Усилитель класса D для сабвуфера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Усилители мощности транзисторные

 Комментарии к статье

В статье описаны особенности работы УМЗЧ класса D и представлены два варианта усилителей различной мощности, пригодных для использования в основном в низкочастотном канале для сабвуфера. Как отмечено в статье, такой усилитель целесообразно использовать с импульсным преобразователем напряжения питания как от батареи аккумуляторов, так и от сети переменного тока. При разработке конструкции усилителя следует уделить внимание экранировке этих блоков.

В связи с развитием цифровой техники и аппаратуры цифровой звукозаписи растет интерес к усилительным устройствам, работающим в ключевом режиме, известным как усилители класса D. В таких устройствах осуществляется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) сигнала. К их достоинствам следует отнести, прежде всего, высокий КПД, реально достигающий 98 %. Кроме того, эти экономичные усилители легко интегрируются с другими элементами цифрового звукового тракта даже на одном кристалле.

Ныне некоторые фирмы уже выпускают микросхемы, которые исключают какую-либо аналоговую обработку звукового сигнала, причем преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму происходит непосредственно в выходном каскаде усилителя мощности. Такие микросхемы в основном применяют в портативной и носимой аппаратуре с автономным питанием.

В периодических изданиях [1] и Интернете [2,3] можно найти описания усилителей (в основном, автомобильных), работающих в "классе Т". При внимательном рассмотрении оказывается, что транзисторы в таких устройствах также работают в переключательном режиме, введение же "нового" класса работы усилителя продиктовано, видимо, требованиями маркетинга. Хотя в некоторых источниках "класс Т" фигурирует как "modified Class-D", т. е. модифицированный класс D и никаких принципиальных отличий от класса D нет. Просто в усилителях "класса Т" применен ШИ-модулятор, у которого от входного напряжения зависят и частота, и скважность выходных импульсов. Имеются и сведения об усилителях некоего "класса N" [4]. На самом деле, это тоже усилитель, работающий в переключательном режиме, только он совмещен с сетевым блоком питания. Все эти патентные и маркетинговые ходы не должны вводить читателей в заблуждение. В этой статье изложены некоторые преимущества и недостатки усилителя класса D с двумя примерами схемотехнических решений.

Основой усилителя, работающего в режиме класса D, являются мощные ключи, как правило, на МОП-транзисторах, отличающихся быстродействием и низким сопротивлением канала в открытом состоянии. Благодаря использованию транзисторов в ключевом режиме (либо включен, либо выключен) и достигается высокий КПД подобных усилителей.

Транзисторы мощных ключей такого УМЗЧ управляются широтно-импульсным (ШИ) модулятором, который преобразует мгновенные значения входного сигнала в соответствующую скважность импульсов, причем нулевому значению сигнала соответствует скважность, равная 2 (меандр). Обычно импульсы имеют амплитуду, близкую к напряжению источника питания. Уровень выходного сигнала можно регулировать, изменяя параметры ШИ-модулятора и напряжение питания ключевого каскада.

С выходного каскада сигнал поступает на нагрузку (громкоговоритель) через LC-фильтр нижних частот (ФНЧ), выделяющий из ШИМ сигнала компоненты звукового диапазона частот.

Следует отметить, что качество выходного сигнала, определяемое уровнем искажений и полосой усиливаемых частот, сильно зависит от частоты переключения, причем сигналы высоких частот всегда усиливаются с большими искажениями, нежели низкочастотные. Повышение частоты переключения приводит к уменьшению искажений, которые носят в основном интермодуляционный характер. На рис. 1 показаны осциллограммы сигналов, характерные для усилителя класса Т.

В нестоящее время промышленностью выпускается широкая номенклатура полупроводниковых приборов, позволяющих достичь рабочих частот коммутации до нескольких сотен килогерц и даже единиц мегагерц. Усилители с такими частотами переключения способны с приемлемым уровнем искажений усиливать сигналы полного звукового диапазона.

Описываемые здесь усилители имеют сравнительно низкую частоту коммутации, поэтому они пригодны для усиления сигналов низкочастотной части звукового диапазона (обычно ниже 200 Гц). Такой усилитель может быть составной частью активного сабвуфера "домашнего кинотеатра". При снижении требований к качеству сигнале он может использоваться в составе аппаратуры и для полного звукового диапазона частот.

Схема наиболее простого усилителя, работающего в режиме класса D, представлена на рис. 2.

В этом устройстве мощный каскад усилителя фактически объединен с ШИ-модулятором. Рассмотрим схему подробнее.

Операционный усилитель DA1 используется в качестве компаратора, который сравнивает сигналы на входе и выходе усилителя. Модулированные сигналом импульсы с выхода ОУ подаются на двухтактный каскад с полевыми транзисторами VT1, VT2. Стабилитроны VD1, VD2 необходимы для исключения сквозного тока через мощные транзисторы выходного каскада. Этот ток возникает во время переключения ключа и является основным источником снижения КПД в неправильно рассчитанных двухтактных каскадах. Резисторы R3, R4 необходимы для разрядки емкости затвора полевых транзисторов. Дроссель L1 и конденсатор С4 образуют ФНЧ, с которого выходной сигнал поступает к громкоговорителю. Кроме того, выходной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1 через делитель R5R1, который определяет коэффициент усиления усилителя. Резистор R2 задает входное сопротивление усилителя; при необходимости его можно увеличить. Микросхемы DA2 и DA3 стабилизируют напряжение питания устройства.

Принцип действия усилителя достаточно прост. Фактически усилитель представляет собой генератор, частота которого определяется резонансной частотой контура L1C4. Из-за того, что амплитуда импульсного сигнала на выходе усилителя постоянна (и почти равна напряжению питания), изменение напряжения на инвертирующем входе ОУ приводит к изменению скважности и частоты импульсов, поступающих в контур.

Следует отметить, что при подключении нагрузки характер колебаний в контуре приобретает апериодический характер. В этом случае частота переключения определяется не только параметрами контура L1C4, но и коэффициентом усиления всего устройства с разомкнутой петлей обратной связи, а также задержкой переключения каскадов.

Особенностью усилителя является наличие высокочастотных колебаний напряжения на нагрузке. Для сабвуфера это не является недостатком, так как сопротивление головки на ультразвуковых частотах достаточно высоко. Однако при подключении к усилителю многополосных АС может возникнуть заметный ток через головку ВЧ. Для исключения этого тока на выходе усилителя необходимо включить дополнительный ФНЧ, не входящий в петлю обратной связи.

Питание усилителя обеспечивает трансформаторный блок питания с номинальным выходным напряжением ±20 В и размахом пульсаций до 4 В при полной нагрузке. Если в трансформаторе нет вторичной обмотки со средней точкой, двухполярный источник питания можно собрать по схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 3), увеличив емкость фильтрующих конденсаторов в два раза. Максимально допустимое обратное напряжение выпрямительных диодов должно превышать удвоенное значение напряжения холостого хода источника.

Усилитель собран на макетной плате. Конденсаторы C1, С4 - К73-17, С2, C3 - любые оксидные на рабочее напряжение не менее 16 В. Их полезно зашунтировать керамическими или пленочными конденсаторами емкостью 0,1.. .0,47 мкФ. В конструкции использованы импортные аналоги стабилитронов VD1, VD2 на напряжение 15 В. Дроссель L1 имеет 100 витков провода ПЭТВ 0,6 мм в броневом магнитопроводе БЗО из феррита М2000НМ-1. Чашки магнитопровода собраны с немагнитным зазором около 0,5 мм. Резисторы - любые металлодиэлектрические, например, МЩ С2-33.

Хотя работа усилителя на нагрузку сопротивлением 4 Ом с полной мощностью не приводит к заметному нагреву каких-либо элементов, при повышенном напряжении выпрямителя микросхемы интегральных стабилизаторов DAI, DA2 нужно установить на теплоотводы.

Вместо ОУ К544УД2 возможно применение микросхем КР574УД1, КР140УД11 (LM318), AD817 или других, имеющих частоту единичного усиления не менее 10 МГц. Используемые выходные транзисторы обеспечивают ток нагрузки до 2 А, но при желании мощность усилителя может быть увеличена до максимально возможной заменой транзисторов на IRFZ34 (VT1) и IRFZ24 (VT2). При такой замене выходная мощность усилителя ограничивается лишь максимально допустимым напряжением питания операционного усилителя.

Правильно собранный из исправных деталей усилитель в налаживании не нуждается. Однако во избежание повреждения выходных транзисторов при неправильном монтаже рекомендуется первоначально подключить их исток к блоку питания через резисторы сопротивлением 33...51 Ом и мощностью 1 Вт.

При налаживании к выходу усилителя нужно подключить эквивалент нагрузки - резистор сопротивлением 4...8 Ом и мощностью 10 Вт и замкнуть вход усилителя. При включении питания на входе ФНЧ можно наблюдать с помощью осциллографа почти прямоугольные импульсы скважностью около 2 и частотой около 80 кГц. Отклонение значения скважности от указанной говорит о несимметричности каскада. Импульсы тока через дополнительные резисторы должны иметь близкую к треугольной форму. Присутствие в импульсах значительных выбросов говорит о протекании сквозного тока через выходные транзисторы. В этом случае нужно заменить стабилитроны VD1, VD2 на другие с большим напряжением стабилизации.

К достоинствам этого усилителя следует отнести практически полное отсутствие переходного процесса при включении. КПД усилителя определяется, в основном, КПД стабилизаторов напряжения питания. Увеличение КПД может быть достигнуто применением импульсных стабилизаторов напряжения.

Усилитель по схеме на рис. 4 отличается от описанного выше более сложной схемой выходного каскада. Его можно питать от источника с напряжением, большим, чем максимально допустимое напряжение питания операционного усилителя.

(нажмите для увеличения)

Особенностью этого УМЗЧ является использование выходного каскада ОУ в режиме ограничения выходного тока. Это позволяет избежать насыщения транзисторов его выходного каскада и, как следствие, увеличить тактовую частоту работы устройства.

С выходными транзисторами, указанными на схеме, и транзисторами VT1, VT2 с большим допустимым напряжением Uкэ max (не менее 60 В) напряжение питания может достигать ±50 В, что способствует работе на высокоомную нагрузку.

Коэффициент гармонических искажений не превышает 0,3 % на частоте 1 кГц при выходной синусоидальной мощности 60 Вт на нагрузке 4 Ом. Усилитель способен работать и в полном диапазоне звуковых частот, при этом звук имеет некоторый "кассетный" оттенок на верхних частотах. Интермодуляционные искажения, измеренные методом двойного тона на частотах 19 и 20 кГц, достигают 14 %, но, как ни странно, это не оказывает на звук "разрушающего" действия.

Печатная плата для этого усилителя показана на рис. 5.

Катушка индуктивности использована такая же, как и в усилителе по схеме рис. 2. Длительная работа усилителя при мощности 80 Вт на нагрузке 4 Ом не приводит к существенному разогреву активных компонентов. Однако для работы усилителя в условиях жаркого климата мощные транзисторы и интегральные стабилизаторы целесообразно установить на небольшие пластинчатые теплоотводы.

Если предполагается использование ОУ высокого быстродействия, например AD817, целесообразно уменьшить число витков катушки L1 в полтора-два раза. При этом рабочая частота коммутации возрастает; соответственно уменьшаются искажения на высоких частотах звукового диапазона. Форма сигнала на выходе ОУ может быть почти синусоидальной, тогда как выходные транзисторы продолжают работать в переключательном режиме вследствие высокого коэффициента усиления предвыходного каскада. Главным критерием работы УМ в переключательном режиме в данном случае служит отсутствие сквозного тока через выходные транзисторы.

Рекомендации по замене компонентов в этом УМЗЧ аналогичны изложенным для первого варианта схемы. Но при применении ОУ с большой нагрузочной способностью, например AD817, следует уменьшить напряжение питания ОУ во избежание перегрева. Для этого вместо интегральных стабилизаторов 7815 и 7915 нужно применить аналогичные на напряжение 9... 12 В. Выходные транзисторы должны быть комплементарными с близкими параметрами. Предпочтение следует отдавать транзисторам с возможно меньшей входной емкостью и низким (и одинаковым для транзисторов разного типа проводимости) сопротивлением канала во включенном состоянии. В принципе, возможно применение и биполярных выходных транзисторов; для этого нужно уменьшить сопротивление резисторов R4, R6 до 33 Ом. Тем не менее, ввиду значительного превышения времени выключения над временем включения биполярных транзисторов, возникает сквозной ток через транзисторы двухтактного каскада и теряется основное преимущество усилителя - высокий КПД; кроме того, увеличиваются и нелинейные искажения. Для устранения сквозного тока необходимо применить специальный формирователь паузы между моментами выключения одного и включения другого мощных транзисторов.

Усилитель не нуждается в настройке и при использовании исправных деталей начинает работать сразу.

Как было отмечено ранее, описанные усилители предназначены для использования в составе активного сабвуфера. Наличие во входном сигнале высокочастотных составляющих может привести к возникновению неприятных на слух интермодуляционных искажений, поэтому для ограничения полосы частот усиливаемого сигнала выше 150 Гц рекомендуется ФНЧ по схеме на рис. 6.

(нажмите для увеличения)

Если сабвуфер подключен к выходу низкочастотного канала звуковой карты SB Live 5.1 или подобной, то надобность в таком фильтре отпадает. В других случаях (например, при подключении к стереосистеме) такой фильтр может оказаться необходимым.

ФНЧ состоит из двух частей: входного усилителя-сумматора и собственно ФНЧ второго порядка с перестраиваемой частотой среза. Единственная особенность устройства - регулировка уровня выходного сигнала изменением коэффициента обратной связи сумматора с помощью резистора R3. ФНЧ с характеристикой Бесселя второго порядка особенностей не имеет.

ФНЧ собран на макетной плате. Операционные усилители можно применять и другие, рекомендуемые для работы в усилителях и скорректированные для единичного усиления, если необходима внешняя цепь коррекции. Переменный резистор R3 регулировки чувствительности должен иметь характеристику регулирования Б, а резистор R5 регулировки частоты среза - А (линейную). Резисторы R1 и R2 можно расположить непосредственно в разъемах, подключаемых к источнику сигнала. В таком случае к фильтру потребуется протянуть только один экранированный провод.

ФНЧ в настройке не нуждается.

Усилители могут быть применены в составе как автомобильного, так и компьютерного (мультимедийного) аудио-комплексов. Усилитель по схеме на рис. 4 удобно питать от импульсного блока питания, описанного в [5]. Выходное напряжение источника 30 В достаточно для получения пиковой выходной мощности 100 Вт на нагрузке 8 Ом. Целесообразно использовать такой источник и для стабилизации напряжения питания первого варианта усилителя; при этом КПД системы будет наибольшим.

Необходимо отметить, что включение описанных усилителей на продолжительное время без нагрузки может привести к перегреву и выходу из строя выходных транзисторов. Если предполагается, что нвгрузка может быть по каким-либо причинам отключена во время работы усилителя, к выходу ФНЧ следует подключить резистор сопротивлением 100 Ом и мощностью не менее 2 Вт.

Литература

1. Елютин А. Выставка "CES'2002". - Автозвук, 2002, № 4, с.11-14.
2. tripath.com/downloads/ anl.pdf.
3. kensel-con.neVBizDev/pub-Msh/articia_9415.shtmi
4. 1stquadrant.com/ news_cisssN.htm.
5. Колганов А. Автомобильный УМЗЧ с блоком питания. - Радио, 2002, № 7, с. 20-22.

Автор: Е.Савельев, г.Тверь

Смотрите другие статьи раздела Усилители мощности транзисторные.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Атомный секрет вечного блеска золота 20.06.2026

Золото издавна считается символом вечности и благородства не только из-за своей редкости, но и благодаря удивительной химической стойкости. В отличие от большинства металлов, оно не окисляется на воздухе, не тускнеет и не покрывается ржавчиной даже спустя тысячелетия. Эта уникальная инертность позволила золотым артефактам сохранять первозданный блеск с древних времен. Однако точный механизм такой защиты долго оставался загадкой для ученых. Недавнее исследование американских химиков-вычислителей раскрыло, что дело не просто в слабом взаимодействии с кислородом, а в особой атомной структуре поверхности металла. Сотрудники Тулейнского университета Санту Бисвас и Мэтью М. Монтемор провели детальное компьютерное моделирование, чтобы понять, как молекулы кислорода взаимодействуют с поверхностью золота. Ученые сравнили два основных типа атомных структур: "реконструированные" и "нереконструированные" поверхности. Было доказано, что природная способность золота к перестройке атомов играет кл ...>>

Смарфон Realme 16T 5G 20.06.2026

В сегменте доступных смартфонов с акцентом на длительную работу без подзарядки компания Realme представила интересную новинку - модель Realme 16T 5G. Главным преимуществом устройства стала по-настоящему впечатляющая батарея емкостью 8000 мАч, которая способна обеспечить до трех дней автономной работы при умеренном использовании. При этом инженерам удалось сохранить относительно компактный корпус толщиной менее 9 мм и вес всего 224 грамма, что делает смартфон удобным для повседневного ношения несмотря на внушительный аккумулятор. Смартфон оснащен большим 6,8-дюймовым LCD-дисплеем с высокой частотой обновления 144 Гц и пиковой яркостью до 1200 нит. Такое сочетание обеспечивает плавную картинку в динамичных сценах и комфортное восприятие контента даже под прямыми солнечными лучами. За производительность отвечает энергоэффективный процессор MediaTek Dimensity 6300, дополненный оперативной памятью LPDDR4X и накопителем UFS 2.2. Для эффективного отвода тепла во время продолжительных нагру ...>>

Проблема набора веса после 40 19.06.2026

С возрастом многие люди замечают, что поддерживать привычный вес становится все сложнее, даже если рацион и уровень активности существенно не меняются. Ученые из Каролинского института в Швеции раскрыли одну из ключевых биологических причин этого явления. Они показали, что с годами в жировой ткани замедляется процесс обновления липидов, из-за чего организм постепенно накапливает жир. Это естественное возрастное изменение объясняет, почему после 40 лет тело начинает "работать" иначе, способствуя набору веса. В долгосрочном исследовании специалисты наблюдали за жировой тканью 54 мужчин и женщин на протяжении в среднем 13 лет. Независимо от того, набирали участники вес или, наоборот, худели, у всех без исключения скорость липидного обмена в жировых клетках заметно снижалась. Жир в клетках обновляется все медленнее, и этот процесс происходит автоматически с течением времени. Те, кто не компенсировал замедление уменьшением калорийности питания, в среднем набирали около 20% от исходного в ...>>

Случайная новость из Архива Работа наших зеркальных нейронов зависит от денег 28.10.2019 Способность человека сопереживать окружающим зависит от того, к какому социальному классу он относится, считает Майкл Варнум, нейробиолог из Аризонского университета. Для исследования уровня эмпатии американский ученый пригласил участвовать 58 человек из разных слоев общества. В рамках эксперимента добровольцам необходимо было заполнить анкету, ответив на перечень вопросов об образовании родителей, общем доходе семьи, заработной плате и так далее. Затем участникам было предложено пройти электроэнцефалографическое исследование. В то же время перед ними демонстрировали фотографии людей с нейтральным выражением лиц и людей, чьи лица были искажены от боли. При этом испытуемых постоянно просили смотреть на какой-либо предмет. Таким образом, лица были лишь отвлекающим фактором, поэтому добровольцы не должны были догадаться, что анализируется уровень их способности сопереживать другим людям. Результаты эксперимента показали, что нервная система людей с более высоким социально-экономическим статусом практически не реагировала на чужую боль. В то же время исследователи выяснили, что люди из более низкого социального слоя обладают более чувствительной системой зеркальных нейронов, благодаря чему они способны лучше сопереживать. Существуют и другие объяснения того, почему люди из бедных слоев общества проявляют больше сочувствия и внимания к окружающим. Ученые полагают, что чем беднее человек, тем чаще он вынужден возлагать надежды на других людей. Кроме того, если он живет в опасной обстановке, ему необходимо прислушиваться к окружающим, чтобы защитить себя и близких. Богатые люди, напротив, больше сосредоточены на себе и своих целях и могут позволить себе игнорировать посторонних.

Другие интересные новости:

▪ Бактерии помогают сохранить кожу здоровой

▪ Тонкая гибкая батарея NEC заряжается за 30 секунд

▪ TI анонсировала новые DSP

▪ Оценка эмоционального напряжения в кинозале

▪ Стандартизация блоков питания для ноутбуков

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электротехнические материалы. Подборка статей

▪ статья А был ли мальчик? Крылатое выражение

▪ статья Кто в течение жизни съел около девяти тонн металла? Подробный ответ

▪ статья Контролер газового хозяйства. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Домашняя метеостанция. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Полная автоматизация устройства управления электронасосом. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026