Меню

Импульсный усилитель мощности для ком

Как работают цифровые усилители? Обзор классов D, T, UcD, PurePath™ HDС

Информация для начинающих УНЧ-строителей и не только:
принцип работы, схемотехника, модификации и сравнительные характеристики
различных типов импульсных (ключевых) усилителей.

Несмотря на расхожее мнение о том, что усилители класса D были разработаны относительно недавно и являются продуктом современных цифровых технологий, данный класс имеет богатую историю, а его первые реализации были описаны ещё в эпоху радиоламп. Использовать ключевую схемотехнику для усиления звука впервые предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев в 1951 году, а в 1955 году француз Роже Шарбонье, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций (классы T, J, Z, TD и т. д.) используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). А в основе схемотехники, как правило, лежит генератор линейно-изменяющегося треугольного напряжения (ГЛИН с частотой, исчисляемой сотнями килогерц) и быстродействующий компаратор, преобразующий это треугольное напряжение в импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде входящего звукового аналогового сигнала (Рис.1).

Функциональная схема усилителя класса D

Рис.1 Функциональная схема усилителя класса D с внешним ГЛИН треугольного напряжения

Механизм преобразования аналогового звукового сигнала в импульсное напряжение с изменяемой скважностью приведён на Рис.2.

Рис.2 Механизм формирования ШИМ сигнала в цифровом усилителе

Далее ШИМ сигнал, имеющий форму импульсов равной амплитуды, но разной длительности, усиливается с помощью пары симметрично включённых быстродействующих MOSFET транзисторов, после чего поступает на простейший LC-фильтр, который демодулирует усиленный сигнал, отсекая несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.
Поскольку выходные транзисторы работают в импульсном режиме, т. е. выступают в роли ключей, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии, КПД цифровых усилителей при практической реализации достигает значений порядка 90–95%. А это означает, что лишь единицы процентов энергии расходуются на нагрев полупроводников, поэтому радиаторы для них можно использовать крайне малого размера.

В настоящее время промышленно выпускается довольно большое количество специализированных и недорогих ИМС, предназначенных для работы в качестве усилителей класса D. Одна только компания «Texas Instruments» производит линейку цифровых усилителей (номенклатурой — около 50-ти наименований) с широкими диапазонами питающих напряжений: 2,5. 50 В и мощностей — 3. 300 Вт. Поэтому интерес отдельной радиолюбительской братвы к построению цифровых усилителей на ШИМ-контроллерах, предназначенных для блоков питания (типа TL494 или подобных), мы здесь ни приветствовать, ни обсуждать не станем ввиду их весьма скромных качественных характеристик.

Отдельным подклассом усилителей звуковой частоты класса D являются устройства, не содержащие генератора треугольного напряжения, а работающие в режиме самовозбуждения или, иначе говоря — самоосцилляции (Self-Oscillating Amplifier). Самоосцилляция возникает вследствие введения положительной обратной связи. Частота импульсов обычно выбирается из диапазона 300. 700 кГц, а длительность варьируется в соответствии с уровнем входного звукового сигнала.
Однако и в данном типе усилителей также возможны варианты:

1. Усилители класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Philips Electronics по UcD-технологии (Universal Class D) в 2005 году (Рис.3).

Структурная схема UcD-усилителя

Рис.3 Структурная схема UcD-усилителя

Как видно из схемы, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью, поступающей с выхода ключевого усилителя через выходной фильтр (L1, C3) и цепь обратной связи (R1…R3, C1) на вход компаратора. Параметры фильтра и цепи обратной определяют частоту на которой фазовый сдвиг составляет 180 градусов, в результате чего и возникает автоколебательный процесс.
Коэффициент усиления усилителя определяется отношением R3/R1. Величины сопротивления резистора R2 и ёмкости конденсатора C2 выбираются таким образом, чтобы частота колебаний была в диапазоне 300…350 кГц.

В описании демонстрационной версии UcD усилителя Philips UM10155 содержатся: принципиальные схемы и печатные платы изделия. При выходной мощности 200 Вт усилитель обеспечивает КПД — не менее 92% и коэффициент гармоник — не более 0.03%.
Ознакомиться с описанием можно по ссылке — Philips UM10155.

Теоретически, в усилителе UcD, благодаря введению общей отрицательной обратной, появляется возможность реализовать более линейный режим его работы и получить меньшее (чем у усилителей с ГЛИН) значение уровней гармонических составляющих. К тому же ООС компенсирует активное сопротивление выходного дросселя, в результате чего коэффициент демпфирования получается очень высоким, что особенно важно при использовании усилителя с мощными сабвуферами.
Однако по информации из различных источников следует, что характеристики UcD усилителей весьма критичны, причём критичны ко ВСЕМУ! Это касается и параметров применяемых полупроводников, и частоты среза и добротности выходного LC-фильтра, и построению корректирующей цепи обратной связи. С учётом необходимости иметь частоту среза выходного фильтра в районе 30 кГц, весьма сложно даётся увод частоты осцилляции на необходимые и стабильные 300. 400 кГц, при которых искажения имеют приемлемый уровень.
Именно поэтому данный тип усилителей и не нашёл широкого интереса массовых производителей электроники и ограничился не самой крупной компанией Hypex Electronics, выпускающей несколько серий модулей UcD усилителей, предназначенных в основном для активных сабвуферов.
А вот обитатели форумных пространств не унывают и не падают духом где попало! Поэтому для желающих приобщиться к UcD-строению могу порекомендовать окунуться в 14-летнюю дискуссию, начинающуюся на странице — ссылка на страницу.

Несколько по-другому обстоят дела с другим видом самоосциллирующих усилителей:

2. Усилители «PurePath™ HD» класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Texas Instruments (Рис.4).

Читайте также:  Ваттметры поглощаемой мощности м3 116

Структурная схема усилителя PurePath™ HDС

Рис.4 Структурная схема усилителя PurePath™ HDС

В отличие от UcD устройств, в усилителях PurePath™ HD сигнал обратной связи снимается до выходного фильтра нижних частот. В связи с этим фазовый сдвиг, необходимый для устойчивой осцилляции, определяется, прежде всего, номиналами элементов петлевого фильтра, что делает работу усилителя более устойчивой и предсказуемой.
О характеристиках таких усилителей можно судить по ИМС типа TAS5615 и TAS5616 (мощностью 150 Вт) и TAS5630 и TAS5631, представляющих собой стереофонические усилители с интегрированной цепью ОС и максимальной выходной мощностью 300 Вт на канал. Усилители обеспечивает коэффициент гармоник (Кг) 0.03% при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 4 Ом. В мостовом включении TAS5630 и TAS5631 выдают 400 Вт максимальной мощности при 10% искажений.
Микросхемы выпускаются в 44 выводных или 64 выводных корпусах, стоят у наших китайских друзей 8. 10$, но гораздо более предпочтительным я бы посчитал не покупку ИМС и самостоятельное её паяние (со всеми вытекающими последствиями), а приобретение готового модуля, который на том же Али стоит вполне адекватных денег (Рис.5 слева).

Структурная схема усилителя PurePath™ HDС TAS5630 зависимость искажений от вых. мощности
Рис.5 Модуль 2×300 Вт TAS5630 и зависимость нелинейных искажений от вых. мощности

На диаграмме зависимости коэффициента гармоник от выходной мощности, взятой из Datasheet-а на TAS5630 (Рис.5 справа), видно, что картина с нелинейностью микросхемы не такая уж и радужная. Коэффициент гармоник 0.03%, приведённый в характеристиках для выходной мощности 1Вт начинает прилично расти как при понижении, так и при повышении мощности. На 10 ваттах он уже превышает 0,1%, а при мощностях свыше 100 ватт начинается лавинный рост, вплоть до 10%.

TAS5630 зависимость искажений от вых. мощности

Если всё ж таки сильно хочется поэкспериментировать с PurePath осцилляцией, то я бы предложил популярную и недорогую микросхему компании International Rectifier — IRS2092, которая представляет собой основу звукового усилителя класса D.
В сочетании с внешними МОП-транзисторами IRS2092 образует полный усилитель класса D с защитой от перегрузки и сквозных токов выходных транзисторов.
Универсальная структура узла аналогового входа с усилителем ошибок и ШИМ-компаратором обладает гибкостью в реализации различных типов схем модуляции ШИМ, однако типовой областью применения ИМС являются усилители с автоколебательной технологией ШИМ PurePath.

Рис.6 Типовая схема включения IRS2092 с автоколебательной технологией ШИМ

Основные параметры усилителя D-класса на базе ИМС IRS2092:
Максимальное напряжение питания ±100 В;
Максимальный ток драйвера: ON — 1А, OFF — 1,2 А;
DEADTIME — 25/40/65/105 nS;
Время реакции защиты от перегрузки — 500 nS;
Постоянное напряжение на выходе — менее 20 мВ;
Максимальная частота ШИМ — 800 кГц;
Коэффициент усиления без ООС — более 60 дБ;
THD на нагрузке 4 Ω при вых мощности 50 Вт, 1 кГц — 0,01%;
Уровень шума — 200 мкВ.

Ценность данной микросхемы состоит в том, что при увеличении количества выходных транзисторов (в параллельном включении), появляется бонус в виде достижения в нагрузке значительных (вплоть до киловаттных) мощностей. Естественно, что в этом случае придётся поднапрячься и позаботиться об умощнении драйверных выходов.

Ознакомиться с подробным функциональным описанием микросхемы IRS2092 на русском языке можно по ссылке — IRS2092.

3. Усилители класса T, разработанные фирмой Power Acoustic в 2000 году.

Усилители класса Т были анонсированы, как альтернатива ключевым усилителям других классов.
Если в усилителях класса D используется ШИМ-модуляция с фиксированной частотой ГЛИН, то в усилителях класса T выходные транзисторы коммутируются с изменяющейся по псевдослучайному закону (Dithering of the Switching Frequency) частотой, значение которой, помимо прочего, зависит и от уровня входного сигнала.
Dithering (дизеринг) представляет собой подмешивание в первичный коммутирующий сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром, что размазывает шум квантования в широкой полосе частот, в результате чего — спектральная плотность гармоник информационного сигнала и комбинационных искажений значительно снижаются при сохранении высокого параметра КПД.
В связи со сложностью алгоритма — все эти манипуляции удобнее производить в цифровом виде при помощи специализированного сигнального процессора (Рис.6).

Структурная схема усилителя класса Т

Рис.7 Структурная схема стереофонического усилителя класса T

В 2000г. при финансовой поддержке компаний Cisco, Intel и Texas Instruments была создана фирма Tripath для разработок и производства полностью цифровых усилителей звука класса Т на базе собственной технологии DPP (Digital Power Processing).
На сегодняшний день можно отметить одного из флагманов линейки, выпускаемой компанией Cisco — ИМС TDA2500.
Микросхема представляет собой драйвер стереоусилителя класса Т, выполненный по технологии Digital Power Processing (DPP).
При подключении микросхемы к источнику напряжением ±90В и внешним полевым транзисторам в соответствии с Datasheet-ом, производитель гарантирует следующие характеристики каждого канала при 4-омной нагрузке:
TDN + N (искажения + шумы) = 0,02% при 50 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 0,1% при 650 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 1% при 800 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 10% при 1100 W;
КПД при 500 W — 79% .
Стоимость микросхемы TDA2500 у наших китайских друзей составляет немногим менее 1000$ за единицу продукции.

Однако не стоит хоронить класс D, всё дело в комплектующих — продекларировали гарны хлопцы из датской компании Lars Clausen Technologies и выдали на-гора свой класс усилителей под названием NewClassD.

4. Усилители класса NewClassD, выпускаемые компанией Lars Clausen Technologies с 2006 г.

Читайте также:  Трактор мощностью 72 квт тянет прицеп массой 5т

На сегодняшний день компания Ларса Клаузена выпускает два модуля усилителей «Singularity 3» класса NewClassD мощностью 900 и 1200 Вт (при работе на 4-омную нагрузку).
Вот, что датчане пишут про основные отличия своих изделий от обычного D-класса и причины, по которым их можно считать «одними из лучших усилителей звука в мире»:

1. Использование высокоскоростных SiCFET транзисторов на 600 В, которые работают примерно в 10 раз быстрее MOSFET-ов, обеспечивая лучшее разрешение в верхней части диапазона и меньший коммутационный шум;
2. Высокая частота дискретизации 850 кГц;
3. Качественные и сверхмалошумящие дискретные полупроводники от компании Rohm Semiconductor;
4. Тонкоплёночные прецизионные резисторы
5. Танталовые резисторы от Audio Note UK в цепи обратной связи;
6. Выходные фильтры из посеребрённого провода с тефлоновой изоляцией;
7. 6-слойная посеребрённая печатная плата с полной плоскостью GND;
8. Тщательная настройка каждого модуля для достижения идеальной производительности

Характеристики на 1200-ваттный агрегат приводятся следующие:
Максимальная выходная мощность на 4 Ом — 900 Вт RMS
Максимальная выходная мощность на 3,2 Ом — 1200 Вт RMS
Диапазон воспроизводимых частот по уровню -3 дБ (4 Ом) — 2. 180000 Гц
THD + N при 1Вт (8 Ом) — 0,00033%
THD + N при 40Вт (8 Ом) — 0,01%
Динамический диапазон — 146 дБ
Цена — 1456,88$

NewClassD мощностью 900 и 1200 Вт

Рис.8 «Singularity 3» — 1200 Вт. Зависимость Кг от частоты при мощности 1Вт (8Ом)

Красивая картинка, но, как говорится — «Грустно, девицы!». Мы же с вами видим (судя по приведённым характеристикам), что уже при 40 ваттах искажения выросли в 30 раз! А что будет при 100, 200-ваттных и т. д. мощностях? А об этом шибко лукавый датский производитель предпочёл сильно не распространяться.
Хотя, чего греха таить, качественных комплектующих и тщательной настройки, как и большой и чистой любви — много не бывает!

Источник



Схемы импульсных усилителей мощности.

При реализации импульсных режимов усиления мощности находит применение последовательно параллельная схема преобразователя, то есть схема, содержащая два регулирующих элемента. Объясняется это тем, что нагрузка импульсного усилителя, как правило, носит активно-индуктивный характер ( -нагрузка). Поэтому обязательным условием его работы является обеспечение цепей протекания тока нагрузки в течение всего периода коммутации. Рассмотрим некоторые типовые схемы усилителей мощности. При этом будем полагать, что в качестве управляющего ключа используется, например, биполярный транзистор.

Схема с замыкающим диодом – это схема с одним управляемым и одним не управляемым ключами (рис. 6.9.). На интервале импульса транзисторный ключ включен и к нагрузке ( ) прикладывается напряжение питания ( ). Ток нагрузки ( ) возрастает.

Рис.6.9. Схема импульсного усилителя с замыкающим диодом.

При выключении транзистора попытка уменьшить ток индуктивности нагрузки приводит к появлению противоЭДС, открывающей неуправляемый ключ (диод ) и ток нагрузки ( ) начинает уменьшаться.

Согласно приведенному описанию, на нагрузке может быть сформирована последовательность однополярных импульсов различной длины, то есть в схеме реализуем только первый импульсный режим регулирования мощности.

Схема с замыкающим транзистором. Если в схеме рис.6.9 неуправляемый ключ (диод )заметить на управляемый(например, транзистор ) и использовать два источника питания, получим схему, позволяющую реализовать все режимы импульсного регулирования мощности (рис.6.10.)

Рис.6.10. Схема импульсного усилителя с замыкающим транзистором.

В данной схеме, если один из транзисторов ( или ) постоянно заперт, то реализуется первый импульсный режим при положительном (заперт ) или отрицательном (заперт ) напряжении на нагрузке. Если транзисторы управляются в противофазе, реализуется второй импульсный режим. Если транзисторы управляются в противофазе и существует интервал, когда они оба заперты, реализуется третий импульсный режим. В этом случае, на интервале пауза, ток нагрузки замыкается через соответствующие диоды ( или ).

Недостатком этой схемы является необходимость двух источников питания различной полярности. От этого недостатка свободна мостовая схема усилителя мощности.

Мостовая схема.В данной схеме каждый вывод нагрузки подключен к выходу своей схемы усилителя с замыкающим транзистором (рис.6.11). При этом транзисторы и , а так же и , работают синхронно. В схеме реализуются все три режима усиления мощности. Например, если переключать транзисторы и , в схеме реализуется первый импульсный режим при положительном токе нагрузки. Если коммутировать транзисторы и — реализуется первый импульсный режим при отрицательном токе нагрузки. Противофазное управление парами транзисторов , , и , — реализует или второй (пауза между импульсами отсутствует) либо третий (управление с паузой) импульсный режимы.

Рис.6.11. Мостовая схема импульсного усилителя.

Генераторы.

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний (импульсные или релаксационные генераторы).

Не зависимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов: режиме автоколебаний или режиме запуска внешними импульсами. Генератор, работающий в режиме автоколебаний, обычно называют автогенератором. Выходное переменное напряжение формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут, сколь угодно долго, находится в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератор, на его выходе формируется одиночный импульс, параметры которого полностью определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы часто называют ждущим или заторможенным а реализующие его устройства —одновибраторами.

Читайте также:  Мощность настольной лампы для работы

В соответствии со сказанным, автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в основном в качестве задающих генераторов, а ждущий режим – в устройствах, преобразующих форму импульсов к требуемому виду.

Источник

Импульсный усилитель мощности для ком

Импульсный усилитель мощности звуковой частоты TDA8925

Фирма Philips Semiconductors анонсировала микросхему выходного коммутирующего каскада для создания усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D с выходной мощностью от 2 х 15 до 2 х 25 Вт с КПД более 94%. Микросхема TDA8925 (УМЗЧ) питается от двухполярного источника с напряжением от ±7,5 до ±30 В и имеет собственный потребляемый ток около 25 мА. Благодаря ключевому режиму работы силового каскада (УМЗЧ) и, соответственно, столь высокому КПД отсутствует необходимость устанавливать микросхему на радиатор охлаждения. Микросхема (УМЗЧ) оснащена диагностическим выводом, напряжение низкого уровня на котором сигнализирует о перегреве выходного каскада или о коротком замыкании в цепи нагрузки. TDA8925 (УМЗЧ) имеет защиту выводов от статического электричества и выполнена в пластмассовом корпусе DBS17P (рис. 1) для обычного печатного монтажа.

Расположение выводов TDA8925 в пластмассовом корпусе DBS17P

Рис. 1. Расположение выводов TDA8925 в пластмассовом корпусе DBS17P

Микросхема имеет следующие отличительные особенности:

  • высокий КПД (более 94%);
  • напряжение питания от ±7,5 В до ±30 В;
  • сверхмалый ток покоя — 25 мА;
  • большая выходная мощность;
  • диагностический вывод;
  • схема включения нагрузки — стереофонический несимметричный выход;
  • защита от статического электричества;
  • не требует применения радиатора.

Области применения микросхемы:

  • телевизоры;
  • музыкальные центры;
  • мультимедиа-комплексы;
  • любая аудиоаппаратура с сетевым питанием.

Блок-схема микросхемы приведена на рис. 2, назначение выводов — в табл. 1, а типовая схема включения — на рис. 3.

Блок-схема микросхемы TDA8925

Рис. 2. Блок-схема микросхемы TDA8925

Таблица 1. Назначение выводов микросхемы TDA8925

Номер вывода Сигнал Описание
1 SW1 Цифровой вход, канал 1
2 REL1 Цифровой выход 1, сигнал изменяется синхронно с сигналом на входе SW1 с задержкой
3 DIAG Диагностический выход, открытый сток, низкий уровень — активный (по превышению температуры 150°С и тока — 3 А)
4 EN1 Вход разрешения работы канала 1
5 VDD1 Напряжение питания канала 1
6 BOOT1 Конденсатор начальной загрузки канала 1
7 OUT1 Выход канала 1
8 VSS1 Общий 1
9 STAB Выход внутреннего стабилизатора
10 VSS2 Общий 2
11 OUT2 Выход канала 2
12 BOOT2 Конденсатор начальной загрузки канала 2
13 VDD2 Напряжение питания канала 2
14 EN2 Вход разрешения работы канала 2
15 POWERUP Вход разрешения переключения внутренних опорных источников
16 REL2 Цифровой выход 2, сигнал изменяется синхронно с сигналом на входе SW1 с задержкой
17 SW2 Цифровой вход, канал 2

Достаточно легко реализуется защита от короткого замыкания в нагрузке. Если это произошло, растет потребляемый микросхемой ток. Если он достигает значения 3 А, срабатывает внутренний детектор, и на выв. 1 (DIAG) формируется низкий потенциал. Этот сигнал можно использовать для управления входом включения микросхемы — POWERUP (выв. 15). В рабочем режиме на этом выводе должен быть уровень не менее VCC+5 В.

Электрические характеристики микросхемы по постоянному и переменному току приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Электрические характеристики микросхемы TDA8925 по постоянному току (при Vp = ±15 В, T am b = 25°C).

Обозначение Описание Кондиции Мин. Тип. Макс. Ед. изм.
Питание
V P Напряжение питания ±7,5 ±15 ±30 В
I Q (tot) Ток покоя Нагрузка отключена 25 45 мA
Внутренний стабилизатор (выв. 9, STAB)
Vo(STAB) Выходное напряжение Относительно VSS 11,7 13 14,3 В
Импульсные входы (выв. 1 и 17, SW1 и SW2)
V ih Высокий уровень входного напряжения Относительно VSS 10 15 В
V IL Низкий уровень входного напряжения Относительно VSS 2 В
Выходы контроля (выв. 2 и 16, REL1 и REL2)
V OH Высокий уровень входного напряжения Относительно VSS 10 15 В
V OL Низкий уровень входного напряжения Относительно VSS 2 В
Диагностический выход (выв. 3, DIAG, открытый сток)
V OL Низкий уровень выходного напряжения 1,0 В
I lo Ток утечки 50 мкА
Входы разрешения (выв. 4 и 14, EN1 и EN2)
V ih Высокий уровень входного напряжения Относительно VSS 9 15 В
V il Низкий уровень входного напряжения Относительно VSS 5 В
V EN (hys) Напряжение гистерезиса 4 В
I I (EN) Входной ток 300 мкА
Вход включения микросхемы (выв. 15, POWERUP)
V POWERUP Операционное напряжение Относительно VSS 5 12 В
h(POWERUP) Входной ток v powerup = 12 В 100 170 мкА
Температурная защита
T DIAG Температура включения v diag – v diag (low) 150 °C
T HYS Гистерезис v diag – v diag (low) 20 °С
Токовая защита
I O (ocpl) Уровень тока защиты 3,5 A

Типовая схема включения микросхемы TDA8925

Рис. 3. Типовая схема включения микросхемы TDA8925

Таблица 3. Электрические характеристики микросхемы TDA8925 по переменному току

Обозначение Описание Кондиции Мин. Тип. Макс. Ед. изм.
P O Выходная мощность R L = 8 Ом
THD = 0,5% 10 12 Вт
THD = 10% 14 15 Вт
R L = 6 Ом
THD = 0,5% 16 Вт
THD = 10% 20 Вт
THD Уровень гармонических искажений P O = 1 Вт
fi = 1 кГц 0,05 0,1 %
fi= 10 кГц 0,2 %
n КПД P 0 = 2 х 15 Вт; f = 1 кГц 94 %

Дата публикации: 25.03.2005

Источник

Adblock
detector