No Image

Как работает усилитель класса d

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
12 декабря 2019

В последние годы все большую и большую популярность приобретают усилители класса D или, как их еще называют, импульсные усилители. Некоторые производители дают им название «цифровые усилители», но оно несколько некорректно, поскольку никакого преобразования звука в двоичный код там нет. В усилителе класса D звуковой сигнал преобразуется в последовательность импульсов различной ширины в результате широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частота следования импульсов обычно выбирается в пределах 300-500 кГц, это оптимально для всего аудиодиапазона. Если усилитель сабвуферный и перед ним стоит задача усиливать только диапазон до 100-200 Гц, частоту переключения можно уменьшить до 50-100 кГц.

Раньше импульсные усилители были интересны только за счет своего высокого КПД (обычно более 90%) и применялись только для управления мощными электродвигателями. Этот факт был напрямую связан с отсутствием высокоскоростных мощных переключательных элементов, способных работать на высоких частотах, вследствие чего высокие нелинейные искажения были просто неизбежны. Однако сейчас многими компаниями-производителями электронных компонентов выпускаются специализированные элементы для построения усилителей класса D, способные работать на частотах вплоть до 1 МГц и выше.

Для оценки КПД усилителей различных классов рассмотрим принципы работы выходных каскадов, построенных на биполярных транзисторах.

Выходной каскад усилителя класса АВ, выполненный на биполярных транзисторах, обладает низким КПД, потому что выходные транзисторы, подобно переменным резисторам, изменяют свое активное сопротивление, тем самым управляя выходным током. В усилителе класса АВ невозможно получить размах амплитуды выходного напряжения, равный напряжению питания, поскольку даже в полностью открытом состоянии напряжение между коллектором и эмиттером Uк-э биполярного транзистора, равняется приблизительно 1-2 В.

В импульсных усилителях силовыми элементами являются мощные полевые транзисторы, у которых существует только 2 состояния — открытое и закрытое. Так как сопротивление открытого канала современных полевых транзисторов очень мало (обычно десятки мОм), следовательно, и падение напряжения на этих элементах незначительное. Меандр, проходя через выходной фильтр, преобразуется в переменный ток звуковой частоты, осциллограмма которого показана на рис. 1.

Рис. 1. Осциллограмма преобразования сигнала

Это объясняется тем, что выходной дроссель, который является неотъемлемой частью импульсного усилителя, изменяет свое реактивное сопротивление для сигнала с переменной скважностью. Вместе со скважностью, которой управляет звуковой сигнал, изменяется и ток, протекающий через нагрузку.

Значительная часть потерь происходит на фронтах в момент переключения полевых транзисторов, поэтому, снизив частоту преобразования, можно уменьшить количество фронтов за единицу времени и, как следствие, немного увеличить КПД. Именно по этой причине в сабвуферных усилителях класса D частоту переключения понижают вплоть до 50 кГц.

Как упоминалось выше, современные полевые транзисторы способны переключаться с высокой скоростью, тем самым позволяя разработчику значительно увеличить частоту преобразования и, следовательно, уменьшить габаритные размеры выходного дросселя. В результате сопротивление обмотки постоянному току (Rdc) будет тоже гораздо меньше, следовательно, немного уменьшится нагрев провода обмотки.

Усилители класса D делятся на 3 основных типа:

1) Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения (рис. 2);

2) Самоосцилирующие усилители (рис. 3);

Рис. 3. Структурная схема самоосциллирующего усилителя класса D

3) Усилители на основе микроконтроллеров со встроенным АЦП.

Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения наиболее просты в изготовлении и наладке, обладают меньшими требованиями к топологии печатной платы и компонентам по сравнению с усилителями самоосциллирующего типа. Именно эти усилители в настоящее время являются самыми распространенными среди серийных моделей как сабвуферных усилителей, входящих в состав автомобильных акустических систем, так и широкополосных профессиональных, эстрадных усилителей. Самоосциллирующие усилители работают как автогенераторы, в них колебательный процесс проходит и поддерживается за счет использования положительной обратной связи. Этот тип усилителей отличается более высокими требованиями к топологии печатной платы, но при тонком подходе к этому вопросу качество звуковоспроизведения данного типа усилителей значительно превосходит остальные.

В свою очередь, самоосциллирующие усилители делятся на 2 подкласса, в которых обратная связь организована до выходного фильтра и после него. В схемах, где обратная связь организована до выходного фильтра, она исправляет только нелинейности мощного компаратора, а выходной фильтр находится вне контроля.

Такие усилители имеют не очень ровную АЧХ, и выходной импеданс у них сильно растет вместе с частотой.

Усилители, у которых обратная связь берется только после выходного фильтра, лишены всех этих недостатков. Отрицательная обратная связь организована после фильтра и максимально возможно исправляет все нелинейности, а колебательный процесс начинается за счет того, что на определенной частоте сдвиг фазы составляет 180 градусов, то есть на этой частоте ОС становится положительной, и усилитель работает как генератор.

Фаза сдвигается благодаря задержкам сигнала, которые происходят в самом компараторе, выходном фильтре и специальной фазосдвигающей RC-цепочке.

Такой принцип работы самоосциллирующих усилителей класса D имеет название UcD, он был разработан и запатентован компанией NXP Semiconductor (ранее — Philips Semiconductor) в 2005 году. Структурная схема такого усилителя представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема усилителя класса D, работающего по принципу UcD

Он сочетает в себе гениальную простоту и высочайшее качество звука. Оригинальные модули UcD, которые производит компания Hypex (рис. 5), имеют совсем неглубокую обратную связь (около 30 дБ) по сравнению с усилителями класса АБ (у которых глубина ОС — в районе 60 дБ), и умеренно низкий уровень искажений, порядка 0,03%.

Рис. 5. Оригинальный модуль усилителя UcD компании Hypex

Отечественная промышленность также начинает разработки аудиотехники на основе усилителей класса D, и на данный момент достигнуты весьма ощутимые результаты. Одним из разработчиков усилителей мощности с использованием технологии UcD является Сергей Кузнецов.

Он любезно поделился с нами своими наработками в этой области:

«Любой разработчик аудиотехники скажет, что усилители с неглубокой обратной связью, или же вообще без ОС, звучат более реалистично и приятно, чем усилители, охваченные глубокой ОС, несмотря на лучшие значения параметров последних. Это — субъективная оценка, понятно, что качество усилителя оценивается не только цифрами, указанными в технической документации. Прежде всего, усилитель нужно слушать. Оригинальные модули UcD, которые производит Hypex, имеют совсем неглубокую обратную связь (около 30 дБ) по сравнению с усилителями класса АB (у которых глубина ОС в районе 60 дБ), и умеренно низкий уровень искажений, порядка 0,03%. Я не стал экспериментировать с номиналами ОС, потому что у меня нет оснований не доверять разработчикам Hypex. Разработанный мной усилитель с использованием технологии UcD (рис. 6) способен работать на динамическую головку сопротивлением 4 и 8 Ом, отдавая при этом в нагрузку максимальную музыкальную мощность до 400 Вт.

Рис. 6. Усилитель UcD, разработанный Сергеем Кузнецовым

На входе стоит фильтр ВЧ на уровне 20 кГц, чтобы высокочастотный шум не проникал на вход.

У усилителей класса D, даже у тех, у которых ОС организована до фильтра, очень низкий выходной импеданс, особенно в области низких частот, у UcD же он практически одинаково низкий во всей аудиополосе, кроме того, обратная связь компенсирует Rdc дросселя, то есть коэффициент демпфирования получается очень высоким. Это особенно важно при использовании усилителя с мощными сабвуферами: какой бы ни был динамик, UcD сможет отлично его контролировать, обеспечивая тем самым четкий бас без гудения. (Причиной гудения является как раз плохой коэффициент демпфирования большинства серийных сабвуферных усилителей). Правильно спроектированный UcD будет обладать качеством, соизмеримым с качеством усилителей, использующихся в студийных мониторах. Такое качество и точность передачи звукового сигнала достигается за счет применения неглубокой ОС, а для того, чтобы сохранить низкий уровень искажений, нет необходимости подбирать все транзисторы в пары по параметрам, так как все они работают в ключевом режиме.

Читайте также:  Как называется металлическая сетка

Как известно, на качество звука влияет количество активных компонентов, которые стоят на пути прохождения сигнала. В усилителях АВ приходится применять разнообразные цепи коррекции с малошумящими дорогостоящими транзисторами и операционными усилителями, в UcD же необходимость в этом также отпадает по уже названной причине — ключевой режим работы всех активных компонентов. Уровень шума и характер звучания практически полностью определяются входным операционным усилителем, который легко можно менять и выбрать наиболее понравившийся. Еще один серьезный плюс усилителей класса D — это отсутствие тепловых искажений.

Рассмотрим, как работают выходные транзисторы в линейном усилителе. При подаче на вход усилителя сигнала звуковой частоты выходные транзисторы начинают периодически плавно открываться и закрываться, то есть проходящий через каждый транзистор ток пульсирует практически от максимального значения выходного тока до тока покоя. При этом также меняется значение напряжения коллектор-эмиттер. Вместе с напряжением и током меняется и рассеиваемая мощность выходных транзисторов, причем изменяться она может в очень широких диапазонах. Это вызывает пульсацию температуры кристаллов. Несмотря на то, что транзистор установлен на радиатор, пульсации температуры нельзя избежать, так как моментально отвести тепло от кристалла транзистора невозможно. Как известно, при изменении температуры транзистора, все его характеристики будут также варьироваться. Получается, что вместе со звуковой синусоидой параметры выходных транзисторов будут также варьировать, и, несомненно, это отразится на звуке не лучшим образом. Конечно, влияние не так велико, однако разницу при воспроизведении низких частот между усилителем класса АВ и класса D слышат все, даже те, кто не обладает музыкальным слухом.»

В связи с появлением усилителей класса D, выполненных по технологии UcD, перспективы у данного класса усилителей существенно повысились. Теперь они могут применяться для построения не только бытовых аудиосистем, но и профессиональной техники, например концертного и студийного оборудования, трансляционных усилителей, профессионального оборудования для кинозалов и развлекательных комплексов, автомобильных акустических систем. Главными факторами успешной конкуренции усилителей UcD даже с топовыми моделями классов А и АВ стали высочайшее качество звукопередачи и высокий КПД, достигающий 97%, а также низкая себестоимость.

Принципиальная схема UcD-усилителя разработки Сергея Кузнецова представлена на рис. 7, а перечень транзисторов NXP, использованных в разработке — в таблицах 1 и 2.

Рис. 7. Принципиальная схема усилителя UcD конструкции Сергея Кузнецова

Таблица 1. Биполярные транзисторы к принципиальной схеме рис. 7

Наименование U, CE U, BE I, C P, tot Корпус
BCP56-16 80 В 5 В 1 А 1,33 Вт SOT-223
BCP53-16 -80 В -5 В -1 А 1,33 Вт SOT-223
BC807 -45 В -5В -0,5 А 0,25 Вт SOT-23
BC846 65 В 6 В 0,1 А 0,25 Вт SOT-23

Таблица 2. Выходной полевой MOSFET к принципиальной схеме рис. 7

Наименование U, DS R, DS on I, D Q, QD Корпус
PHP28NQ15 150 В 65 мОм 28,5 А 7,5 nC TO-220AB

По вопросам получения технической информации обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
Е-mail: theory.vesti@compel.ru.

Новые микроконтроллеры с ядром ARM7

Компания NXP анонсировала новый микроконтроллер LPC2478, являющийся единственным выпускаемым микроконтроллером с ядром ARM7 TM со встроенной флэш-памятью и интегрированной поддержкой ЖКИ. Вариант без флэш-памяти имеет обозначение LPC2470. Особенностью новых микроконтроллеров является наличие двух высокоскоростных шин ядра ARM (AHB), обеспечивающих параллельное функционирование большого набора периферийных устройств с высокой пропускной способностью. В их числе интерфейс ЖКИ, шина 10/100 Ethernet, устройство OTG/хост-шины USB и два CAN-интерфейса.

Значительно сокращая стоимость, площадь и потребляемую мощность, новые микроконтроллеры компании NXP прекрасно подходят для применения в промышленных, бытовых, торговых и медицинских устройствах, использующих ЖК-панели и требующих подключения к локальной сети или сети Интернет.

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ. И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем. водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс" и „масса") в двухполярное („плюс",„масса" и „минус"). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+" будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-" как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.
Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны" эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов" будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.
Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Читайте также:  Как отмыть плитку в ванной на полу

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный. Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.
Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов"). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики. Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки" в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.
Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

Читайте также:  Как определить мощность резистора по размеру

Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).
В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

Мощный усилитель класса "D", так называемый импульсный УМЗЧ, вполне по силам построить самостоятельно. Эффективность его действительно впечатляет — радиатор едва прогревается! Но так как опыта соборки таких УНЧ у радиолюбителей немного, вначале кратко объясним, как они работают.

Что такое усилитель класса D?

Ответ может звучать просто: это усилитель работающий в ключевом режиме. Но для того, чтобы полностью понять как они работают, рассмотрим традиционные усилители класса AB, что работают как линейные устройства. В импульсных переключающих усилителях, силовые транзисторы (Мосфеты) действуют как переключатели, быстро изменяя свое состояние с off на on. Это обеспечивает очень высокую эффективность, до 95%. Из-за этого усилитель не вырабатывает много тепла и соответственно не требует большой теплоотвод, в отличии от линейных усилителей класса АВ. Для сравнения, даже усилитель класса B может достигнуть максимальной эффективности в 78% (и то в теории). Ниже смотрите блок-схему УМЗЧ класса D, или усилителя с ШИМ.

Входной сигнал преобразуется в широтно-импульсный, прямоугольный сигнал с помощью компаратора. Это означает, что входные данные, закодированы в скважности прямоугольных импульсов. Прямоугольный сигнал усиливается, а затем проходят через низкочастотный фильтр для получения похожего на исходный аналоговый сигнал.

Существуют и другие методы для преобразования сигнала в импульсы, такие как Дельта-Сигма модуляция, но для этого проекта будем использовать более простую ШИМ.

На осциллограмме ниже можно посмотреть, как преобразовывается синусоидальный входной сигнал в прямоугольный, сравнивая его с треугольным.

При положительном пике синусоиды, скважность прямоугольного импульса составляет 100%, а на отрицательном пике она составляет 0%. Фактическая частота сигнала треугольника гораздо выше, порядка сотен килогерц, так что мы позже можем выделить исходный сигнала. Фильтр не идеален, поэтому треугольный сигнал нужен с частотой как минимум в 10 раз выше, чем максимальная звуковая в 20 кГц.

Схема УНЧ Д-класса

Теперь, когда мы знаем, как работает усилитель звука класса D, давайте попробуем его собрать своими руками. Вот схема принципиальная такого усилителя с ШИМ.

Транзисторы предлагаем использовать IRF540N или IRFB41N15D. Эти полевые транзисторы имеют низкий заряд затвора для быстрого переключения и низкое значение RDS(on) (сопротивление перехода) для снижения энергопотребления. Вы также должны убедиться, что транзистор имеет достаточно высокое значение Vdc (напряжение сток-исток). Можно использовать и IRF640N, но RDS существенно выше, что приведёт к меньшей эффективности.

Выше приведена таблица со сравнением основных параметров этих трех транзисторов:

Для монтажа платы можно использовать SMD компоненты, попробовать применить микросхему IR2011S вместо IR2110. Возможно УНЧ и не заработает с первой попытки, но когда вы услышите четкий и мощный звук, исходящий из колонок — поймёте что схема того стоит.

Обсудить статью УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА D

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector