V tomto modernom svete je hlavným cieľom zosilnenia zvuku v audio systéme presná reprodukcia a zosilnenie daných vstupných signálov. A jednou z najväčších výziev je mať vysoký výstupný výkon s čo najmenšou stratou výkonu. Technológia zosilňovača triedy D čoraz viac ovplyvňuje svet živého zvuku tým, že ponúka vysoký výkon s nulovým rozptýlením výkonu a nižšou hmotnosťou ako kedykoľvek predtým. V dnešnej dobe sú prenosné hudobné zariadenia čoraz obľúbenejšie s rastúcim dopytom po externých zvukoch v prenosných hudobných zariadeniach.
Zosilnenie zvuku sa niekedy vykonáva technológiou elektrónkových zosilňovačov, sú však objemné a nie sú vhodné pre prenosné elektronické zvukové systémy. Pre väčšinu potrieb zosilnenia zvuku sa inžinieri rozhodli použiť tranzistory v lineárnom režime na vytvorenie škálovaného výstupu na základe malého vstupu. Toto nie je najlepšia konštrukcia pre zvukové zosilňovače, pretože tranzistory v lineárnej prevádzke budú neustále viesť, generovať teplo a spotrebovávať energiu. Táto strata tepla je hlavným dôvodom, prečo lineárny režim nie je optimálny pre prenosné zvukové aplikácie napájané z batérie. Existujú veľa tried audio zosilňovačov A, B, AB, C, D, E a F. Tieto sú rozdelené do dvoch rôznych prevádzkových režimov, lineárnych a spínacích.
Zosilňovač triedy D.
Výkonové zosilňovače v lineárnom režime - trieda A, B, AB a trieda C sú všetky zosilňovače lineárneho režimu ktoré majú výstup úmerný ich vstupu. Zosilňovače v lineárnom režime nenasýtia, úplne sa nezapnú ani úplne nevypnú. Pretože tranzistory stále vedú, generuje sa teplo a neustále sa spotrebúva energia. To je dôvod, prečo majú lineárne zosilňovače v porovnaní so spínacími zosilňovačmi nižšiu účinnosť. Spínacie zosilňovače - triedy D, E a F sú spínacie zosilňovače. Majú vyššiu účinnosť, ktorá by teoreticky mala byť 100%. Je to tak preto, lebo pri odvádzaní tepla nedochádza k stratám energie.
Čo je zosilňovač triedy D?
Zosilňovač triedy D je spínací zosilňovač, a keď je v stave „ZAPNUTÉ“, bude viesť prúd, ale bude mať cez prepínače takmer nulové napätie, preto sa z dôvodu spotreby energie neodvádza žiadne teplo. Keď je v režime „OFF“, napájacie napätie bude prechádzať MOSFETy , ale kvôli neprúdeniu prúdu spínač nespotrebováva žiadnu energiu. Zosilňovač bude počas prechodov zapnutia / vypnutia spotrebovávať energiu, iba ak sa nezohľadnia zvodové prúdy. Zosilňovač triedy D pozostávajúci z týchto stupňov:
- Modulátor PMW
- Spínací obvod
- Výstupný dolnofrekvenčný filter
Bloková schéma zosilňovača triedy D.
Modulátor PMW
Potrebujeme stavebný blok obvodu, ktorý sa nazýva komparátor. Komparátor má dva vstupy, a to vstup A a vstup B. Ak má vstup A vyššie napätie ako vstup B, výstup komparátora sa zvýši na maximum kladného napätia (+ Vcc). Keď je vstup A v napätí nižší ako vstup B, výstup komparátora pôjde na svoje maximálne záporné napätie (-Vcc). Nasledujúci obrázok ukazuje ako funguje komparátor v zosilňovači triedy D. Jeden vstup (nech je to vstup A) je dodávaný so signálom, ktorý sa má zosilniť. Druhý vstup (vstup B) je napájaný presne vygenerovanou trojuholníkovou vlnou. Keď je signál okamžite na vyššej úrovni ako vlna trojuholníka, výstup ide kladne. Keď je signál okamžite na úrovni nižšej ako vlna trojuholníka, výstup bude záporný. Výsledkom je reťaz impulzov, kde šírka impulzu je úmerná úrovni okamžitého signálu. Toto je známe ako „Impulzná šírková modulácia“ alebo PWM .
Modulátor PMW
Spínací obvod
Napriek tomu, že výstup komparátora je digitálnym vyjadrením vstupného zvukového signálu, nemá silu riadiť záťaž (reproduktor). Úlohou tohto spínacieho obvodu je poskytnúť dostatočný energetický zisk, ktorý je nevyhnutný pre zosilňovač. Spínací obvod je všeobecne navrhnutý pomocou MOSFETov. Je veľmi dôležité navrhnúť, aby spínacie obvody produkovali signály, ktoré sa neprekrývajú alebo inak narazíte na problém skratu napájania priamo na zem, alebo ak použijete rozdelený zdroj skratu napájania. Toto je známe ako prestrelenie, ale dá sa tomu zabrániť zavedením neprekrývajúcich sa hradlových signálov do MOSFETov. Neprekrývajúci sa čas je známy ako mŕtvy čas. Pri navrhovaní týchto signálov musíme udržiavať mŕtvy čas čo najkratší, aby sme udržali presný výstupný signál s nízkym skreslením, ale musíme byť dostatočne dlho na to, aby sme zabránili vedeniu oboch MOSFETov v rovnakom čase. Musí sa tiež skrátiť čas, po ktorý sú MOSFETy v lineárnom režime, čo pomôže zaistiť, aby MOSFETy pracovali synchrónne, a nie obidva súčasne.
Pre túto aplikáciu musia byť použité výkonové MOSFETy z dôvodu zosilnenia výkonu v konštrukcii. Zosilňovače triedy D sa používajú pre svoju vysokú účinnosť, ale MOSFET majú zabudovanú diódu tela, ktorá je parazitická a umožní, aby prúd pokračoval vo voľnobežke počas mŕtveho času. Na zníženie strát cez MOSFET je možné paralelne s odtokom a zdrojom MOSFET pridať Schottkyho diódu. To znižuje jeho straty, pretože Schottkyho dióda je rýchlejší ako telesná dióda MOSFET a zaisťuje tak, že telesná dióda nebude viesť počas mŕtveho času. Na zníženie strát spôsobených vysokou frekvenciou je Schottkyho dióda paralelne s MOSFET praktická a nevyhnutná. Tento Schottky zaisťuje, že napätie na MOSFEToch pred vypnutím. Celková prevádzka MOSFETov a koncového stupňa je analogická s prevádzkou synchrónnej Prevodník Buck . Vstupné a výstupné krivky spínacieho obvodu sú zobrazené na obrázku nižšie.
Spínací obvod
Výstupný dolnopriepustný filter
Posledným stupňom zosilňovača triedy D je výstupný filter, ktorý zoslabuje a odstraňuje harmonické frekvencie spínacieho signálu. To sa dá dosiahnuť bežným usporiadaním nízkopriepustného filtra, ale najbežnejšia je kombinácia induktora a kondenzátora. Je žiaduci 2. radový filter, aby sme mali zavedenie -40 dB / dekádu. Rozsah medzných frekvencií je od 20 kHz do asi 50 kHz, pretože ľudia nemôžu počuť nič nad 20 kHz. Nasledujúci obrázok zobrazuje Butterworthov filter druhého rádu. Hlavný dôvod, prečo sme si vybrali filter Butterworth, je ten, že vyžaduje najmenšie množstvo komponentov a má plochú odozvu s ostrou medznou frekvenciou.
Výstupný dolnopriepustný filter
Aplikácie zosilňovača triedy D.
Je vhodnejšia pre prenosné zariadenia, pretože neobsahuje žiadne ďalšie usporiadanie chladiča. Tak ľahko sa prenáša. Zosilňovač vysokej výkonovej triedy D sa stal štandardom v mnohých aplikáciách spotrebnej elektroniky ako napr
- Televízory a systémy domáceho kina.
- Vysokoobjemová spotrebná elektronika
- Slúchadlové zosilňovače
- Mobilná technológia
- Automobilový priemysel
Toto je teda všetko o prevádzke a aplikáciách zosilňovačov triedy D. Dúfame, že ste tomuto konceptu lepšie porozumeli. Ďalej akékoľvek otázky týkajúce sa tohto konceptu alebo implementácie akýchkoľvek elektrické a elektronické projekty , poskytnite nám spätnú väzbu prostredníctvom komentárov v sekcii komentárov nižšie. Tu je otázka pre vás, Aké sú použitia zosilňovača triedy D?
