Microsoft Word - Wzmacniacz klasy D.docx(1).pdf - Dokumenty - moj_kolega

Politechnika Wrocþawska

Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki

i Akustyki

Zakþad Ukþadw Elektronicznych

Temat: Wzmacniacz klasy D

Arkadiusz Kocowicz

nr albumu 148660

dr inŇ. Rafaþ Zdunek

PiĢtek 15:15

str. 1

Zasada działania wzmacniacza klasy D

Wzmacniacze klasy D ( a także T ) osiągają bardzo wysoką sprawność, ponieważ w przeciwieństwie do

klas A, AB, B, pracuje on impulsowo, stopnie wyjściowe są naprzemiennie otwierane i zamykane

sygnałem prostokątnym o zmiennym wypełnieniu. Taka modulacja powszechnie znana jest w

literaturze jako modulacja szerokości impulsu - PWM ( Pulse Width Modulation ).

Rysunek 1 – poglądowa struktura wzmacniacza klasy D z pojedynczym przeciwsobnym stopniem mocy

Sygnał audio z wejścia liniowego trafia na jedno z wejść komparatora, gdzie jest porównywany z

sygnałem trójkątnym. Sygnał trójkątny musi mieć częstotliwość znacznie większą niż górny zakres

przenoszonych przez wzmacniacz częstotliwości. Na wyjściu komparatora otrzymujemy sygnał

prostokątny PWM, którego wypełnienie jest proporcjonalne do chwilowej wartości sygnału audio.

Wyjście komparatora jest połączone do sterownika tranzystorów wyjściowych. Sterownik

tranzystorów końcowych przyjęło nazywać się angielskim zapożyczeniem driver. Driver ma za zadanie

zwiększyć amplitudę sygnału z komparatora, tak aby była ona wystarczająca do szybkiego i zatkania i

odetkania tranzystorów MOSFET mocy. W punkcie pomiędzy tranzystorami końcowymi napięcie

zmienia się impulsowo, i jest w nim zawarta informacja o sygnale analogowym z wejścia. Aby

odzyskać kształt, i zachować wierność przetwarzania należy odfiltrować wyższe harmoniczne,

dokonuje się tego w najprostszym filtrze dolnoprzepustowym LC ( jest to rozwiązanie optymalne,

pomiędzy tródnością wykonania a parametrami ), następnie pojemność C OUT odcina składową stałą.

Interesującym i jakże ważnym problemem jest nie ujęty na schemacie ideowym blok odpowiedzialny

za czas martwy (dead time) pomiędzy wyłączeniem górnego tranzystora mocy a załączeniem

dolnego. Czas martwy jest konieczny ponieważ tranzystory mocy wykazują się pewną bezwładnością,

bez czasu martwego istnieje ryzyko załączenia obydwóch tranzystorów w tym samym czasie, a to

grozi eksplozją stopnia końcowego. Typowa wartość opóźnienia mierzona jest w pojedynczych

nanosekundach.

Rysunek 2 obrazuje porównywanie sygnału trójkątnego z sygnałem analogowym na wyjściu, jak łatwo

zauważyć pożądany jest jak najszybszy sygnał trójkątny, widać także że każda nieliniowość zboczy

str. 2

daje o sobie znać w postaci nieliniowości wzmacniacza. Typowe częstotliwości sygnału trójkątnego

dla wzmacniacza audio ( do 20KHz ) są rzędu 300KHz do około 600KHz

Rysunek 2 – idea zamiany poziomu sygnału na współczynnik wypełnienia

Schematy typowych rozwiązań

Ze względu na duży komercyjny potencjał tkwiący w klasie D, większość schematów chroniona jest

prawem patentowym i nieraz bardzo trudno dowiedzieć się czegoś o strukturze gotowych rozwiązań.

Zmuszony jestem więc prezentować rozwiązania amatorskie, siłą rzeczy słabiej dopracowane.

Thunderball http://users.rsise.anu.edu.au/%7Efelix/iar/Projects/Thunderball

Główne cechy wzmacniacza (według autora)

Praca w klasie D

Wysoka sprawność

Częstotliwość przełączania 250 [KHz]

Mostkowy stopień wyjściowy

Moc wyjściowa: 75 [W] RMS @ 8 [Ω], 150 [W] RMS @ 4 [Ω] przy pojedynczym

napięciu zasilania 35[V]

Pasmo wzmacniacza: 5[Hz] – 21[kHz]

Schemat umieszczony został na osobnej kartce, rozwiązanie układowe opiera się na generatorze

sygnału trójkątnego zbudowanym z wzmacniacza operacyjnego LF347N, dwóch komparatorach

KA319, driverach IR2112 i tranzystorach końcowych BUZ11. Wzmacniacz pracuje w układzie H-

mostkowym, i jak twierdzi konstruktor – świetnie sprawdza się jako wzmacniacz do głośnika

niskotonowego.

Układ z czasopisma Praktyczny Elektronik 1/2001

Schemat również został umieszczony na osobnej kartce, Wzmacniacz również zbudowany jest z

przeznaczeniem do zasilania głośnika niskotonowego. Schemat nie jest pozbawiony błędów, ale daje

ogólne pojęcie o realizacji wzmacniacza klasy D bez specjalizowanych układów scalonych.

str. 3

Gotowe układy scalone

Do typowych układów należą: TDA8924 lub TDA7490,TDA7449 i AT89. Parametry jakie deklaruje

producent dla układu TDA8924 (2 * 120 [W]):

· Wysoka sprawność dochodząca do 90 %

· Napięcie zasilania ±12.5 [V] do ±30 [V]

· Bardzo mały prąd spoczynkowy

· Mała zawartość zniekształceń

· możliwość pracy stereo, lub (SE) mono (BTL)

· Duża moc wyjściowa

· Odporność na wahania napięcia zasilania

· Możliwość zewnętrznego doprowadzenia sygnału trójkątnego

· Wewnętrzny układ eliminujący stuk w głośniku przy włączaniu zasilania wzmacniacza

· Pełne zabezpieczenie przeciwzwarciowe

· Zabezpieczenie przez ładunkami statycznymi

· Zabezpieczenie termiczne

Poszczególne podzespoły opracowanego wzmacniacza

Generator sygnału trójkątnego

Schemat generatora przedstawiony jest na rysunku 3

Rysunek 3 – schemat generatora sygnału trójkątnego

U100A jest przerzutnikiem Schmitta, U100B pracuje jako integrator Teoretyczna wartość

częstotliwości generowanego przebiegu dana jest wzorem

A amplituda wyjściowa z wzmacniacza U21

str. 4

U pm to amplituda wyjściowa sygnału z przerzutnika Schmitta. Generator sygnału zasilany jest

napięciem symetrycznym + - 12V, dlatego U pm przyjęto jako 10[V] Założona żądania amplituda

wyjściowa wynosi 1.2V. Jako że za maksymalne wysterowanie wzmacniacza uznano sygnał o

amplitudzie 1V, zachowano więc pewien margines bezpieczeństwa. Mając założoną amplitudę

wyznaczamy stosunek wartości R 1 do R 2

0.12

Zakładamy że R 1 wyniesie 1,2kΩ, R 2 ma więc wartość 10kΩ. C wyznaczono przy założeniu że

częstotliwość sygnału trójkątnego powinna wynosić około 400KHz, oraz zakładając że R=1kΩ,

wyznaczona wartość C wynosi 5,5nF.

Rysunek 4 – sygnał wyjściowy generatora przebiegu trójkątnego

Na rysunku 4 przedstawiony jest wykres sygnału wyjściowego generatora. Rysunek 5 przedstawia

wykres napięcia wyjściowego generatora oraz prostokątny przebieg wyjściowy z przerzutnika

Schmitta U20. Jak widać wybór wzmacniacza operacyjnego o bardzo dużym slew rate ( 8000V/µs )

skutkuje bardzo stromymi zboczami i szybkim przełączaniem. Jakoś uzyskanego sygnału jest bardzo

dobra. Rynkowa cena Ad8001 wynosi około 40 zł w handlu detalicznym, ale stosunek jakości do ceny

tego układu jest bardzo korzystny. Uzyskany układ ma częstotliwość zależną głównie od stałej RC, w

praktycznej realizacji należałoby więc zastosować stabilne elementy z szeregu 1%, chociaż

częstotliwość tego generatora nie jest krytyczna. Odchylenie rzędu 10…20% najprawdopodobniej nie

pociągnie za sobą zauważalnych konsekwencji.

str. 5

Microsoft Word - Wzmacniacz klasy D.docx(1).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: