Схема усилителя d класса. Схема усилителя класса D 100 Вт: особенности конструкции и принцип работы

Как работает усилитель класса D мощностью 100 Вт. Какие компоненты входят в его схему. Каковы основные особенности и преимущества данной конструкции. На что обратить внимание при сборке и настройке усилителя класса D.

Принцип работы усилителя класса D

Усилитель класса D работает по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Основные элементы схемы:

• Компаратор, преобразующий входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов
• Выходной каскад на полевых транзисторах, работающих в ключевом режиме
• LC-фильтр на выходе для восстановления аналогового сигнала

Ключевой режим работы транзисторов обеспечивает высокий КПД усилителя — до 90% и выше. Это главное преимущество усилителей класса D.

Основные элементы схемы усилителя

Рассмотрим ключевые компоненты представленной схемы усилителя класса D мощностью 100 Вт:

• Компаратор на микросхеме LM311
• Драйвер IR2110 для управления силовыми транзисторами
• Выходной каскад на MOSFET-транзисторах IRF540
• Выходной LC-фильтр на дросселе и конденсаторе
• Цепи защиты и стабилизации напряжения

Такая конфигурация позволяет получить высокую выходную мощность при компактных размерах усилителя.

Особенности входного каскада

Входной каскад усилителя выполнен по балансной схеме на операционном усилителе. Это обеспечивает:

• Высокую помехоустойчивость
• Подавление синфазных помех
• Возможность использования как инвертирующего, так и не инвертирующего входа

Коэффициент усиления входного каскада составляет 16 дБ. АЧХ формируется RC-цепями в цепи обратной связи.

Выходной каскад усилителя

Выходной каскад выполнен на полевых транзисторах IRF540 по мостовой схеме. Основные особенности:

• Использование n-канальных транзисторов в обоих плечах
• Применение драйвера IR2110 для управления верхними ключами
• Защита от сквозных токов с помощью VR-цепей
• Возможность получения мощности до 200-240 Вт при увеличении напряжения питания

Такая конфигурация обеспечивает высокую эффективность и надежность выходного каскада.

Цепи защиты усилителя

В схеме предусмотрено несколько цепей защиты:

• Защита от превышения тока через выходные транзисторы
• Защита от пониженного напряжения питания
• Задержка включения на 2 секунды при старте
• Защита от перегрева выходных транзисторов

Это повышает надежность и отказоустойчивость усилителя при различных режимах работы.

Особенности выходного фильтра

Выходной LC-фильтр играет важную роль в работе усилителя класса D. Основные требования к нему:

• Частота среза около 20 кГц
• Индуктивность дросселя 30 мкГн
• Сердечник дросселя с воздушным зазором
• Конденсатор фильтра на напряжение не менее 100 В

Правильно спроектированный фильтр обеспечивает минимальные искажения выходного сигнала.

На что обратить внимание при сборке

При самостоятельной сборке усилителя класса D важно учесть следующие моменты:

• Использовать качественные компоненты, особенно в силовой части
• Обеспечить хороший теплоотвод для выходных транзисторов
• Тщательно настроить выходной фильтр
• Проверить работу всех цепей защиты
• Использовать раздельное питание для входных и выходных каскадов

Это позволит получить стабильно работающий усилитель с хорошими параметрами.

Настройка и проверка работы усилителя

Основные этапы наладки собранного усилителя:

1. Проверка напряжений питания всех узлов
2. Настройка частоты работы ШИМ-модулятора (около 300 кГц)
3. Установка нуля на выходе с помощью подстроечного резистора
4. Проверка формы сигнала на выходе (до и после фильтра)
5. Контроль нагрева элементов при работе на номинальной мощности

Правильно настроенный усилитель должен обеспечивать стабильную работу без искажений и перегрева.

Преимущества данной конструкции

Рассмотренная схема усилителя класса D имеет ряд достоинств:

• Высокий КПД (до 90% и выше)
• Компактные размеры
• Возможность получения большой выходной мощности
• Низкий нагрев выходных транзисторов
• Хорошее качество звучания при правильной настройке

Это делает данную конструкцию привлекательной для самостоятельной сборки аудиоусилителей высокой мощности.

Возможные направления доработки

Схема усилителя допускает дальнейшее усовершенствование:

• Введение глубокой отрицательной обратной связи
• Повышение частоты работы ШИМ-модулятора
• Применение более совершенных выходных транзисторов
• Использование цифровых методов формирования ШИМ-сигнала
• Добавление схем мягкого запуска и защиты акустики

Это позволит еще больше улучшить параметры и надежность усилителя.

Схема. Мощный усилитель класса D

Интерес к проектированию схемы усилителя мощности (УМ) класса D появился у меня после разработки нескольких импульсных блоков питания. Возникла идея собрать простой и экономичный УМ. Эта тема не имела своего развития, пока на глаза не попался доклад Бруно Путзейса [1], инженера-разработчика фирмы Philips. Тогда же я прочитал статью Сергея Кузнецова [2] на ту же тему. Много информации и ценных советов мной получено на форуме сайта vegalab.ru в теме «D class для саба».

Естественно, предлагаемая схема усилителя мощности не претендует на законченность или выдающиеся параметры, так как является полностью любительской. Но с уверенностью можно утверждать, что она проверена и не требует изготовления многослойной печатной платы. Главными критериями проекта были повторяемость, малая номенклатура использованных деталей, их доступность, возможность сборки в домашних условиях. В этой конструкции использованы в основном резисторы и конденсаторы типоразмеров 1206 и 0805 для поверхностного монтажа, а все комплектующие доступны для заказа через Интернет.

Кроме того, после испытаний предыдущих версий такого УМ был введён узел защиты от КЗ, так как кратковременное замыкание или другое нештатное событие выводили из строя выходные транзисторы и микросхему драйвера, цена которых составляет существенную долю стоимости всего УМ.

На рис. 1 показана структурная схема усилителя мощности класса D. Входной каскад с симметричной (балансной) схемой передачи сигнала обеспечивает высокую помехоустойчивость к наводкам со стороны источника сигнала и способствует балансировке цепи ООС с выхода усилителя в широкой полосе частот. Далее звуковой сигнал проходит по каскадам, работающим в переключательном режиме, обеспечиваемом цепью положительной обратной связи. Эти каскады содержат компаратор, фазоинвертор и драйвер, управляющий двухтактным выходным каскадом на мощных полевых транзисторах (ПТ). Устройство содержит ещё узлы стабилизации напряжения питания и смещения ПТ, а также узлы задержки включения и защиты от перегрузки.

Свойства и особенности структуры усилителя целесообразно рассмотреть по принципиальной схеме усилителя мощности, представленной на рис. 2. Здесь на микросхеме DA1 собран входной усилитель напряжения с балансным входом, отличающийся способностью компенсации синфазных наводок. УМ с балансным входом можно использовать в любом варианте — как инвертирующий входной сигнал, так и не инвертирующий. Коэффициент усиления плеч задаётся соотношением сопротивления резисторов R5 и R6, R7 и при использовании указанных номиналов равен 16 дБ. Элементами С2, R2, R4, С4 и С1, R1, R3, СЗ формируется АЧХ УМ. Симметричные сигналы с выходов ОУ DA1 (выводы 1 и 7) через резисторы R8, R9 поступают на входы компаратора DA2 (LM311P), куда поступает сигнал обратной связи через ucd-цепь ОС [1]. Элементы DA2, VT3— VT5, DA3, VT7, VT8 и некоторые другие образуют усилитель класса D, коэффициент усиления которого в полосе звуковых частот равен отношению сопротивления резисторов R15, R16 к R8, R9 соответственно. Для сохранения баланса (и равного коэффициента передачи в симметричных цепях) сопротивления резисторов R8 и R9, а также R15 и R16 должны быть попарно равны.

Как указано в [1], коэффициент усиления 13 дБ (4,5 раза) является оптимальным.

Так как драйвер DA3 (IR2110) имеет раздельные входы управления верхним и нижним плечами выходного каскада, сигнал с выхода компаратора, который, по сути, является последовательностью импульсов, модулированных по длительности звуковым сигналом, поступает на фазоинвертор на транзисторах VT3, VT5, включённых по схеме дифференциального каскада. Для обеспечения его работы собран источник тока (1,2 мА) на элементах VT4, VD3. Ток задаётся резисторами R22, R23. Для облегчения теплового режима транзистора VT4 в цепь коллектора включён гасящий резистор R20. Кроме инвертирования сигнала, транзисторы VT3, VT5 выполняют важную функцию сдвига уровня напряжения. Так как вывод VSS (общий сигнальный провод) микросхемы драйвера подключён к минусовому выводу блока питания, необходимо привести сигнал ШИМ от DA2 относительно общего провода устройства к уровню относительно -V _cc. Сопротивления резисторов R21, R24 выбраны такими, чтобы напряжение управления на входах DA3 не превышало 6В (1,2 мА х 4,7 кОм). Микросхема DA3 включена по стандартной схеме [3].

Для исключения сквозного тока через транзисторы VT7, VT8 в цепи затворов установлены VR-цепи (VD7R40, VD8R41), ограничивающие ток зарядки ёмкости затворов. В данном устройстве применены полевые транзисторы (ПТ) IRF540Z. При применении в устройстве стабилитрона VD4 на 12 В напряжение управления для ПТ (VT8) будет составлять 12-1,5= 10,5 В (транзистор VT6 — составной). Сопротивление резисторов R40, R41 выбрано равным 10 Ом, потому что при меньшем значении происходит разогрев выходных транзисторов из-за возникновения сквозного тока. Время переключения мощных транзисторов равно 40 не, а средняя мощность сигнала переключения на частоте 300 кГц равна 132 мВт.

Согласно документации на микросхемы DA3—DA5, суммарный ток потребления от стабилизатора на транзисторе VT6 составит около 0,15 А. Соответственно, при напряжении питания УМ +/-30 В на этом транзисторе при напряжении питания драйвера 10,5В рассеивается мощность около 3 Вт.
Первоначально устройство защиты было построено с датчиком тока в цепи стока одного из транзисторов. При превышении тока через датчик вырабатывался сигнал на отключение устройства. Но для контроля тока в десятки ампер сопротивление и мощность резистора датчика тока оказываются неприемлемыми. Лучшее решение — контроль падения напряжения на канале ПТ в то время, когда он открыт.

В интервале времени, когда транзистор VT8 открыт, напряжение на стоке близко к напряжению на минусовом проводе питания. Так, при токе I_C = 15 А на стоке напряжение выше -V_CC на I_C·R_K = 15 А x 0,027 Ом = 0,405 В, где R_K — сопротивление открытого канала. Для отключения цепи измерения при закрывании транзистора VT8 использован быстродействующий диод VD6. Напряжение +10,5 В с затвора ПТ подаётся через токоограничивающий резистор R37 на диод VD6, в таком случае напряжение на инвертирующем входе компаратора DA4.1 составит сумму падения напряжения на диоде VD6 плюс падение напряжения на транзисторе VT8. То есть при токе 15 А оно примерно равно 0,4 + 0,4 = 0,8 В.

Для сглаживания пульсаций этого напряжения использован конденсатор С24, а для разрядки конденсатора — резистор R38. Далее это напряжение компаратор DA4.1 сравнивает с образцовым, которое формирует делитель напряжения R31R34. Оно может быть изменено с помощью подстроечного резистора R31. В том случае, если напряжение с датчика больше образцового, выходной транзистор микросхемы DA5 с открытым коллектором (вывод 7) закрыт. Конденсатор С25 заряжается через резистор R39 до напряжения, достаточного для запуска таймера DA5 (NE555), на выходе которого (вывод 3) устанавливается напряжение 10,5 В (относительно –U_ПИТ). Это напряжение через светодиод HL1 поступает на вход SD (вывод 11) DA3 и запрещает генерацию. Так как ток этого входа недостаточен для свечения светодиода, добавлен резистор R25.

Второй компаратор (DA4.2) следит за напряжением питания нижнего плеча. При этом подразумевается, что оба плеча питания симметричны. При напряжении питания нижнего плеча ниже -20 В компаратор переключается и, аналогично устройству защиты от превышения тока через ПТ, блокирует работу драйвера DA3 и выходного каскада. Это сделано для исключения неприятного свиста при включении и выключении УМ, который связан с разной скоростью зарядки и разрядки конденсаторов плеч питания, а также при использовании БП с плавным пуском.

Запуску возбуждения УМ сразу после подачи питания препятствует задержка (2с), формируемая таймером DA5. При кратковременном срабатывании защиты УМ также будет выключаться на 2 с. Кроме того, у устройства защиты есть ещё одно полезное свойство. Так как сопротивление открытого канала полевого транзистора увеличивается с ростом температуры (а максимальный допустимый ток уменьшается) то, соответственно, при равных токах на разогретом транзисторе падение напряжения будет выше, чем на холодном. Таким образом, порог срабатывания защиты смещается в безопасную зону при перегреве.

Для питания ОУ DA1 и компаратора DA2 собраны два параметрических стабилизатора на VT1, VD1 и VT2, VD2. Для подавления ВЧ помех установлены дроссели L1, L2 (BLM21BD102SN1), которые совместно с конденсаторами С15, С17 и С16, С18 образуют LC-фильтры. При отсутствии дросселей их допустимо заменить резисторами сопротивлением 100…220 Ом.
Для питания драйвера DA3 IR2110 и устройства защиты собран ещё один параметрический стабилизатор на элементах VT6, VD4, R31, С20. Здесь применён составной транзистор TIP112. Для него нужен теплоотвод, способный рассеивать мощность не менее 3 Вт.

Дроссель на выходе усилителя класса D — едва ли не самый важный элемент. При его неправильном изготовлении будут перегреваться либо транзисторы, либо сам дроссель, также могут появляться неприятные призвуки на НЧ. Я использовал дроссель с кольцевым магнитопроводом EPCOS 25,3×14,8×10 N87 с зазором около 1,1 мм. Этот зазор аккуратно прорезан «болгаркой» с отрезным кругом толщиной 1 мм. При резке нужно соблюдать крайнюю осторожность! В крайнем случае зазор можно сделать из бумаги, пропитанной клеем, при склеивании разломанного ферритового кольца. Индуктивность дросселя с зазором можно вычислить, воспользовавшись данными из [4]. Для получения индуктивности 30 мкГн на кольце, обёрнутом изоляционным материалом, равномерно намотаны 24 витка проводом диаметром не менее 0,8 мм.

Конденсатор С28 выходного фильтра должен выдерживать большие токи и напряжения, соответствующие техническим параметрам. Нужно использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее чем на 100 В, например, плёночные из группы К78 (К78-2, К78-6), К73-16 или аналогичные импортные. Вполне допустимо использовать конденсатор ёмкостью до 1 мкФ, частота переключения при этом снизится незначительно (на 30 кГц). При использовании конденсатора ёмкостью 0,1 мкФ частота повышается до 418 кГц. Все оксидные конденсаторы ёмкостью 1 мкФ — танталовые, типоразмера А (1206).

Все конденсаторы ёмкостью 1000 пф, кроме С24. — блокировочные, того же типоразмера. Конденсаторы С30, С32 — керамические многослойные на напряжение 25 В, а СЗЗ, С34 — на напряжение 50—100 В, например, из групп NP0, X5R или X7R компании Murata. Другие оксидные конденсаторы — импортные, например, фирмы Jamicon. В сигнальных цепях (С9—С12, С24) нужно использовать керамические конденсаторы только группы NP0.
На фото рис. 3 представлены печатная плата (один из вариантов) и узел УМ в сборе.

Чертёж печатной платы и расположение элементов на ней показаны на рис. 4, а, б.
Здесь маломощные транзисторы установлены со стороны монтажа SMD-деталей. В плате есть семь отверстий, в том числе три из них на месте отверстий в фланцах транзисторов. Поэтому и мощные транзисторы (VT6—VT8) могут быть закреплены через изолирующие прокладки на общем теплоотводе со стороны монтажа SМD-деталей.
На чертеже показан вариант размещения мощных транзисторов на теплоотводах промышленного производства, например, Н3-123-40(см. рис. 3). В таком случае теплоотвод размерами 10x4x30 мм для транзистора VT6 можно изготовить из алюминия.

Слой фольги со стороны установки элементов с выводами оставлен как общий провод, с которым печатные проводники, соединяющие соответствующие элементы поверхностного монтажа, объединяют дополнительными перемычками (если нет металлизации в отверстиях, обозначенных GND на чертежах рис. 4,6), а в местах отверстий под элементы, не соединяемые с общим проводом, фольга снята небольшим сверлом. На плате также предусмотрена возможность экранирования входного ОУ и компаратора DA2. Для этого вокруг них симметрично расположены экранные площадки и переходные отверстия. Однако, как оказалось, в этом нет необходимости.

О последовательности монтажа. Прежде всего, в плате без металлизации отверстий нужно сделать проволочные перемычки участков печатного монтажа общего провода с экранным слоем фольги. Затем следует установить перемычку в цепи питания +12 В, а также соединить цепь обратной связи с выходом усилителя (перемычка а-а изолированным проводом). Далее на плату устанавливают разъёмы Х1—ХЗ (фирмы Dagson): входной разъём типа DG300-5.02P12, выходной — DG129-5.0-02R Разъём питания на плате — 2EDGRC-5.0-03P-14, ответная часть — 2EDGK-5.0-O3P-14.

Для упрощения проверки узлов устройства целесообразно сначала установить детали, относящиеся к параметрическим стабилизаторам, цепям источника тока (транзистор VT4) и фазоинвертора (VT3, VT5), чтобы проверить наличие напряжений на выходах стабилизаторов и падение напряжения на резисторе R20. Оно должно быть около 6 В. Затем монтируют таймер NE555 с «обвязкой». Проверяют работу узла задержки запуска при включении. Светодиод должен включаться на 1…3 с после подачи питания, а затем гаснуть.

После этого монтируют компаратор КА393 с «обвязкой». Подстроечным резистором R31 устанавливают на выводе 3 этого компаратора напряжение равным 0,9…1 В (относительно -U_ПИТ) и проверяют работу узла контроля напряжения питания. Это удобно делать с помощью регулируемого БП. При понижении напряжения питания менее 15…20 В должен светиться светодиод.
После этих проверок устанавливают остальные детали. Сначала следует правильно смонтировать все элементы для поверхностного монтажа, затем и остальные: микросхемы, оксидные конденсаторы, теплоотводы и дроссель L3. Мелкие детали монтируют в порядке уменьшения размера. Особое внимание нужно уделить правильной полярности при установке полярных конденсаторов и диодов VD5—VD8.
На плате дополнительные блокировочные конденсаторы могут быть напаяны поверх уже установленных SMD-конденсаторов.
По окончании монтажа нужно тщательно промыть печатную плату.

Первое включение лучше осуществлять от маломощного БП. Для этих целей я использовал DC/DC преобразователь напряжения с 12 на +/-35 В с регулировкой выходного напряжения, подключённый к маломощному источнику напряжения 12 В (до 1…2 А), или от иного БП через лампу мощностью 20…25 Вт (220 В). При первом включении целесообразно к выходу УМ вместо акустической системы подключить резистор сопротивлением 20…100 Ом (10 Вт), При отсутствии осциллографа наличие несущей проверяют маломощной лампой накаливания на 27 В, подключив её к выходу УМ (до дросселя L3), а с помощью лампы на 2,5 В можно оценить реальное напряжение ВЧ (с частотой автогенерации) на выходе УМ с нагрузкой. Что касается постоянного напряжения на выходе, то у трёх изготовленных УМ оно оказалось в интервале 26…40 мВ, но и с этим можно бороться введением цепи коррекции нуля компаратора DA2. Однако мне это показалось излишним.

Осциллограммы, приведённые далее для пояснения работы узлов, сняты с контрольных точек платы, на которой все установленные детали соответствуют схеме, выходные транзисторы — IRF540. Блок питания — импульсный, нестабилизированный номинальной мощностью 100 Вт, Нагрузка — резистор сопротивлением 3,9 Ом. Масштаб по вертикали и горизонтали указан под осциллограммами.
На рис. 5 показана осциллограмма напряжения на выходе УМ без входного сигнала (после фильтра — жёлтым и до фильтра — голубым). На рис. 6 показано напряжение сигнала на выходе УМ перед ограничением. Мощность — 88 Вт, напряжение питания — +/-28 В. Теоретически возможное напряжение на выходе равно 28 В/1,41 = 19,8 В эфф. При снижении напряжения питания до +/-26 В на осциллограмме рис. 7 заметно ограничение амплитуды. Выходной LC-фильтр настроен на частоту среза 20 кГц (по уровню -3 дБ).

На рис. 8 видна задержка импульса сигнала (жёлтым цветом) с выходного каскада после появления импульса на входе драйвера IR2110 (голубым цветом). Переключение мощных транзисторов, которое является источником помех, происходит, когда переходные процессы на входе драйвера заканчиваются.
На рис. 9,а, б показаны фронт и спад импульсов, действующих на выходе мощного каскада (до выходного фильтра).
На рис. 10 показан импульсный сигнал на выходе компаратора LM311 Р.
На рис. 11 отражена задержка реакции на смену полярности сигнала на входе дифференциального каскада (на выходе LM311P). Жёлтым цветом — выход LM311R, голубым — сигнал на входе драйвера.
На рис. 12 показана общая задержка распространения сигнала. Голубым — выход компаратора, жёлтым — напряжение в средней точке ПТ.

Описываемый усилитель при использовании указанных компонентов и напряжении питания +/-31 В может выдать 100 Вт долговременной мощности на нагрузке сопротивлением 4 Ом. Температура теплоотвода транзистора VT6 после 30 мин работы в таком режиме достигает 65 °С, микросхемы DA3 — 60 °С и теплоотвода выходных транзисторов — 55 °С. На музыкальном сигнале средней мощности нагрев выходных транзисторов не наблюдается и основным источником тепла становится транзистор VT6. При увеличении напряжения питания до +/-45 В следует применить обдув теплоотвода, тогда максимальная выходная мощность возрастёт до 200…240 Вт. Необходимо понимать, что максимальное выходное напряжение будет меньше, чем напряжение питания, на величину размаха несущей на выходе.

Усилитель легко модернизировать. Собственно, при разработке платы учитывалась возможная необходимость в будущем использовать входную часть с модулятором и в более мощной конструкции. В этом случае необходимо применить транзисторы на максимально допустимое напряжение 150 или даже 200 В, увеличить напряжение питания и переделать выходную часть устройства. В стабилизаторах питания ОУ и компаратора установлены транзисторы, способные рассеивать значительную мощность, При питании напряжением не более +/-25 В вполне можно вместо дросселей L1, L2 ограничиться гасящими резисторами сопротивлением 100…180 Ом (0,125 Вт), так как ток потребления ОУ и компаратора не превышает 20…25 мА. Вообще, собранный правильно УМ надёжен и неприхотлив, не реагирует на существенные отклонения в номиналах резисторов по «цифровым» цепям.

Оптимальная частота работы УМ — около 300 кГц. При указанных в статье номиналах элементов УМ функционирует на частоте 250 кГц. Частота зависит от параметров выходного фильтра, сопротивления нагрузки, цепей ОС, а также скорости переключения ПТ.
УМ включается и выключается без щелчков и шумов и не боится замыканий на выходе. При питании от одного импульсного источника питания без стабилизации взаимовлияния каналов мной не замечены. При мостовом включении нужно шунтировать выходы разных усилителей конденсаторами ёмкостью 0,1 мкФ. Работоспособность в мостовом включении проверена. Что касается численных объективных показателей качества, судить не берусь, нет необходимого инструментария. Субъективно же — звук приятный и как минимум «интересный».

Прилагаемые файлы:      UMclassD.zip

ЛИТЕРАТУРА
1. Putzeys В. Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with Full Output Filter Control. // AES Convention:! 18 (May 2005) Paper Number 6453. —    www.aes.orq/e-lib/browse.cfm?elib=13169
2. Кузнецов С. Первый прототип усилителя UcD версии 1. 2. —    www.classd.fromru.com/circuits/ucdl.html
3. IR2110 — HIGH AND LOW SIDE DRIVER. Datasheet. —    www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82793/IRF/IR2110.html
4. Сайт компании TDK EPCOS (см. раздел Design Support) —      www.epcos.com/web

Ю. ИГНАТЬЕВ, г. Ивано-Франковск, Украина
«Радио» №2 2013г.

Post Views: 2 197

Сабвуферный усилитель класса D на основе TL494

Новости Проекты Разное Ссылки О себе Гостевая книга   Написать автору

Данная конструкция изначально создавалась просто для того, чтобы понять, что в действительности можно получить от усилителя класса D. Конечно, первая мысль была — найти какой-нибудь прототип, но длительные поиски в интернете не дали ничего кроме фраз «Да сделай ты это на TL494!», но нигде не было никаких схем. Собирать на специализированной интегральной схеме (TDA8920) не представлялось возможным из-за ее дороговизны и дефицитности и ограниченной выходной мощности такого усилителя. В общем, пришлось придумывать свое. Сначала я хотел сделать усилитель, взяв за основу UC3842/3843 и использовать мощный выходной каскад на полевых транзисторах разной структуры, например, как в известной книге Шкритека (стр. 231). Подобный выходной каскад применен и в конструкции, публиковавшейся не так давно в журнале «Радио». Очевидное преимущество такого каскада — простота, но есть и существенные недостатки. Во-первых, необходимо двуполярное питание, во-вторых, возможно протекание сквозного тока через транзисторы, в третьих, транзисторы разной структуры имеют разное сопротивление канала в открытом сосотоянии, что требует, по-хорошему, применения разного количества транзисторов в плечах (транзисторов с p-каналом нужно ставить больше), а это приводит к существенному усложнению конструкции. Все перечисленное приводит к тому, что реально от такого выходного каскада большую мощность не получить. Учитывая изложенные причины, было принято решение делать мостовой выходной каскад на транзисторах с n-каналом. Несмотря на то, что такой каскад требует применения достаточно дорогостоящих драйверов (я применил IR2110), он свободен от всех недостатков простого выходного каскада, в частности, пользуясь такой схемой можно увеличивать выходную мощность, повышая напряжение питания, при этом при напряжении питания выходного каскада до 70-80 вольт можно применять дешевые ключевые транзисторы, например, IRF540, и снимать с выходного каскада мощность в несколько сотен Вт. Что касается собственно ШИМ-модулятора, то здесь, рассматривалось 2 варианта — UC3843 и TL494. UC3843 очень неплох, т.к. используя его можно получить высокие тактовые частоты, но, к сожалению, он имеет однофазный выход, так что для того, чтобы использовать его для питания двухтактного каскада пришлось бы ставить еще несколько внешних элеменов для инвертирования выходного сигнала, в простейшем случае транзисторный ключ, а лучше еще один корпус логики. В противоположность UC3843, TL494 не позволяет получить тактовые частоты выше 300КГц (по паспорту, а реально и на 100КГц уже все не так гладко), но содержит внутри себя все необходимое, для постороения узла управления, позволяя ограничиться несколькими пассивными компонентами в обвязке. Поэтому, поразмыслив, я решил сделать усилитель все-таки на основе TL494. Схема собранного прототипа здесь. Тактовая частота генератора равна 100кГц, можно и больше, но при этом минимальная длительность импульса получается более 6% от периода колебания, что на мой взгляд, маловато. Конденсаторы С5 и С6 можно не устанавливать — достаточно 0.1мкФ. Как видно, схема не содержит обратной связи. С одной стороны, это делает ее чувствительной к изменению напряжения питания выходного каскада, с другой стороны, не стоит забывать, что это всего лишь макет прототипа, от него многого и не требовалось, лишь бы работал:) Схема отмакетирована, но печатная плата не разрабатывалась. Налаживание сводится к установке нуля на выходе подстроечным резистором. Испытания проводились на низкочастотный громкоговоритель, представляющий из себя две параллельно соединенные головки 10ГД30 в ящике объемом около 50л, фильтр на выход усилителя не подключался, громкоговоритель был подключен к усилителю парой свитых проводов. Выходные транзисторы на радиаторы не устанавливались, т.к. совершенно не грелись. Самое удивительное, что работает это неплохо и без обратной связи. Изначально планировалось использовать такой выходной каскад в мощном сабвуфере (и действительно, для построения сабвуфера такой усилитель подходит идеально), но после того, как я послушал, как это играет, мне показалось, что у такого усилителя есть достаточно высокий потенциал и при использовании в среднечастотном звене. Существенный момент — для того, чтобы такой усилитель нормально работал, полосу сигнала на входе нужно ограничить с помощью ФНЧ. Лучше, если частота среза будет не более одной десятой от тактовой (а лучше и еще меньше). Жаль, что не удалось поднять повыше тактовую частоту, может и на высоких было бы неплохо. Если позволит время, которого почти нет:(, попробую сделать на основе этого усилителя законченную конструкцию. Если решите собирать такой усилитель, необходимо сразу задуматься о защите громкоговорителя от постоянного напряжения на выходе, т.к. схема не содержит никаких средств поддержания нуля на выходе. Несмотря на то, что скважность определяется напряжением, привязанным к выходу опорного напряжения TL494 и поддерживается довольно точно, предусмотреть защиту все-таки следует. Что касается защиты от короткого замыкания в нагрузке, то при малых мощностях будет достаточно плавкого предохранителя, а при больших надо строить отдельную схему защиты — для этого можно использовать входы SD (Shutdown) драйверов IR2110. Для увеличения выходной мощности выходные ключи можно (и нужно) запитывать от отдельного источника напряжения. Примененные драйверы позволяют поднимать напряжение питания выходных ключей до 500В (я, правда, не могу себе представить, кому это может понадобиться), необходимо будет только применить диоды, рассчитанные на соответствующее напряжение, примененные SF12 имеют допустимое обратное напряжение 200В. Диоды D4-D7 обязательно должны быть диодами Шоттки. Наконец, в качестве дайверов можно применить IR2113 без внесения изменений в схему. Полная схема выложена здесь. Внимание! Именно в таком виде схема ни разу не собиралась. Собранное устройство не имело цепей защиты. Тип транзистора Q1 и стабилитрон в его коллекторе нужно выбирать исходя из напряжения питания, резисторы датчика тока — исходя из тока ограничения. Вообще, эта часть схемы нуждается в переработке. Именно так строить защиту не рекомендую. В остальном, схема была вполне рабочей, нормально работала от нестабилизированного источника питания. И еще раз повторюсь, для нормальной работы данной схемы необходимо ограничить полосу входного сигнала (это относится ко всем усилителям класса D), на входе необходим ФНЧ, рекомендую — с частотой среза не более 1/10 от тактовой частоты задающего генератора, имея в виду сабвуферное предназначение. Кроме того, на схеме не показан дроссель выходного фильтра. Я собирал только макет, т.к. меня интересовала исключительно идея. В готовом устройстве выходной фильтр обязателен. Обратную связь при этом нужно снимать после фильтра.

Объяснение усилителя класса D — Electronics fun

Существует много типов усилителей. Усилитель класса D относится к их типу. Очень эффективный усилитель (КПД до 90-95%). Этот усилитель работает по технологии PWM. Подаваемый на него звуковой сигнал сначала преобразуется в сигнал с широтно-импульсной модуляцией, а затем эффективно усиливается. После усиления он преобразуется обратно в исходный звуковой сигнал. Чтобы лучше понять это, давайте сначала посмотрим на функциональную блок-схему усилителя класса D.

Вы можете видеть, что для создания ШИМ-сигнала аудиосигнала он сравнивается с треугольным сигналом с помощью компаратора. Давайте посмотрим, как он создает сигнал ШИМ, используя график.

Частота треугольного сигнала должна быть как минимум в 10 раз выше звукового сигнала, чтобы воссоздать его снова близко к исходному сигналу. Треугольный сигнал подключается к инвертирующему выводу, а звуковой сигнал подключается к неинвертирующему выводу компаратора. Всякий раз, когда напряжение аудиосигнала ниже треугольного напряжения, выход компаратора низкий, а всякий раз, когда напряжение аудиосигнала выше треугольного напряжения, выход компаратора высокий. Таким образом, мы создали ШИМ-сигнал очень высокой частоты, эквивалентный нашему звуковому сигналу.

Инвертируем этот сигнал с помощью инвертора. Два МОП-транзистора используются в качестве переключателя и управляются драйверами МОП-транзисторов. Поскольку полевой МОП-транзистор работает как переключатель в своей линейной/омической области, падение напряжения между его стоком и истоком очень мало и создает очень низкие потери мощности. Таким образом, этот усилитель очень эффективен.

После усиления необходимо убрать высокочастотную составляющую. Для этого мы будем использовать фильтр нижних частот LC. Мы можем использовать RC LPF, но это приведет к большим потерям мощности. Давайте посмотрим принципиальную схему усилителя класса D.

Чтобы построить этот усилитель, нам нужно сгенерировать сигнал треугольной формы. Для этого будем использовать операционные усилители. Затем нам нужен компаратор для сравнения треугольной формы волны и звукового сигнала. Затем нам нужен вентиль НЕ для инвертирования импульсов ШИМ. Давайте посмотрим список компонентов, которые нам нужны для построения схемы усилителя класса D.

1. Три операционных усилителя MCP602
2. Резисторы (47 кОм, 100 кОм и 1 кОм)
3. Потенциометры (20 кОм и 1 кОм)
4. Конденсаторы (10 нФ и 1 мкФ)
5. Драйвер МОП-транзистора IR2112 или IR2113
6. Два МОП-транзистора IRL540 или IRLZ44N
7. Индуктор (16,5 мкГн)

Как видно из принципиальной схемы, мы использовали два операционных усилителя для генерации сигнала треугольной формы. Используя два потенциометра, мы можем настроить форму волны в соответствии с напряжением звука. Для лучшего качества звука используйте микросхему усилителя (LM386) между аудиосигналом и компаратором для увеличения уровня напряжения аудиосигнала.

Затем этот сигнал и звуковой сигнал сравниваются с помощью компаратора. После сравнения получаем сигнал ШИМ звукового сигнала. Этот ШИМ-сигнал инвертируется с помощью вентиля НЕ. Затем оба сигнала поступают в драйвер MOSFET с половиной H-моста. Затем этот драйвер управляет двумя полевыми МОП-транзисторами, которые эффективно усиливают сигнал ШИМ. Затем мы должны воссоздать исходный звуковой сигнал. Для этого мы будем использовать фильтр нижних частот LC. Чтобы рассчитать значения конденсатора и катушки индуктивности, нам нужно сделать некоторые расчеты. Мы знаем, что эти формулы от катушки индуктивности и конденсатора.

После изменения формулы катушки индуктивности,

Теперь предположим, что мы используем громкоговоритель 4 Ом, поэтому Z=4, и мы используем катушку индуктивности 16,5 мГн. = 1,03 мФ

Таким образом, мы можем рассчитать значения индуктивности и конденсатора.

Таким образом, вы можете самостоятельно собрать усилитель класса D. Попробуйте.

Как работает автомобильный усилитель звука? – Выходной каскад класса D

По мере того, как мы продолжаем рассматривать принцип работы автомобильных аудиоусилителей, нам нужно обсудить, что сегодня стало наиболее популярным на рынке: усилители, в которых используется выходной каскад класса D. В среде аудиофилов конструкции класса D часто имеют неблагоприятную репутацию. Перевешивают ли их недостатки преимущества? Давайте посмотрим!

Как работает выходной каскад класса D?

После того, как входной каскад удовлетворит все потребности в обработке сигнала, аудиосигнал передается на выходной каскад, где его напряжение увеличивается, а полевые полевые МОП-транзисторы могут обеспечить достаточное количество тока для питания наших динамиков с относительно низким импедансом. В современных усилителях класса D выходные устройства MOSFET питаются от микросхемы драйвера, которая выполняет преобразование аналогового сигнала в сигнал с широтно-импульсной модуляцией.

Что такое сигнал с широтно-импульсной модуляцией?

Представьте, если хотите, лампочку накаливания. Мы подключаем лампочку к источнику питания и последовательно в цепь вставляем переключатель, управляемый компьютером. Если мы оставим выключатель выключенным, свет останется выключенным. Если мы включим выключатель, свет загорится на полную яркость. Однако, если мы будем включать и выключать выключатель очень быстро, и он будет оставаться включенным до тех пор, пока он выключен, лампочка будет светиться с половиной возможной яркости. Это изменение времени включения и выключения называется рабочим циклом. Когда время включения и выключения одинаково, это 50% рабочий цикл. Использование сигнала прямоугольной формы с различными рабочими циклами называется широтно-импульсной модуляцией (или ШИМ для краткости).

Драйвер класса D анализирует аудиосигнал на чрезвычайно высоких скоростях (некоторые из них достигают 800 кГц) и создает ШИМ-сигнал относительно низкого напряжения, который подается на выходные устройства. Устройства вывода включаются и выключаются очень быстро. Поскольку устройства проводят очень мало времени в частично включенном состоянии, они представляют очень малое сопротивление и, следовательно, потребляют очень мало энергии. Лучшие усилители класса D на рынке предлагают общий КПД, превышающий 92% при полной мощности. Эта превосходная эффективность отличается от усилителей класса AB, которые превращают от 35% до 50% энергии, подаваемой в усилитель, в тепло.

Компакт-диски используют версию ШИМ, в которой коэффициент заполнения выходного импульса хранится в 16-битном цифровом слове. Это дает нам 65 536 возможных уровней амплитуды. В отличие от современных драйверов класса D, наш звук хранится с частотой 44 100 выборок в секунду. Этого более чем достаточно для воспроизведения всего звукового спектра.

Схема схемы класса D

Теоретический пример того, как модуляция времени включения и выключения влияет на выходной уровень. На самом деле драйверы класса D более высокого качества выдают прямоугольный импульс 40 раз для синусоидального сигнала частотой 20 кГц.

Наконец, усилители класса D обычно имеют свои выходные устройства, расположенные в конфигурации класса AB, где одно устройство управляет отрицательной частью сигнала, а другое — положительной. Таким образом, класс D описывает, как используются выходные устройства, а не их электрическую ориентацию в цепи. Упрощенная блок-схема работы усилителя класса D.

Недостатки усилителей класса D

Если вы читали статьи об искажениях на сайте BestCarAudio.com, то знаете, что прямоугольный сигнал переменного тока состоит из большого количества высокочастотных гармоник. Вы, вероятно, слышали это явление в своем доме, если у вас есть диммер на некоторых светильниках. Нить накала в фарах время от времени будет звенеть, в зависимости от уровня диммера. Поскольку мы хотим передать только аудиосигнал обратно в динамик, разработчики усилителей добавляют сеть пассивных фильтров к выходу полевых МОП-транзисторов. Эта цепь включает в себя катушку индуктивности, включенную последовательно с нагрузкой, а также конденсатор и резистор, включенные параллельно, и действует как фильтр нижних частот для устранения этого высокочастотного шума переключения.

Одним из недостатков конструкции класса D является то, что эти компоненты выходного фильтра взаимодействуют с частотно-зависимыми изменениями импеданса нагрузки, изменяя частотную характеристику усилителя. Хотя эффект незначительный, он может дать усилителям класса D общий тональный баланс, отличный от того, который вы получили бы от конструкции AB. Конечно, небольшие манипуляции с цифровым сигнальным процессором (DSP) быстро вернут это состояние.

Еще одна проблема, связанная со всей этой высокочастотной энергией, заключается в возможности электрических помех другим системам автомобиля. Чаще всего прием AM- или FM-радио может быть размытым или резко уменьшенным. В то время как лучшие производители усилителей делают все возможное для уменьшения радиопомех, проблемы все же могут возникнуть — лучший план — разместить усилитель как можно дальше от радиоантенны.

Зачем вам усилитель класса D?

Суть в том, что компании вложили средства в разработку усилителей класса D, чтобы уменьшить требования к физическим размерам усилителей, предположительно, чтобы облегчить специалистам по установке поиск мест для их установки.