În această lume modernă, scopul principal al amplificării audio într-un sistem audio este de a reproduce și amplifica cu precizie semnalele de intrare date. Iar una dintre cele mai mari provocări este de a avea o putere de ieșire ridicată, cu o pierdere de energie cât mai mică posibil. Tehnologia amplificatorului de clasă D are un impact din ce în ce mai mare asupra lumii sunetului live, oferind o putere mare cu disipare zero a puterii și o greutate mai mică decât oricând. În zilele noastre, dispozitivele de muzică portabile devin din ce în ce mai populare odată cu creșterea cererii de sunete externe în dispozitivele de muzică portabile.
Amplificarea audio se face uneori cu tehnologia amplificatorului cu tub, dar acestea sunt de dimensiuni voluminoase și nu sunt potrivite pentru sistemele de sunet electronice portabile. Pentru majoritatea nevoilor de amplificare audio, inginerii aleg să folosească tranzistoarele în modul liniar pentru a crea o ieșire la scară bazată pe o intrare mică. Acesta nu este cel mai bun design pentru amplificatoare audio, deoarece tranzistoarele în funcțiune liniară vor conduce continuu, vor genera căldură și vor consuma energie. Această pierdere de căldură este principalul motiv pentru care modul liniar nu este optim pentru aplicațiile audio portabile cu baterii. Sunt multe clase de amplificatoare audio A, B, AB, C, D, E și F. Acestea sunt clasificate în două moduri de operare diferite, liniare și de comutare.
Amplificator Clasa D.
Amplificatoare de putere în modul liniar - Clasa A, B, AB și clasa C sunt amplificatoare de mod liniar care au o ieșire proporțională cu intrarea lor. Amplificatoarele de mod liniar nu se saturează, nu pornesc complet sau nu se opresc complet. Deoarece tranzistoarele sunt întotdeauna conductoare, căldura este generată și consumă continuu energie. Acesta este motivul pentru care amplificatoarele liniare au o eficiență mai mică în comparație cu amplificatoarele de comutare. Amplificatoare de comutare Clasa D, E și F sunt amplificatoare de comutare. Au o eficiență mai mare, care teoretic ar trebui să fie de 100%. Acest lucru se datorează faptului că nu există pierderi de energie la disiparea căldurii.
Ce este un amplificator de clasă D?
Amplificatorul de clasa D este un amplificator de comutare și atunci când este în starea „ON” va conduce curent, dar are tensiune aproape zero pe întrerupătoare, prin urmare nu se disipează căldură din cauza consumului de energie. Când este în modul „OFF”, tensiunea de alimentare va fi traversată MOSFET-urile , dar din cauza lipsei de curent, comutatorul nu consumă energie. Amplificatorul va consuma energie numai în timpul tranzițiilor de pornire / oprire dacă nu sunt luați în considerare curenții de scurgere. Amplificator de clasă D format din următoarele etape:
- Modulator PMW
- Circuit de comutare
- Ieșire filtru lowpass
Diagrama bloc a amplificatorului de clasă D.
Modulator PMW
Avem nevoie de un bloc de construcție al circuitului cunoscut sub numele de comparator. Un comparator are două intrări, și anume intrarea A și intrarea B. Când intrarea A este mai mare ca tensiune decât intrarea B, ieșirea comparatorului va merge la tensiunea sa maximă pozitivă (+ Vcc). Când intrarea A este mai mică ca tensiune decât intrarea B, ieșirea comparatorului va merge la tensiunea sa maximă negativă (-Vcc). Figura de mai jos arată modul în care funcționează comparatorul într-un amplificator de clasă D. O singură intrare (să fie terminalul de intrare A) este furnizată împreună cu semnalul care urmează să fie amplificat. Cealaltă intrare (intrarea B) este furnizată cu o undă triunghiulară generată precis. Când semnalul este instantaneu mai ridicat decât nivelul triunghiului, ieșirea devine pozitivă. Când semnalul este instantaneu mai scăzut ca unghi triunghiular, ieșirea devine negativă. Rezultatul este un lanț de impulsuri în care lățimea impulsului este proporțională cu nivelul instantaneu al semnalului. Acest lucru este cunoscut sub numele de „Modulare a lățimii pulsului” sau PWM .
Modulator PMW
Circuit de comutare
Chiar dacă ieșirea comparatorului este o reprezentare digitală a semnalului audio de intrare, nu are puterea de a conduce sarcina (difuzorul). Sarcina acestui circuit de comutare este de a asigura suficient câștig de putere, care este esențial pentru un amplificator. Circuitul de comutare este în general proiectat utilizând MOSFET-uri. Este foarte crucial să se proiecteze ca circuitele de comutare să producă semnale care nu se suprapun sau altfel să întâmpinați problema scurtcircuitării alimentării direct la masă sau dacă utilizați o sursă divizată care scurtcircuită alimentarea. Acest lucru este cunoscut sub numele de shoot through, dar poate fi prevenit prin introducerea de semnale de poartă care nu se suprapun la MOSFET-uri. Timpul care nu se suprapune este cunoscut sub numele de Timp mort. La proiectarea acestor semnale trebuie să menținem timpul mort cât mai scurt posibil pentru a menține un semnal precis de ieșire cu distorsiune redusă, dar trebuie să fie suficient de lung pentru a menține ambele MOSFET-uri să conducă în același timp. Timpul în care MOSFET-urile sunt în modul liniar trebuie, de asemenea, redus, ceea ce va ajuta la asigurarea faptului că MOSFET-urile funcționează sincron, mai degrabă decât ambele conducând în același timp.
Pentru această aplicație, MOSFET-urile de putere trebuie utilizate datorită câștigului de putere din proiectare. Amplificatoarele de clasa D sunt utilizate pentru eficiența lor ridicată, dar MOSFET-urile au o diodă corporală încorporată, care este parazită și va permite curentului să continue roata liberă în timpul mort. O diodă Schottky poate fi adăugată în paralel cu scurgerea și sursa MOSFET pentru a reduce pierderile prin MOSFET. Acest lucru îi reduce pierderile deoarece dioda Schottky este mai rapid decât dioda corpului MOSFET, asigurându-se că dioda corpului nu se comportă în timpul mort. Pentru a reduce pierderile datorate frecvenței ridicate, o diodă Schottky în paralel cu MOSFET este practică și necesară. Acest Schottky se asigură că tensiunea de pe MOSFET-uri înainte de oprire. Funcționarea generală a MOSFET-urilor și stadiul de ieșire este analogă cu funcționarea unui sincron Convertor Buck . Formele de undă de intrare și ieșire ale circuitului de comutare sunt prezentate în figura de mai jos.
Circuit de comutare
Filtru de ieșire low pass
Etapa finală a unui amplificator de clasă D este filtrul de ieșire care atenuează și elimină armonicele frecvenței semnalului de comutare. Acest lucru se poate face cu un aranjament comun de filtru trece jos, dar cel mai frecvent este o combinație de inductori și condensatori. Este necesar un filtru 2ndorder, astfel încât să avem un roll-off de -40dB / Decade. Gama de frecvențe de întrerupere este cuprinsă între 20 kHz și aproximativ 50 kHz datorită faptului că oamenii nu pot auzi nimic peste 20 kHz. Figura de mai jos prezintă filtrul Butterworth de ordinul doi. Motivul principal pentru care alegem un filtru Butterworth este acela că necesită cea mai mică cantitate de componente și are un răspuns plat cu o frecvență de tăiere ascuțită.
Filtru de ieșire low pass
Aplicații ale amplificatorului de clasă D.
Este mai potrivit pentru dispozitivele portabile, deoarece nu conține niciun aranjament suplimentar pentru radiator. Atât de ușor de transportat. Amplificatorul de înaltă clasă D a devenit standard în multe aplicații electronice de larg consum, cum ar fi
- Televizoare și sisteme home-theater.
- Electronice de mare volum pentru consumatori
- Amplificatoare pentru căști
- Tehnologie mobilă
- Automobile
Astfel, este vorba despre funcționarea și aplicațiile amplificatoarelor de clasa D. Sperăm că ați înțeles mai bine acest concept. În plus, orice întrebări referitoare la acest concept sau pentru a pune în aplicare oricare proiecte electrice și electronice , vă rugăm să ne dați feedback comentând în secțiunea de comentarii de mai jos. Iată o întrebare pentru tine, Care sunt aplicațiile amplificatorului de clasă D?
