Простой усилитель класса Д

Тема: Усилители класса D.

Усилители класса D.

  • 1_.pdf (404,9 Кб, Просмотров: 22666)
  • 2_.pdf (888,8 Кб, Просмотров: 19612)
  • Просмотр профиля
  • Сообщения форума
  • Созданные темы

Re: Усилители класса D.

  • Просмотр профиля
  • Сообщения форума
  • Созданные темы

Re: Усилители класса D.

Вот читал о усях класса D более или менее, но у меня вот такие вопросы:
Усь интересует исключительно для саба с мощностью более кило.

1. Как себя ведут 2, 4 и более усей подключенных к одному БП, не будет типа переливов в звуке. И что надо сделать(подключить) чтоб этого не было применительно к вашим схемам (синхронизировать).
2. Как влияет соединительный шнур при подключенной и отключенной АС (ведь усь излучает нехило, ведь такая антенна будет да и радио будет забивать и тд.).
3. Какую макс. мощность можно выжать из ваших усей и как её можно поднять.
4. Какова защита.

(Ветку про класс D рекомендовать перечитать не надо ибо там чёрт ногу сломит).

  • Просмотр профиля
  • Сообщения форума
  • Созданные темы

Re: Усилители класса D.

Красиво в клип входит (выходит).
На симуляторе в режиме моста (там где амплитуда 180В)?
С DT проблем не было, сквозняки не гуляли?

да чуть не забыл, осцилограммы под нагрузкой снимались?

  • Просмотр профиля
  • Сообщения форума
  • Домашняя страница
  • Созданные темы

Re: Усилители класса D.

  • Просмотр профиля
  • Сообщения форума
  • Домашняя страница
  • Созданные темы

Re: Усилители класса D.

Сообщение от alex-pab

Здесь представлены усилители, не претендующие на высокое качество.
У меня есть более совершенные разработки, но они трудны для понимания и на данный момент представляют коммерческую тайну. По поводу глубокой обратной связи. Усилители с таким видом модуляции свободны от недостатка, удвоения ошибки. Запас по фазе так же не имеет особого значения, ведь фаза уже перевёрнута, на несущей частоте.
Сдвиг фазы и скорость нарастания выходного напряжения, имеют иной смысл и мало влияют на звук, по причине отсутствия удвоения ошибки. Конечно, всё это сложно понять без математических расчётов, но если отталкиваться от стандартной теории усилителестроения, класс D должен очень грязно звучать, а в действительности всё не так.
Я мог бы дать более полную информацию по усилителям этого типа, но у меня не хватает времени. Может через месяц, дам теоретические выкладки.

Добавлено через 9 минут

Сообщение от awtoap

Вот читал о усях класса D более или менее, но у меня вот такие вопросы:
Усь интересует исключительно для саба с мощностью более кило.

1. Как себя ведут 2, 4 и более усей подключенных к одному БП, не будет типа переливов в звуке. И что надо сделать(подключить) чтоб этого не было применительно к вашим схемам (синхронизировать).
2. Как влияет соединительный шнур при подключенной и отключенной АС (ведь усь излучает нехило, ведь такая антенна будет да и радио будет забивать и тд.).
3. Какую макс. мощность можно выжать из ваших усей и как её можно поднять.
4. Какова защита.

(Ветку про класс D рекомендовать перечитать не надо ибо там чёрт ногу сломит).

При подключении к разным обмоткам, переливов нет, при общем питании есть.
Излучения в выходном проводе, имеют малую мощность по причине низкой частоты первой гармоники 200кГц. остальные гармоники имеют малый вес. длинна волны большая а провод 2 жилы экранирует излучения. Излучения в сеть довольно высоки, требуется фильтр.
Выходная мощность в схеме 2.pdf ограничена только транзисторами и доп напряжением ir2010. Защита варианта 2 проиллюстрированна, сжечь невозможно.

Добавлено через 11 минут

Сообщение от Bender

Красиво в клип входит (выходит).
На симуляторе в режиме моста (там где амплитуда 180В)?
С DT проблем не было, сквозняки не гуляли?

да чуть не забыл, осцилограммы под нагрузкой снимались?

Это не режим моста, просто схема не расчитана на 2 ома, срабатывает защита от перегрузки по току. Сквозных токов не наблюдал.
Графики и синус ограниченный, это не симулятор а реальные измерения с помощью компа.
Измерения на 4 Ом.

Добавлено через 2 минуты

Сообщение от SinteZ

Внимательно читайте. По желанию заказчика, нижний диапазон ограничен фильтром второго порядка. Верхние частоты обрезаны фильтром 3 го. Порядка, для исключения проникновения на вход помех, наводимых в сеть.

Добавлено через 6 минут

Сообщение от SinteZ

По желанию заказчика, нижний диапазон ограничен фильтром второго порядка. Верхние частоты обрезаны фильтром 3 го. Порядка, для исключения проникновения на вход помех, наводимых в сеть.
На схеме нет предварительного усилителя и фильтров.

Усилитель Д класса: режим работы выходного каскада

Усилитель Д класса-01

Усилитель Д класса, что это такое и какова особенность его работы. В принципе, усилители D класса часто называют цифровым либо импульсный УНЧ. Собрать его может даже начинающий радиолюбитель, конечно с определенным опытом в электронике. Нужно сразу сказать, что эффективность у него в самом деле высокая, при этом теплоотвод только чуть теплый!

Вообще то, данная статья предназначена для радиолюбителей, у который еще небольшие знания в создании усилителя Д класса. Поэтому, мы сначала вкратце расскажем как такие усилители работают, особенно их выходной каскад.

Что такое усилитель Д класса

В ответе на такой вопрос нет ничего сложного. Просто схемотехника усилителя класса D построена таким образом, что его оконечный тракт работает в режиме ключа. Чтобы было легче воспринять эту информацию и понять принцип его работы, для этого мы поясним на примере усилителя класса AB.

Такие аппараты, как правило имеют невысокую выходную мощность и работают в качестве линейного устройства. В усилителях с импульсным источником питания, мощные полевые транзисторы (MOSFET) выполняют функции переключателей. Тоесть, в определенный момент открывают и закрывают переходы транзистора затвор, сток и исток.

Для сравнения, ниже показаны две схемы включения транзисторов — первая включение биполярного транзистора структуры NPN, другая выполняет переключение полевого транзистора.

Схема включения и отключения транзистора NPN:

А это схема работы полевого транзистора:

Такой принцип действия, гарантирует довольно высокую производительность полупроводниковых приборов, в пределах 96 процентов. Из этого следует, что выходной каскад усилителя Д класса дает много тепловой энергии. Поэтому нет необходимости устанавливать радиатор с большой площадью рассеивания тепла.

В этом есть существенное отличие от усилителей класса АВ, работающих в линейном подключении. Для примера можно взять усилитель В класса, который способен обеспечить производительность не более 78 процентов, к тому же, это только теоретически. Ниже показана структурная схема УМЗЧ D класса, или как еще говорят, усилителя с ШИМ-контроллером.

Усилитель Д класса-1

Принцип работы усилителя класса Д

Работа усилителя класса D заключается в следующем. Используя компаратор, входящий импульс переходит в форму прямоугольного вида (меандр). Из этого следует: входящая информация зашифрована в отношении пиковой мощности прямоугольной импульсной установки, называемой скважностью. Импульс прямоугольной формы начинает усиливаться, а далее поступает на фильтр низкой частоты. После этого формируется сигнал близкий по форме к выходящему аналоговому аудиосигналу.

Есть и другой порядок формирования сигнала в импульсы, например: Сигма-дельта-модулятор, но в данном случае мы воспользуемся наиболее простой Широтно-импульсной модуляцией.

На представленном ниже графике показано преобразование входящего сигнала синусоидальной формы в периодический прямоугольный, при этом сопоставляя его с пилообразным сигналом.

Во время размаха пиковой амплитуды положительной полярности, скважность меандра будет сто процентов, а отрицательный максимальный размах составляет ноль процентов. В действительности частота сигнала пилообразной формы во много раз выше, и находится в пределах нескольких сот килогерц. Частотный фильтр не совсем безупречный, следовательно, нужен сигнал пилообразной формы имеющий частоту в десять и более раз выше пиковой 2000 Гц.

Читайте также  Нож из дисковой пилы

Схема УНЧ Д класса

Усилитель Д класса-3

После того, как мы немного ознакомились с особенностями работы усилителя звука класса D, теперь можно попытаться своими силами собрать этот аппарат. Мощные выходные мосфеты желательно установить IRF540N либо IRFB41N15D. Такие полевые ключи обладают малым зарядом затвора, обеспечивающего моментальное переключение.

Вместе с тем, они имеют небольшое значение сопротивления перехода, которое уменьшает потребление электроэнергии. Кроме этого, вы должны быть уверены, что полевой транзистор расчитан на высокое рабочее напряжение перехода сток-исток. Конечно можно применить и N-канальный МОП-транзистор IRF640N, но у него сопротивление перехода RDS(on) гораздо выше. А это может сказаться на эффективности.

Усилитель Д класса-4

Выше показана таблица, дающая сравнительное представление характеристик данных МОП-транзисторов;

Для компоновки печатной платы радио-элементами можно применять SMD-детали, также взамен микросхемы IR2110 можно попробывать IR2011S. Может такое случится, что сразу усилитель не «заведется», но когда это все-таки случится и вы послушаете его звучание, то убедитесь, что время потратили не зря!

Легендарные усилители: «холод» ламп без трансформатора, DIY-компиляции, десятилетия мучений с классом «Д»

Как я и обещал, мы продолжим цикл о легендарных усилителях прошлого и настоящего. На этот раз мы опишем непростую судьбу УМЗЧ класса D, оригинальные разработки в области ламповой схемотехники, не обойдём стороной и DIY-наборы для тех чьи руки выросли из туловища.

Futterman H3 OTL – нужно просто выбросить выходной трансформатор

Начнём по традиции с самой «тёплой» в ламповом отношении эпохи, с 50-х в США, где в губернском городе Нью-Йорке, изобретатель Юлиус Футтерман (Julius Futterman) разработал один из наиболее оригинальных ламповых усилителей своего времени. В 1954-м на свет появился ламповый УМЗЧ Futterman H3 OTL, особенностью которого стало отсутствие выходного трансформатора.

В оригинальной схемотехнике усилителя Футтермана катодный резистор фазоинвертора соединялся не с землей, а с выходом усилителя. 100%-ная ООС катодного повторителя Futterman H3 OTL компенсировалась 100%-ной ПОС через катодный резистор фазоинвертора. Интересно, что уникальную для того времени (и высоко оцененную потомками) схему разработал не профессиональный инженер, а радиолюбитель-самоучка.

Причиной необходимости в оригинальном решении было то, что около 30-35 % себестоимости ламповых усилителей тех лет приходилась на выходной трансформатор. Что было крайне существенным фактором, учитывая, что первые усилители производились вручную.

Благодаря конструкторскому решению цена усилителя стала немногим выше стоимости наборов для самостоятельной сборки и составила около $ 180 – 200, что сегодня с учетом инфляции является эквивалентом $ 1600 — 1800. Помимо существенного удешевления продукта инновация избавила УМЗЧ от (так любимой некоторыми аудиофилами и гитаристами) характерной «тёплой» окраски звука.

Следует отметить, что сравнительно небольшая стоимость усилителя соседствовала с почти уникальными для того времени характеристиками.

  • Диапазон воспроизводимых частот: 7 Гц (!) до 55 кГц
  • RMS: 90 Вт
  • IMD: 0,1 % (1 Вт, 1 Ом)
  • Коэффициент гармоник: 0,1%
  • Выходное сопротивление: 0,6 Ом

Футтерман запатентовал устройство, а лицензии продал нескольким американским компаниям в 1961-м году. Лицензионные усилители по схеме Футермана производились до начала 70-х годов и стоили значительно дороже оригинала. На протяжении 60-х и 70-х изобретатель совершенствовал схемотехнику ламповых усилителей.

В 1984 году, уже после смерти Футермана, компанией New York Audio Labs был выпущен, разработанный при его участии, один из самых дорогих усилителей своего времени (для электростатических акустических систем), стоявший $12 000 (около $26 000 сегодня с учетом инфляции). Среди сравнительно свежих разработок, использующих наследие Футтермана, можно выделить оригинальное устройство итальянца Андреа Циуффоли (схема приведена ниже).

Heathkit amps — DIY для меломана и музыканта

Heathkit — одни из передовиков ламповых конструкторов для любителей канифольной дымки. Компания, основанная в 40-е, приобрела популярность в 60-е, на волне интереса к самостоятельной сборке устройств. Фактически все продукты компании стали культовыми в среде людей увлеченных DIY. В отличие от Dynaco, Heathkit создавали многоцелевые конструкторы, с различными наборами шасси и радиодеталей.

Комплекты и модели менялись достаточно часто, что также существенно рознит эти устройства с «макинтошем для бедных». Пик популярности наборов Heathkit приходится на середину 60-х, когда приобретение качественного усилителя предполагало затраты сравнимые со стоимостью среднего автомобиля.

Все деревянные детали (набор ручек, шасси и т.п.) входили в базовую комплектацию. Гитарные варианты heathkit иногда предполагали включение дополнительных бонусов: излучателей и деталей корпуса для создания комбо. Интересно, что для создания гитарных наборов компания активно применяла транзисторные схемы. Такой подход был не слишком популярен в 60-х (теплый ламповый тренд в гитарном усилении был силён), но позволял приобрести дешевое гитарное оборудование небогатым начинающим музыкантам.

В зависимости от назначения устройства, пользователь волен был выбрать тот или иной комплект. Например, были наборы для гитарного усиления, воспроизведения музыки, в том или ином наборе разнилась мощность УМЗЧ. Характеристики устройства приводить смысла не имеет, так как они разнятся в зависимости от конкретной модели, при этом подавляющее большинство авторов сходятся на том, что эти усилители вполне соответствовали HI-fi классу, а гитарные комбо Heathkit составляли конкуренцию аналогичным моделям Fender и VOX того периода.

Класс D: КПД vs искажения

Легендарными в среде инженеров считаются усилители класса D, попытки создать которые начались ещё в 50-х. Сама идея УМЗЧ с импульсным управлением, выходными лампами приписывается 2-м авторам, нашему соотечественнику Дмитрию Васильевичу Агееву (1951 год) и Алеку Ривзу из Соединенного Королевства (1951 год). Однако, говорить о том, что инновационные концепции смелых инженеров мгновенно стали широко востребованными на рынке не приходится.

Внезапно начавшаяся эра транзисторов для попыток создания годного УМЗЧ class D не привела к ожидаемым результатам. «Принцип неисчерпаемых возможностей КПД», заложенный советским инженером Агеевым и его британским коллегой, долгое время оказывался неприступным даже для специалистов таких компаний как SONY, PHILIPS, Marantz, Matsusita Electric. Вплоть до 80-х ничего прилично звучащего и коммерчески успешного в классе D создать не удавалось. Ситуация поменялась к середине 80-х, когда на рынке радиодеталей появились МДП-транзисторы.

Не смотря на ограниченную популярность, усилители D-класса того времени тоже нельзя назвать сверхмассовым продуктом. Для потребителя концепция класса D успела утратить привлекательность к концу 80-х, главным образом в связи с неудачами их несовершенных предшественников.

Как повествует Википедия, основными проблемами усилителей класса D были и, в какой-то степени, остаются:

Пожалуй, самым заметным представителем класса D стал один из первых цифровых усилителей, дотягивающих до показателей HI-FI — Tripath TA2020, серийное производство которого было запущено в 1999 году. Дело в том, что, в связи с неизбежной необходимостью в устранении искажений, принцип аналоговой модуляции оказался малопривлекательным.

Некоторые инженеры ставят под сомнение заявленные характеристики Tripath TA2020 и их соответствие стандартам HI-FI. Предлагаю читателям самим оценить показатели качества на примере 20-ти ваттного усилителя для авто, созданного на базе TA2020:

  • RMS: 2 х 20 Вт 4ohm, 2×12 Вт 8ohm
  • Соотношение сигнал-шум (SNR): 98дб
  • Динамический диапазон: 98дб
  • IMD: 0.1% 1 Вт, 4ohm
  • THD: 0.03% 9 Вт, 4ohm, 0.1% — 10 Вт ом, 0.1% — 6 Вт 8ohm, 10% — 23 Вт ом, 10% 13 — Вт 8ohm
  • Энергоэффективность: 81% 20 Вт, ом, 88% 12 Вт, 8ohm
  • Чувствительность входа: 200mV
Читайте также  Сварочный аппарат на 200 А из микроволновок

И всё это счастье при цене от $20 до 60.

Микросхема, на основе которой создан усилитель, была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.

Компания Tripath, выпустившая инновационный усилитель, с целью привлечения внимания к продукту придумала даже новый класс, объявив свое устройство усилителем класса T (хотя принцип работы девайса соответствовал классу D).

Несмотря на маркетинговые усилия,«креативы» с классификацией, Tripath не выдержали конкуренции с более мощными игроками и исчезли с рынка в 2007-м году. Бесславный и тихий конец этой компании никак не умаляет заслуг разработчиков, которые создали, вероятно, единственный действительно легендарный усилитель класса D.

Простой усилитель класса Д

СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций и компонентов

Главная — Статьи — Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Вступление: принцип работы усилителей класса D и их основное достоинство — большой КПД

Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).

Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.

Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.

Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET- транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.

упрощенная блок-схема усилителя класса D

(упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended) , изображение из Википедии, автор — Yves-Laurent)

В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.

Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:

— транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;

— транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.

В обоих состояниях рассеиваемая транзистором мощность оказывается малой, в отличие от усилителей класса AB , где типичной является работа в режиме "большой ток и большое напряжение" на транзисторах выходного каскада.

Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).

На следующей осциллограмме приведены напряжение на выходе усилителя Д-класса (чип TDA3255) до фильтра (ШИМ) и после фильтра. Режим работы усилителя — SE (Single Ended , т.е. не мостовой):


(изображение из обзора усилителя D- класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255 )

Частота ШИМ в большинстве распространённых микросхем усилителей D- класса задаётся внутренним генератором и составляет 400 кГц — 1.2 МГц.

В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.

Основной источник потерь — "остаточное" напряжение на выходных транзисторах в открытом состоянии: оно — небольшое, но оно всё-таки существует и в сочетании с высоким током может рассеивать до 10% мощности, забираемой от источника питания (типовая величина потерь — около 5%).

Высокому КПД сопутствуют и другие достоинства усилителей класса D , вытекающие из факта высокого КПД.

Во-первых, такому усилителю требуется гораздо меньший теплоотвод, чем для усилителей класса AB. При выходной мощности до 10 Ватт, как правило, теплоотвод вообще не требуется (иногда — до 15 Ватт).

Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.

В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.

Отсутствие искажений типа "ступенька"

Кроме высокого КПД, у усилителей класса D полностью отсутствует такой недостаток усилителей класса AB , как искажения типа "ступенька".

В усилителях класса "B " такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал "зависает" на нуле:

Искажения типа "ступенька" в усилителях класса B и AB

В усилителях класса "AB" такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического "сближения" уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.

В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса "AB" этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может "звенеть" одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.

Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):


(изображение из обзора усилителя на TDA2050 )

Частота "звона" выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.

В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.

Недостатки усилителей D- класса

Итак, с "плюсами" усилителей класса D разобрались.

Пора заняться и минусами!

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).

Причина этого — элементарна. Если Вы ещё раз посмотрите на схему выходного фильтра усилителя (в начале статьи), то увидите, что он представляет собой, по существу, колебательный контур.

При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.

Для сравнения рассмотрим АЧХ усилителя класса D на микросхеме TDA7498 (обзор) с резистивной нагрузкой 8 Ом; и затем — совсем без нагрузки.

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).

Итак, АЧХ усилителя класса D с нагрузкой 8 Ом в диапазоне 10 Гц — 20 кГц:

АЧХ усилителя класса D с нагрузкой 8 Ом

Теперь — АЧХ того же усилителя без нагрузки в том же диапазоне (10 Гц — 20 кГц):

АЧХ усилителя класса D без нагрузки

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

2. Коэффициент демпфирования усилителей D- класса ниже, чем у усилителей класса AB.

Коэффициент демпфирования ( Damping factor , Демпинг-фактор ) — это отношение сопротивления нагрузки (акустической системы) к выходному сопротивлению усилителя (к которому плюсуется также и сопротивление кабеля от усилителя к колонкам).

Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.

В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.

В усилителях класса D на выходах присутствуют фильтры, не участвующие в цепи обратной связи, и там коэффициент демпфирования не может быть столь большим, как в усилителях класса AB .

Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.

Омическое сопротивление фильтра — очень небольшое, менее 0.1 Ом. Но при неудачной конструкции усилителя оно может увеличиваться за счет нагрева (

Читайте также  Мобиль из фетра

0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт "саморазогрева" при протекании тока в нагрузку.

Индуктивное сопротивление (импеданс) фильтров увеличивается прямо пропорционально частоте по формуле XL = 2∏fL, где f- частота, L — индуктивность, XL — импеданс.

Например, для микросхемы TDA7498 согласно datasheet (PDF) рекомендуется устанавливать в каждое плечо мостового выхода индуктивность 22 мкГн (микрогенри); итого общая индуктивность — 44 мкГн.

Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.

Существуют и усилители D- класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.

Такое построение усилителей D- класса допускается, если мощность — не велика (обычно до 5 Ватт), а длина проводов до динамиков (колонок) — небольшая; и создаваемые радиопомехи в таком случае будут слабыми.

Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.

Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.

В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.

3. Линейность усилителей D- класса может оказаться хуже, чем у усилителей класса AB.

Это связано с тем, что внутри усилителя имеется генератор пилообразного напряжения, с которым сравнивается входное напряжение для формирования выходных импульсов ШИМ. Если сформированное пилообразное напряжение будет иметь нелинейности, то они напрямую передадутся на вход.

Ещё один возможный источник нелинейности — выходные LC- фильтры (при их наличии). Нелинейными могут оказаться как индуктивности, так и ёмкости; но индуктивностей это больше касается (зависит от качества использованного феррита).

4. Помехи от источника питания могут передаваться на выход

Обычно микросхемы усилителей класса D имеют системы подавления помех от источника питания; но из-за физических принципов работы усилителей D- класса такое подавление не может быть полным.

Это связано с тем, что выходные ключевые транзисторы в течение времени нахождения в открытом состоянии фактически замыкают собой выход усилителя на источник питания. В течение этого времени помеха от источника питания сразу попадает на выход. Мера борьбы — очевидная: улучшение фильтрации напряжения питания.

Итоги и выводы

Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).

С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.

Некоторый "плюс" усилителей класса Д в отношении качества звука (в виде полной ликвидации искажений типа "ступенька") вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.

Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.

Окончательный итог: улучшение КПД (с перечисленными его последствиями) можно считать главным и единственным изменением в работе усилителей класса D по сравнению с "добрыми старыми" усилителями класса AB .

Дополнительные материалы:

Вступайте в группу SmartPuls.Ru Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

Ваш Доктор.


Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам

В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов — в Ваших же интересах!

Усилитель D-класса на микроконтроллере

Усилитель D-класса

Усилители D-класса очень просты в изготовлении, обладают высоким КПД и позволяют получить большие мощности при малых затратах. Они используют ключевые режимы работы выходных каскадов, превращая сигнал в последовательность мощных импульсов, которые затем, проходя через фильтр, частью которого может быть сам динамик или аккустическая система, освобождаются от высокочастотных составляющих, превращаясь в звук.

Наш американский коллега болгарского происхождения, Руслан Димитров, разработал усилитель мощностью 70 Вт при питании всего 12 вольт, причем поступил крайне нестандартно: в качестве основного элемента усилителя он применил микроконтроллер attiny45.

Выходные транзисторы, включенные по мостовой схеме, не нуждаются в радиаторах, в схеме нет никаких обратных связей. Мощность ограничена двумя факторами:

  1. точность цифрового тракта. увеличение усиления в «цифре» снизит качество при малых уровнях.
  2. ток стока MOSFET. применены транзисторы на 6 ампер, что дает в идеале 144 Вт мощности на нагрузке 4 Ом, или 72 Вт на нагрузке 2 Ома.

Для управления мостовым выходным каскадом использованы два имеющихся в микроконтроллере attiny45 аппаратных 8-битных ШИМ-модуля. На полной мощности используются все 8 бит, что дает весьма неплохое качество звука, однако на малых мощностях происходит резкое ухудшение, ведь при мощности 1% от максимальной реально используется всего 2 бита!

Чтобы обойти эту проблему, автор использовал прием, давно применяемый в компьютерной графике, называемый размазыванием (dithering). В графике таким способом получат визуально более богатую палитру изображения путем определенного перемешивания пикселей более бедной палитры (кстати, автор работает в компании nVidia — это о чем-то да говорит!). Руслан счел, что этот прием даст положительный эффект и для звука, и, по его словам, не ошибся.

Реализацию этого метода он сделал путем несимметричного управления плечами выходного моста: одно плечо управляется непосредственно ШИМ-сигналом, получаемым из АЦП водного сигнала, а вот второе плечо управляется «размазанным» ШИМ-сигналом. Рисунок поясняет сказанное.

Принцип

Автор утверждает, что этот прием на слух дает очень заметный эффект: отказ от размазывания дает очень искаженный звук на малых сигналах.

Схема усилителя D-классаСхема приведена на следующем рисунке (кликабельно). Как видите, она очень проста и практически не нуждается в пояснениях. Автор использовал светодиоды в качестве стабилитронов — это возможно, хотя и с моей точки зрения не является необходимым.

L1C4 — это выходной фильтр. Индуктивность образована 6 витками толстого провода на кольце из блока питания компьютера. Выходной ШИМ работает на частоте 64 КГц, по которой и можно провести расчет выходного фильтра. R9C6 это входной фильтр, необходимый для качественной работы АЦП микроконтроллера, работающего на частоте 78 КГц. Исходный текст управляющей программы очень прост, скачать его можно с нашего сайта.

Усилитель собран на макетной плате, т.е. печатная не разрабатывалась. При повторении, с моей точки зрения, следует разработать печатную плату, тщательно разделив цепи силового питания и земли от слаботочной части схемы — входа и микроконтроллера. Очевидно, светодиоды в схеме моста можно заменить на стабилитроны, а для питания микроконтроллера использовать обычный стабилизатор на микросхеме 7805 или аналогичной. Автор не имеет приборов для измерения параметров качества звука, но утверждает, что на слух усилитель звучит весьма достойно — он применил его для фронтальных колонок своего автомобиля.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: