Схема усилителя класса d 4500вт на драйвере ir2110

Содержание

Особенности

Разберемся, что же мы получаем в лице класса G и H с пользовательской точки зрения. Первое — это сочетание компактности, энергоэффективности и классического характера звучания. Если хочется мускулистого, но не слишком прожорливого усилителя, а класс D не устраивает по идеологическим причинам, классы G и H — ваш выбор. Привычный характер класса АВ, дополненный динамикой и мощью класса D, к вашим услугам.

Второе преимущество не столь очевидно, но, в действительности, более значительно. Имея солидный запас энергии, усилители классов G и H лучше справляются со сложной нагрузкой. Такой аппарат куда спокойнее реагирует на акустику с низкой чувствительностью или модели, требующие высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

История

Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность. Но для того, чтобы без потерь отработать редко встречающиеся в музыке динамические всплески, требующие большой отдачи энергии, усилитель приходится держать в режиме высокой мощности постоянно. В то же время из соображений экономии было бы неплохо, если бы блок питания усилителя работал на полную лишь в те моменты, когда это требуется для отработки громких звуков, а все остальное время потреблял меньше энергии от сети.

Над этой задачей думало немало инженеров середины ХХ века, но первым решил ее в 1964 году сотрудник NASA Мануэль Крамер. Он разработал схемотехнику, в которой усилитель имеет несколько шин питания, и их переключение меняет мощность (и энергопотребление) усилителя в зависимости от того, какова величина громкости входящего сигнала.

Первое практическое применение схемотехнике класса G нашли инженеры Hitachi, наладившие серийный выпуск усилителей такого типа в 1977 году. Именно в тот момент и появилось само понятие «класс G». Аналогичную схему в 1981 году реализовал небезызвестный Боб Карвер и дал своему детищу другое маркетинговое название — «класс H», на некоторое время закрепившееся в американской прессе. Несколько позже схема пережила существенное усовершенствование и появился тот вариант, который сейчас и называют классом H, а все предыдущие вариации, включая то, что изначально делал Боб Карвер, были объединены под названием «класс G».

Модуляция сигнала

Двухуровневая форма волны получается с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), модуляции плотности импульсов (иногда называемой частотно-импульсной модуляцией), управления скользящим режимом (в торговле более часто называемой «автоколебательной модуляцией») или дискретной — временные формы модуляции, такие как дельта-сигма модуляция .

Самый простой способ создания сигнала ШИМ — использовать высокоскоростной компаратор (« C » на блок-схеме выше), который сравнивает высокочастотную треугольную волну с аудиовходом. Это генерирует серию импульсов, рабочий цикл которых прямо пропорционален мгновенному значению аудиосигнала. Затем компаратор управляет драйвером затвора МОП, который, в свою очередь, управляет парой мощных переключателей (обычно полевых МОП-транзисторов ). Это дает усиленную копию ШИМ-сигнала компаратора. Выходной фильтр удаляет высокочастотные переключающие компоненты сигнала ШИМ и восстанавливает аудиоинформацию, которую может использовать динамик.

Усилители на основе DSP, которые генерируют сигнал ШИМ непосредственно из цифрового аудиосигнала (например, SPDIF ), либо используют счетчик для измерения длительности импульса, либо реализуют цифровой эквивалент модулятора на основе треугольника. В любом случае временное разрешение, обеспечиваемое практическими тактовыми частотами, составляет всего несколько сотых периода переключения, что недостаточно для обеспечения низкого уровня шума. Фактически, длина импульса квантуется , что приводит к искажению квантования . В обоих случаях отрицательная обратная связь применяется внутри цифровой области, образуя формирователь шума, который имеет более низкий уровень шума в слышимом диапазоне частот.

Общие принципы устройства усилителя

Если в двух словах, то усилитель состоит из последовательности каскадов усиления, соединенных между собой. Хотя бывают и однокаскадные усилители. Каскад усиления представляет собой ступень усилителя, состоящую из одного или нескольких усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с другими ступенями. Усилительные элементы могут быть представлены электронными лампами, транзисторами и даже туннельными диодами.

Помимо прямых межкаскадных связей существуют и отрицательные обратные связи, позволяющие сделать работу усилителя более стабильной и снизить степень искажения сигнала. Для этой цели в усилителях используют, например, термисторы для стабилизации температуры во время работы усилителя или частотнозависимые составляющие, которые выравнивают частную характеристику.

Также между каскадами усилителя, во входных и выходных цепях могут использоваться аттенюаторы или потенциометры, чтобы регулировать степень усиления сигнала, и фильтры, чтобы регулировать и задавать частотную характеристику.

Усилители можно разделить на аналоговые и цифровые. Очевидно, в аналоговых устройствах входной сигнал усиливается аналоговыми каскадами и не подвергается дальнейшей оцифровке, оставаясь аналоговым на выходе. В цифровых усилителях аналоговый входной сигнал после аналогового усиления подвергается аналого-цифровым преобразованиям, и выходной сигнал оказывается уже цифровым.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно

Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Принцип работы

Принцип работы усилителей класса G и класса H можно описать буквально в двух словах. Их сигнальная часть аналогична усилителям класса АВ и на малой громкости работает в точно таком же режиме (напомним, что на низких уровнях сигнала класс AB работает в классе А). Весь секрет кроется в блоке питания, который отслеживает уровень входящего сигнала. Как только уровень громкости поднимается, блок питания повышает напряжение питания, тем самым давая возможность усилителю работать с большей амплитудой, и понижает напряжение, как только уровень сигнала на входе падает.

Отличие класса G от класса H кроется в том, как именно происходит изменение уровня напряжения питания. В классе G блок питания имеет несколько обмоток трансформатора, формирующих питающие шины с разными уровнями напряжения. При повышении уровня входящего сигнала происходит дискретное повышение напряжения питания — либо путем перехода на более высоковольтную шину, либо путем суммирования напряжений основной и дополнительной шин питания.

Таких ступеней повышения питания может быть несколько. В упрощенном виде это происходит следующим образом: пока уровень сигнала находится на малом уровне, усилитель имеет максимальную мощность 10 Вт. Как только уровень громкости повышается, подключается дополнительное питание, и запас мощности увеличивается до 100 Вт, а на пиках подключается еще один каскад питания, и усилитель выдает 300 Вт. Поскольку даже в самой ритмичной и агрессивной музыке большие энергетические всплески непостоянны, фактическое энергопотребление усилителя класса G оказывается ближе к показателям его минимальной, а не максимальной мощности.

Появившийся спустя некоторое время класс H фактически является версий класса G с плавно изменяемым уровнем питающего напряжения. Схемы, отслеживающие уровень входящего сигнала, повышают и понижают напряжение питания не ступенчато, а плавно, сообразно величине нарастания и снижения уровня входного сигнала. В простых версиях повышение напряжения питания обеспечивается за счет конденсаторов вольт-добавки, в более сложных — дополнительная секция питания, по сути, представляет собой еще один усилитель мощности. Как и в классе G, на малых уровнях сигнала класс H работает без изменения уровня питающего напряжения аналогично обычному классу АВ.

Проблемы дизайна

Скорость переключения

Две важные проблемы при проектировании схем драйверов MOSFET в усилителях класса D заключаются в том, чтобы максимально сократить время простоя и работу в линейном режиме. «Мертвое время» — это период во время переключения, когда оба выходных полевых МОП-транзистора переведены в режим отсечки и оба «выключены». Мертвые времена должны быть как можно более короткими, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но слишком короткие мертвые времена приводят к тому, что MOSFET, который включается, начинает проводить ток до того, как MOSFET, который выключается, перестанет проводить. Полевые МОП-транзисторы эффективно замыкают выходной источник питания через себя в состоянии, известном как «сквозной проход». Между тем, драйверы MOSFET также должны как можно быстрее переводить полевые МОП-транзисторы между состояниями переключения, чтобы минимизировать количество времени, в течение которого полевой МОП-транзистор находится в линейном режиме — состоянии между режимом отсечки и режимом насыщения, когда полевой МОП-транзистор не включен ни полностью, ни полностью. выключен и проводит ток со значительным сопротивлением, создавая значительное тепло. Отказы драйверов, которые допускают прострел и / или слишком большую работу в линейном режиме, приводят к чрезмерным потерям, а иногда и к катастрофическому отказу полевых МОП-транзисторов. Также есть проблемы с использованием ШИМ для модулятора; по мере того, как уровень звука приближается к 100%, ширина импульса может стать настолько узкой, что это будет препятствовать способности схемы драйвера и полевого МОП-транзистора реагировать. Эти импульсы могут сокращаться до нескольких наносекунд и могут привести к вышеуказанным нежелательным условиям сквозного и / или линейного режима. Вот почему другие методы модуляции, такие как модуляция плотности импульсов, могут приблизиться к теоретической 100% эффективности, чем ШИМ.

Электромагнитная интерференция

Переключаемый силовой каскад генерирует как высокие значения dV / dt, так и dI / dt, которые вызывают излучаемое излучение всякий раз, когда какая-либо часть схемы достаточно велика, чтобы действовать как антенна . На практике это означает, что соединительные провода и кабели будут наиболее эффективными излучателями, поэтому больше всего усилий следует направить на предотвращение попадания высокочастотных сигналов на следующие:

Избегайте емкостной связи при коммутации сигналов в проводке.
Избегайте индуктивной связи различных токовых контуров силового каскада с проводкой.
Используйте одну сплошную заземляющую пластину и сгруппируйте все разъемы вместе, чтобы иметь общий опорный радиочастотный сигнал для развязывающих конденсаторов.
Перед выбором компонентов включите эквивалентную последовательную индуктивность конденсаторов фильтра и паразитную емкость катушек индуктивности фильтра в модель схемы.
Везде, где встречается звон , найдите индуктивную и емкостную части резонансного контура, который его вызывает, и используйте демпферы с параллельным RC или последовательным RL для уменьшения добротности резонанса.
Не заставляйте полевые МОП-транзисторы переключаться быстрее, чем это необходимо для выполнения требований к эффективности или искажениям. Искажения легче уменьшить, используя отрицательную обратную связь, чем ускоряя переключение.

Конструкция блока питания

Усилители класса D предъявляют дополнительные требования к источнику питания, а именно, чтобы он мог поглощать энергию, возвращаемую от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и возвращают часть этой энергии позже. Линейные усилители рассеивают эту энергию, усилители класса D возвращают ее в источник питания, который должен каким-то образом сохранять ее. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию от одной шины питания (например, положительной шины) к другой (например, отрицательной) в зависимости от знака выходного тока. Это происходит независимо от того, резистивная нагрузка или нет. Источник должен либо иметь достаточно емкостного накопителя на обоих рельсах, либо иметь возможность передавать эту энергию обратно.

Выбор активного устройства

Активные устройства в усилителе класса D должны действовать только как управляемые переключатели и не должны иметь особо линейного отклика на управляющий вход. Обычно используются биполярные транзисторы или полевые транзисторы. Вакуумные лампы могут использоваться в качестве устройств переключения мощности в усилителях звука класса D.

Основная операция

Усилители класса D работают, генерируя последовательность прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды, но с различной шириной и разделением, или с переменным числом в единицу времени, представляя изменения амплитуды входного аналогового аудиосигнала. Часы модулятора могут синхронизироваться с входящим цифровым аудиосигналом, что устраняет необходимость преобразования сигнала в аналоговый. Затем выход модулятора используется для попеременного включения и выключения выходных транзисторов

Особое внимание уделяется тому, чтобы пара транзисторов никогда не могла проводить вместе, так как это может вызвать короткое замыкание между шинами питания транзисторов. Поскольку транзисторы либо полностью «включены», либо полностью «выключены», они проводят очень мало времени в линейной области и рассеивают очень мало энергии

Это основная причина их высокой эффективности. Простой фильтр нижних частот, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, обеспечивает путь для низких частот звукового сигнала, оставляя позади высокочастотные импульсы. В приложениях, чувствительных к стоимости, выходной фильтр иногда не используется. В этом случае схема полагается на индуктивность громкоговорителя, чтобы ВЧ-компонент не нагревал звуковую катушку.

Структура силового каскада класса D в некоторой степени сравнима со структурой синхронно выпрямленного понижающего преобразователя (тип неизолированного импульсного источника питания (SMPS) ), но работает в обратном направлении. В то время как понижающие преобразователи обычно функционируют как регуляторы напряжения , обеспечивая постоянное напряжение постоянного тока переменной нагрузке, и могут подавать только ток (одноквадрантный режим работы), усилитель класса D подает постоянно изменяющееся напряжение на фиксированную нагрузку, где ток и напряжение может самостоятельно менять знак (четырехквадрантная операция). Коммутационный усилитель не следует путать с линейными усилителями, которые используют SMPS в качестве источника постоянного тока. Коммутационный усилитель может использовать любой тип источника питания (например, автомобильный аккумулятор или внутренний SMPS), но определяющей характеристикой является то, что сам процесс усиления работает путем переключения. В отличие от SMPS, усилитель выполняет гораздо более важную работу — не допускать попадания нежелательных артефактов на выход. Обратная связь почти всегда используется по тем же причинам, что и в традиционных аналоговых усилителях, для уменьшения шума и искажений.

Теоретическая энергоэффективность усилителей класса D составляет 100%. Другими словами, вся мощность, подаваемая на него, передается нагрузке, ни одна из них не превращается в тепло. Это связано с тем, что идеальный переключатель в состоянии «включено» будет проводить весь ток, но не будет иметь потерь напряжения на нем, следовательно, тепло не будет рассеиваться. И когда он выключен, на нем будет полное напряжение питания, но через него не будет протекать ток утечки, и снова не будет рассеиваться тепла. Реальные силовые полевые МОП-транзисторы не являются идеальными переключателями, но их практический КПД превышает 90%. Напротив, линейные усилители класса AB всегда работают как с протекающим током, так и с напряжением на силовых устройствах. Идеальный имеет теоретический максимальный КПД 78%. (чисто линейные, устройства всегда включены) имеют теоретический максимальный КПД 50%, а некоторые версии имеют КПД ниже 20%.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

• частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

• высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

• наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

• быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

• интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

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.

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.

Схема УНЧ Д класса

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.

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!

Также, может быть Вам будут интересен другой усилитель

Вот еще интересный усилитель класса D 100 Вт

Предыдущая запись TDA7057AQ портативный мостовой усилитель малой мощности

Следующая запись Распиновка кабеля HDMI

Выводы

Если подытожить вышесказанное, то независимо от класса, любой усилитель может быть как плохим, так и хорошим. Результат зависит не от класса, а от конкретной схемотехники. КПД – важный показатель усилителя, и самый высокий он у D-класса.

При выборе усилителя, по большому счету, стоит обращать внимание на две вещи: выдаваемую мощность на заданное сопротивление нагрузки и цену. Наиболее популярны сейчас усилители А/В класса, что объясняется наилучшим соотношением вышеназванных критериев: работают они хорошо при относительно невысокой стоимости

Аудиофилы остаются поклонниками А-класса за их чистый звук. Профессионалы с деньгами всё чаще смотрят на D-класс, всё-таки его КПД существенно выше, а также в большинстве своем они имеют на борту дополнительную динамическую обработку – кроссовер, эквалайзер, лимитер и даже настройку задержки аудио сигнала, необходимую для крупных инсталляций, где акустические системы могут находиться от сцены на расстоянии порядка сотни метров. Нет предела совершенству, как и поискам новых решений. Поэтому экспериментируйте и ищите лучшее решение для своих задач.

Схема усилителя класса d