空气的快速加热与膨胀.
常见的等离子体扬声器形式包括射频电晕放电, 直流电晕放电和直流辉光放电[2].
2. 模型
等离子体扬声器中的声场可以看作中性理想气体中的普通压力波, 其驱动来自放电引入的源项. Bastien 的表述强调了两类一般性的声源结构: 热源项和力源项[3]. 对于直流辉光等离子体扬声器, 起主导作用的通常是热效应: 电流调制改变放电柱温度, 温度调制再通过理想气体状态关系转化为压强调制.
3. 电路设计
KiCAD 的 Tools > Plugin and Content Manager 可以下载到 Fabrication Toolkit. 支持导出嘉立创 BOM.
按照功能, 电路可以分成两部分, 音频放大以及 ZVS 驱动.
3.1. 音频放大
参考反相放大器电路 (Rev. B), 但根据本实验需要做了单电源化和声道合成处理.
J1 的左右声道先经电容耦合进入 TL072 的其中一路通道, 另一个通道被禁用. 两个 电阻用于声道求和和输入阻抗设定. 围绕运放的 电阻和 可调电阻用于设置 AMP_OUT 的放大幅度. 这一部分的目的是合成与放大音频.
3.2. ZVS 驱动
我参考了 How to Build a Simple But Powerful Flyback Driver 所示的 Mazzilli ZVS 思路, 由两只 IRFP4668PbF MOSFET 组成对称自激结构. 输入电感 L1 向高压包一次侧中心抽头供能, 两个功率管交替导通, 在一次侧和谐振电容 C4 之间形成高频谐振回路. C4 与 C6 取值为 , 用于维持 ZVS 所需的谐振条件.
AMP_OUT 并不直接参与高频自激, 而是作为低频调制信号去改变放电功率.
3.3. 原理图
板承载低压控制与一次侧驱动部分, 高压包通过外部连线接入.
图 1 原理图3.4. PCB
PCB 采用双层板, 在音频放大部分采用双面覆铜作为 GND. 最大线宽为 0.5 mm, 最小线宽为 0.15 mm.
图 2 PCB3.5. 物料小计
| 商品名称 | 商品编号 | 品牌 | 商品类型 | 封装格式 | 型号发货数量 | 单价 (人民币含税) | 小计金额 (人民币含税) |
|---|
| 10kΩ ±1% 125mW 厚膜电阻 编带 | C17414 | UNI-ROYAL(厚声) | 贴片电阻 | 0805 | 100 | 0.0123 | 1.23 |
| DC电源插座 内径:2.5mm 外径:6.3mm 袋装 | C111573 | SOFNG(硕方) | DC电源连接器 | 插件 | 1 | 0.98 | 0.98 |
| 22kΩ ±1% 125mW 厚膜电阻 编带 | C17560 | UNI-ROYAL(厚声) | 贴片电阻 | 0805 | 100 | 0.0113 | 1.13 |
| 470Ω ±1% 125mW 厚膜电阻 编带 | C17710 | UNI-ROYAL(厚声) | 贴片电阻 | 0805 | 100 | 0.0116 | 1.16 |
| 330nF ±10% 50V 编带 | C73142 | SAMSUNG(三星) | 贴片电容(MLCC) | 0805 | 50 | 0.0778 | 3.89 |
| 耐压:1kV 电流:1A 反向恢复时间：75ns 编带 | C412437 | MDD(辰达半导体) | 快恢复/高效率二极管 | SMA | 50 | 0.059 | 2.95 |
| 1x3P 5.08mm 直插 排数:1 每排P数:3 袋装 | C395869 | DORABO(地博电气) | 螺钉式接线端子 | 插件,P=5.08mm | 5 | 1.456 | 7.28 |
| 3.5mm耳机座 编带 | C431535 | SHOU HAN(首韩) | 音频连接器(耳机) | SMD | 10 | 0.254 | 2.54 |
| 50kΩ ±25% 编带 | C913246 | BOURNS | 可调电阻/电位器 | SMD-3P,3.8x3.6mm | 5 | 0.592 | 2.96 |
| 薄膜电阻 5kΩ ±0.1% 200mW 编带 | C2073749 | VISHAY(威世) | 贴片电阻 | 0805 | 2 | 6.795 | 13.59 |
| 1个N沟道 耐压:200V 电流:130A 管装 | C2921 | Infineon(英飞凌) | 场效应管(MOSFET) | TO-247AC | 4 | 10.23 | 40.92 |
| 100uH ±10% 2.2A 工字电感 袋装 | C5119631 | PROD(谱罗德) | 色环/插件电感 | 插件,D10xL19mm | 5 | 1.616 | 8.08 |
| 通用J-FET输入双运算放大器 编带 | C5157710 | Gcore(扬州国芯) | 运算放大器 | SOP-8 | 5 | 0.858 | 4.29 |
| 1uF ±10% 50V 编带 | C28323 | SAMSUNG(三星) | 贴片电容(MLCC) | 0805 | 20 | 0.068 | 1.36 |
| 独立式 耐压:12V 电流:5uA 编带 | C5174492 | LGE(鲁光) | 稳压二极管 | DO-41 | 10 | 0.342 | 3.42 |
表 1 元器件物料清单3.6. 下次迭代计划
- 添加开关
- 在 PCB 上安装风扇以及散热器
- 添加 LED 指示工作状态
- 进行立体声合成
4. 工期安排
| 时间 | 任务 | 完成状况 |
|---|
| D-3 | 下订单购买元件, 定制 PCB | 是 |
| D-3 | 提交初期报告 | 是 |
| D-2 | 制作电极, 缠绕高压包初级线圈 | 否 |
| D+1 | 收到 PCB | 是 |
| D+1 | 进行焊接 | 否 |
| D+4 | 进行焊接 | 是 |
| D+4 | 测试 | 是 |
| D+6 | 总结经验和改进, 绘制下一版原理图与 PCB | |
| D+7 | 迭代下一版 PCB | |
| D+14 | 撰写中期报告 | |
表 2 工期计划 (学期第六周周日 23:59 为 D0)4.1. 测试计划
- 接入 12V 供电, 利用示波器观察放大输出波形是否正确
- 接入高压包, 观察是否能产生电弧, 以及是否持续
- 移动电极距离, 再次观察
- 评价音质
在 D+4 的测试, 发现放大输出部分是正确的. 而 ZVS 不能正常工作.
5. 其他
感谢 Ayu 教学我使用 KiCAD 绘制原理图, 选择合适的封装, 以及用 KiCAD 绘制 PCB 布线, 教给我关于立创商场的若干技巧. 感谢 ldx 提醒我注意散热.