Что такое усилитель класса D. Как работает усилитель класса D. Каковы основные преимущества усилителей класса D. Какие компоненты нужны для сборки простого усилителя класса D. Как собрать простую схему усилителя класса D своими руками.
Что такое усилитель класса D и в чем его особенности
Усилитель класса D — это тип усилителя мощности, работающий в ключевом режиме. В отличие от линейных усилителей, транзисторы в усилителе класса D работают как переключатели, находясь либо в полностью открытом, либо в полностью закрытом состоянии.
Основные особенности усилителей класса D:
- Высокий КПД — до 90-95%
- Малые габариты и вес
- Низкое тепловыделение
- Работа на высоких частотах (обычно 100-500 кГц)
- Необходимость фильтрации выходного сигнала
Благодаря высокой эффективности усилители класса D широко применяются в портативной электронике, автомобильных аудиосистемах и других устройствах с ограниченным энергопотреблением.
Принцип работы усилителя класса D
Работа усилителя класса D основана на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) входного аудиосигнала. Основные этапы работы:
- Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность импульсов с помощью ШИМ-модулятора
- Импульсы управляют выходными транзисторами, которые работают в ключевом режиме
- На выходе формируется высокочастотный импульсный сигнал
- Выходной фильтр преобразует импульсный сигнал обратно в аналоговую форму
Ключевой режим работы транзисторов обеспечивает минимальные потери и высокий КПД усилителя.
Преимущества усилителей класса D по сравнению с линейными усилителями
Усилители класса D имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными линейными усилителями:
- Высокий КПД — до 90-95% против 50-70% у линейных усилителей
- Меньшие габариты и вес из-за низкого тепловыделения
- Возможность работы от низковольтного питания
- Низкое энергопотребление в режиме ожидания
- Отсутствие необходимости в массивных радиаторах охлаждения
Эти преимущества делают усилители класса D оптимальным выбором для портативных и автомобильных аудиосистем.
Компоненты для сборки простого усилителя класса D
Для сборки простого усилителя класса D понадобятся следующие основные компоненты:
- Специализированная микросхема усилителя класса D (например, TPA3116, TDA7492 и др.)
- Конденсаторы и резисторы для обвязки микросхемы
- LC-фильтр на выходе (катушки индуктивности и конденсаторы)
- Источник питания
- Печатная плата
- Разъемы для подключения входного сигнала и акустических систем
Конкретный набор компонентов зависит от выбранной микросхемы усилителя и желаемой выходной мощности.
Схема простого усилителя класса D на микросхеме TPA3116
Рассмотрим схему простого стереоусилителя класса D на популярной микросхеме TPA3116:
Основные элементы схемы:
- Микросхема TPA3116 — интегральный усилитель класса D
- Входные разъемы и цепи для подачи аудиосигнала
- Конденсаторы и резисторы для настройки усиления и частотной коррекции
- LC-фильтры на выходах для подавления ВЧ-составляющей
- Выходные разъемы для подключения акустических систем
- Цепи питания с фильтрующими конденсаторами
Данная схема обеспечивает выходную мощность до 50 Вт на канал при питании 24В.
Особенности монтажа усилителя класса D
При сборке усилителя класса D необходимо учитывать следующие важные моменты:
- Использовать качественную двухстороннюю печатную плату с толстыми дорожками питания
- Обеспечить хороший теплоотвод от микросхемы усилителя
- Разделять силовые и сигнальные цепи
- Применять качественные керамические и электролитические конденсаторы
- Использовать экранированные провода для подключения источника сигнала
- Обеспечить надежное заземление
Правильный монтаж позволит получить максимальное качество звучания и избежать наводок и помех.
Настройка и тестирование собранного усилителя класса D
После сборки усилителя необходимо выполнить его настройку и тестирование:- Проверить правильность монтажа и отсутствие коротких замыканий
- Подать питание на усилитель без нагрузки
- Измерить напряжения в контрольных точках схемы
- Подключить источник тестового сигнала и осциллограф
- Проверить форму выходного сигнала на различных частотах
- Измерить выходную мощность и коэффициент нелинейных искажений
- При необходимости подстроить частоту ШИМ и параметры выходного фильтра
Только после успешного прохождения всех тестов усилитель можно подключать к акустическим системам.
Возможные проблемы при работе усилителей класса D
При эксплуатации усилителей класса D могут возникать следующие проблемы:
- Повышенный уровень шумов и помех из-за наводок ВЧ-сигнала
- Искажения на высоких частотах из-за неоптимальных параметров фильтра
- Щелчки при включении/выключении из-за переходных процессов
- Выход из строя выходных транзисторов при коротком замыкании нагрузки
- Перегрев микросхемы при длительной работе на полной мощности
Большинство проблем решается правильным монтажом, настройкой и соблюдением режимов эксплуатации усилителя.
Усилитель класса D | Микросхема
Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.
Преимущества усилителей D класса
Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).
Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.
Цифровой или все-таки импульсный?!
Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями.
Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.
Кратко о принципе работы усилителя
Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.
Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы.
В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.
Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.
Ключевые рекомендации
При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.
Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:
Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.
При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств.
Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.
Практическая часть: схема усилителя класса D
В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.
Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей.
Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.
КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.
Метки: УНЧ
Радиолюбителей интересуют электрические схемы:
УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель
Классы усилителей | ПРОAV
Класс электронного усилителя обозначает режим его работы, а также определяют в общем виде, схемотехнический принцип на основании которого построен усилитель.
В данный момент, среди усилителей звуковой частоты наиболее распространены классы TD, B, D, H.
Усилители класса B
Усилители класса B являются двухтактными: одно плечо усилителя (npn-транзистор) воспроизводит положительную полуволну, другое плечо (pnp-транзистор) — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. Ток покоя выходных транзисторов в режиме B составляет 10…100мА на каждый транзисторный каскад.
Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5%, реального транзисторного каскада — ~72%. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 Pмакс(Rн), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46% от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40 %.
С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться.
Максимальная выходная мощность на данной нагрузке определяется напряжением питания выходного каскада усилителя.
Общая схема усилителей класса B
Усилители класса D
В усилителях класса D форма тока выходных транзисторов имеет вид прямоугольных импульсов, транзистор либо заперт, либо открыт полностью. Сопротивление открытого канала силовых МДП-транзисторов близко к “0” (единицы миллиОм), поэтому, можно считать (в первом приближении), что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей мощности класса D составляет 90…95%. Причем КПД мало зависит от выходной мощности (при мощности близкой к 1 Вт усилитель класса D проигрывает в потреблении усилителю класса B).
Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D – схема с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Аналоговая ШИМ не позволяет добиться низких значений нелинейных искажений.
Общая схема усилителей класса D
Усилители класса H
Усилители класса H – усилители (класса B) с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на шинах питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания. В более сложных схемах применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтдобавки до требуемых значений.
Усилители мощности звуковой частоты класса TD
Класс TD является торговой маркой шведской компании Lab.gruppen. “Следящий класс D” – подвид класса D и класса H: усилитель класса B, питаемый напряжением ЗЧ (звуковой частоты), вырабатываемый усилителем класса D.
Усилители класса TD – усилитель класса B (“чистый” усилитель) источником питания для которого является усилитель класса D (“грязный” усилитель).
При этом такой гибридный усилитель имеет характеристики класса B (нелинейные искажения) и КПД ~65% во всем диапазоне мощностей.
Важнейший показатель качества усилителя – линейность выходного сигнала (минимальные нелинейные искажения).
В усилителях класса TD питание управляется звуковым сигналом и почти полностью соответствует его форме, позволяя достичь высоких значений КПД
Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies
Новинка: МОП-транзистор CoolSiC™ 2000 В
EasyPACK™ 3B поддерживает работу при полном токе при 1500 В постоянного тока с достаточным запасом по перенапряжению — идеально подходит для фотогальванической зарядки и зарядки электромобилей.
Скачать техническое описание
electronica 2022
Посетите нас на выставке electronica в этом году — живите в Мюнхене или в цифровом формате!
Учить больше
Присоединяйтесь к нам на TRUSTECH 2022
Погрузитесь в самое сердце безопасности на выставке TRUSTECH этого года с семейством универсальных решений Infineon SECORA™.
Узнать больше
Масштабируемая автомобильная приборная панель
Маломощная линейная обработка графики, функциональная безопасность, встроенный аппаратный модуль безопасности (HSM) и возможность обновления программного обеспечения по беспроводной сети (OTA).
Учить больше
Интеллектуальные полупроводниковые решения делают здания и дома настраиваемыми, обеспечивая больше комфорта жителям и работникам и экономя энергию
Взглянем
Машинное зрение для Индустрии 4.
0
Веб-семинар: USB SuperSpeed (от 5 до 20 Гбит/с) для высокоскоростной обработки изображений и видео. Ускорьте промышленную автоматизацию производства с помощью решений Infineon EZ-USB™.
Сохраните свое место
Новости28 ноября 2022 г. | Business & Financial Press
Немецкая федеральная типография, Fraunhofer и Infineon впервые демонстрируют защиту электронного паспорта в эпоху квантовых компьютеров
22 ноября 2022 г. | Business & Financial Press
Infineon возглавляет рейтинг лидеров разнообразия Financial Times 2022
Новости рынка
01 декабря 2022 г.
| Новости рынка
Формирователь изображения i-ToF на основе новой пиксельной технологии Infineon повышает производительность системы 3D-камеры при оптимизированной стоимости
Схема простого усилителя класса D
Фарва Навази
3120 просмотровВведение
Как мы все знаем, усилители представляют собой схемы, преобразующие слабые сигналы в сигналы высокой амплитуды. Однако усилители бывают двух видов: предусилители и усилители мощности. Кроме того, усилители мощности подразделяются на различные типы. К ним относятся класс A, класс B, класс AB, класс C и т. д. Но эта статья посвящена созданию аудиоусилителя класса B. Итак, в этом уроке мы рассмотрим «Простую схему усилителя класса D».
Прежде чем приступить к созданию схемы, сначала нам нужно узнать об усилителях класса D 9.0005
Краткий обзор усилителя класса D
Схема усилителя класса D с нелинейным переключающим усилителем. Это означает, что усилитель имеет угол проводимости 0 градусов из-за его способности переключения. Эта схема усилителя может быть более эффективной, чем линейные усилители. И он имеет КПД f 90-95%%.
Аппаратные компоненты
Следующие компоненты необходимы для изготовления схемы усилителя класса D
| S.No | Components | Value | Qty |
|---|---|---|---|
| 1 | IC | BD5460 | 1 |
| 2 | Connector | 2-Pin | 1 |
| 3 | Speaker | 8 Ohm | 2 |
| 4 | Switch | 1 | |
| 5 | Ceramic capacitor | 0. Похожие записи |