Działanie i zastosowanie wzmacniaczy klasy D.

Działanie i zastosowanie wzmacniaczy klasy D.

We współczesnym świecie głównym celem wzmocnienia dźwięku w systemie audio jest dokładne odtworzenie i wzmocnienie danych sygnałów wejściowych. A jednym z największych wyzwań jest uzyskanie dużej mocy wyjściowej przy jak najmniejszej utracie mocy. Technologia wzmacniaczy klasy D wywiera coraz większy wpływ na świat dźwięku na żywo, oferując wysoką moc przy zerowym rozpraszaniu mocy i mniejszą wagę niż kiedykolwiek wcześniej. W dzisiejszych czasach przenośne urządzenia muzyczne stają się coraz bardziej popularne ze względu na rosnące zapotrzebowanie na zewnętrzne dźwięki w przenośnych urządzeniach muzycznych.

Wzmacnianie dźwięku jest czasami wykonywane za pomocą technologii wzmacniaczy lampowych, ale są one nieporęczne i nie nadają się do przenośnych elektronicznych systemów dźwiękowych. W przypadku większości potrzeb związanych ze wzmacnianiem dźwięku inżynierowie decydują się na użycie tranzystorów w trybie liniowym, aby stworzyć skalowane wyjście oparte na małym wejściu. To nie jest najlepsza konstrukcja dla wzmacniaczy audio, ponieważ tranzystory w pracy liniowej będą w sposób ciągły przewodzić, wytwarzać ciepło i zużywać energię. Ta utrata ciepła jest głównym powodem, dla którego tryb liniowy nie jest optymalny dla przenośnych aplikacji audio zasilanych bateryjnie. Tam są wiele klas wzmacniaczy audio A, B, AB, C, D, E i F. Są one podzielone na dwa różne tryby pracy, liniowy i przełączający.


Wzmacniacz klasy D.

Wzmacniacz klasy D.



Wzmacniacze mocy w trybie liniowym - klasa A, B, AB i klasa C to wszystkie wzmacniacze liniowe które mają wynik proporcjonalny do ich wkładu. Wzmacniacze w trybie liniowym nie nasycają się, całkowicie włączają się lub całkowicie wyłączają. Ponieważ tranzystory zawsze przewodzą, wytwarzane jest ciepło i stale pobiera energię. To jest powód, dla którego wzmacniacze liniowe mają niższą wydajność w porównaniu do wzmacniaczy przełączających. Wzmacniacze przełączające klasy D, E i F to wzmacniacze przełączające. Mają wyższą wydajność, która teoretycznie powinna wynosić 100%. Dzieje się tak, ponieważ nie ma strat energii na rozpraszanie ciepła.

Co to jest wzmacniacz klasy D?

Wzmacniacz klasy D jest wzmacniaczem przełączającym i gdy jest w stanie „ON”, przewodzi prąd, ale ma prawie zerowe napięcie na przełącznikach, dlatego ciepło nie jest odprowadzane ze względu na pobór mocy. Gdy jest w trybie „OFF”, napięcie zasilające będzie przekraczać tranzystory MOSFET ale ze względu na brak przepływu prądu przełącznik nie pobiera żadnej mocy. Wzmacniacz będzie pobierał energię tylko podczas przełączania wł. / Wył., Jeśli nie zostaną uwzględnione prądy upływowe. Wzmacniacz klasy D składający się z następujących etapów:

  • Modulator PMW
  • Obwód przełączający
  • Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy
Schemat blokowy wzmacniacza klasy D.

Schemat blokowy wzmacniacza klasy D.

Modulator PMW

Potrzebujemy bloku konstrukcyjnego obwodu znanego jako komparator. Komparator ma dwa wejścia, a mianowicie wejście A i wejście B. Gdy napięcie na wejściu A jest wyższe niż na wejściu B, wyjście komparatora osiągnie maksymalne napięcie dodatnie (+ Vcc). Kiedy napięcie na wejściu A jest niższe niż na wejściu B, wyjście komparatora osiągnie maksymalne napięcie ujemne (-Vcc). Poniższy rysunek przedstawia jak działa komparator we wzmacniaczu klasy D. Jedno wejście (niech to będzie zacisk wejścia A) jest zasilane sygnałem do wzmocnienia. Drugie wejście (Wejście B) jest zasilane precyzyjnie wygenerowaną falą trójkątną. Gdy poziom sygnału jest natychmiastowo wyższy niż fala trójkątna, sygnał wyjściowy jest dodatni. Gdy poziom sygnału jest chwilowo niższy niż fala trójkątna, sygnał wyjściowy staje się ujemny. Rezultatem jest łańcuch impulsów, w którym szerokość impulsu jest proporcjonalna do chwilowego poziomu sygnału. Jest to znane jako „Modulacja szerokości impulsu” lub PWM .

Modulator PMW

Modulator PMW

Obwód przełączający

Mimo że wyjście komparatora jest cyfrową reprezentacją wejściowego sygnału audio, nie ma on mocy do napędzania obciążenia (głośnika). Zadaniem tego obwodu przełączającego jest zapewnienie wystarczającego wzmocnienia mocy, co jest niezbędne dla wzmacniacza. Obwód przełączający jest generalnie zaprojektowany przy użyciu tranzystorów MOSFET. Bardzo ważne jest zaprojektowanie, aby obwody przełączające wytwarzały sygnały, które nie nakładają się, w przeciwnym razie napotkasz problem zwarcia zasilania bezpośrednio do masy lub jeśli używasz rozdzielonego zasilania, powodując zwarcie zasilania. Jest to znane jako przebicie, ale można temu zapobiec, wprowadzając nienakładające się sygnały bramek do tranzystorów MOSFET. Czas, który nie zachodzi na siebie, nazywany jest czasem martwym. Projektując te sygnały, musimy zachować jak najkrótszy czas martwy, aby utrzymać dokładny sygnał wyjściowy o niskim poziomie zniekształceń, ale musi być wystarczająco długi, aby oba tranzystory MOSFET mogły przewodzić w tym samym czasie. Czas, w którym tranzystory MOSFET są w trybie liniowym, również musi zostać skrócony, co pomoże zapewnić, że tranzystory MOSFET działają synchronicznie, a nie oba przewodzą w tym samym czasie.


W przypadku tego zastosowania należy zastosować tranzystory MOSFET mocy ze względu na przyrost mocy w projekcie. Wzmacniacze klasy D są używane ze względu na ich wysoką wydajność, ale tranzystory MOSFET mają wbudowaną diodę w korpusie, która jest pasożytnicza i umożliwia kontynuowanie swobodnego przepływu prądu w czasie przerwy. Diodę Schottky'ego można dodać równolegle do drenu i źródła MOSFET, aby zmniejszyć straty przez MOSFET. Zmniejsza to jego straty, ponieważ dioda Schottky'ego jest szybsza niż dioda korpusu tranzystora MOSFET, zapewniając, że dioda korpusu nie przewodzi w czasie martwym. Aby zmniejszyć straty spowodowane wysoką częstotliwością, dioda Schottky'ego równoległa do MOSFET jest praktyczna i konieczna. Ten Schottky zapewnia, że ​​napięcie na tranzystorach MOSFET przed wyłączeniem. Ogólne działanie tranzystorów MOSFET i stopnia wyjściowego jest analogiczne do działania synchronicznego przetwornica . Przebiegi wejściowe i wyjściowe obwodu przełączającego pokazano na poniższym rysunku.

Obwód przełączający

Obwód przełączający

Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy

Ostatnim stopniem wzmacniacza klasy D jest filtr wyjściowy, który tłumi i usuwa harmoniczne częstotliwości sygnału przełączającego. Można to zrobić za pomocą wspólnego układu filtra dolnoprzepustowego, ale najczęściej jest to kombinacja cewki indukcyjnej i kondensatora. Pożądany jest filtr drugiego rzędu, aby uzyskać spadek -40 dB / dekadę. Zakres częstotliwości odcięcia wynosi od 20 kHz do około 50 kHz ze względu na fakt, że ludzie nie słyszą niczego powyżej 20 kHz. Poniższy rysunek przedstawia filtr Butterwortha drugiego rzędu. Głównym powodem, dla którego wybraliśmy filtr Butterwortha, jest to, że wymaga on najmniejszej ilości komponentów i ma płaską odpowiedź z ostrą częstotliwością odcięcia.

Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy

Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy

Zastosowania wzmacniacza klasy D.

Jest bardziej odpowiedni dla urządzeń przenośnych, ponieważ nie zawiera żadnego dodatkowego układu radiatora. Tak łatwy do przenoszenia. Wysokiej mocy wzmacniacz klasy D stał się standardem w wielu zastosowaniach elektroniki użytkowej, takich jak

  • Telewizory i systemy kina domowego.
  • Elektronika użytkowa na dużą skalę
  • Wzmacniacze słuchawkowe
  • Technologia mobilna
  • Automobilowy

Chodzi więc o działanie i zastosowanie wzmacniaczy klasy D. Mamy nadzieję, że lepiej zrozumieliście tę koncepcję. Ponadto wszelkie zapytania dotyczące tej koncepcji lub wdrożenia dowolnego projekty elektryczne i elektroniczne , prosimy o wyrażenie opinii, komentując w sekcji komentarzy poniżej. Oto pytanie do Ciebie, Jakie są zastosowania wzmacniacza klasy D?