Усилитель 120W класса D

09 Фев 2015     Рубрика: Другие усилители
arrow  arrow

Усилитель 120W класса D на IRS20955S

 

Class_D_Amplifier-1

 

Усилитель 120W класса D — устройства такого класса появились как ни странно, еще в конце 50-х годов прошлого столетия. Вообще-то в прессе 59-го года были некоторые упоминания о технологии нано разработок, то тогда вроде бы и ничего странного в этом нет. Именно в те годы в нашей стране появилось много научных разработок, часть из них «благодаря» бюрократии чиновников легли на полку и лишь небольшая доля из этих технологических разработок пошла в промышленность. А вот в нашем веке, именно те залежавшиеся на «полках» труды мы берем сейчас за основу и начинаем воплощать в жизнь. К этой категории относятся и усилители мощности работающие в классе D, имеющие в настоящее время заслуженное уважение и большую популярность в начале нынешнего столетия.

 

 

 

 

Особенности усилителя D класса

 

Class_D_Amplifier-2

 

Вообще любой усилитель мощности звуковой частоты, независимо в каком классе он работает, имеет свои недостатки и преимущества, которые в принципе и определяют диапазон их использования. Для аппаратов D класса бесспорным положительным качеством являются малая мощность рассеяния, а соответственно и незначительное выделение тепла, довольно миниатюрные габариты (на снимке показан готовый УМЗЧ с выходной мощностью 400W — батарейка для сравнения) и низкая стоимость.

 

Транзисторы оконечного каскада такого усилителя коммутируют выходную цепь с плюсовым и минусовым напряжением питания, при котором создаются разно полярные импульсы. В теории коэффициент полезного действия усилителя D класса может составлять все 100%, это означает что все питающее напряжение отдается в нагрузку. Но, как показывает практика, мощные выходные полевые транзисторы не обладают идеальными свойствами ключей и естественно имеют сопротивление. Поэтому на них теряется определенный процент энергии. Тем не менее их КПД составляет более 92%. Если мы сравним усилители работающие в классе В, то их максимальный коэффициент полезного действия лежит в пределах 77%, а они считаются самыми производительными среди линейных усилителей. Тогда аппарат класса D c его 92% КПД смело можно отнести к самому экономичному устройству.

 

Как будет правильнее, цифровой или импульсный?!

 

Нередко усилители такого класса именуют цифровыми. Это определение за ними крепко утвердилось, но все же называть эти аппараты цифровыми было бы не совсем корректно. Принцип работы УМНЧ класса D заключается в использовании режима широтно-импульсной модуляции, поэтому скорее им подошло бы определение усилитель импульсный чем цифровой. Но почему же все таки многие склоняются к названию «цифровой»? Оказывается все довольно просто. Схема такого аппарата работает по принципу похожему на работу цифровых логических элементов. Проще говоря это формальная логика производящая операции с величинами, реагирующая только на два значения «да» и «нет» или «1» и «0» и т.д. В принципе такую же работу выполняет и усилитель класса D, а это в свою очередь зависит от применения в оконечном каскаде MOSFET- ключей. В некоторых специализированных изданиях можно встретить описание устройства класса Т. С коммерческой целью он выделен в отдельный сегмент усилителей, но по существу это продолжение реализации аппаратов класса D.

 

Немного о том, как работает усилитель

 

Как все известно, существуют схемы включения в мост и полумост. Внизу, на снимках показано именно такое включение.

 

Class_D_Amplifier-3

 

Class_D_Amplifier-4

 

Исходя из схемы полу мостового включения, можно четко понять, что в определенные моменты времени открывается только один выходной ключ. В случае одновременного открытия обоих ключей, моментально возникнет КЗ, что приведет к резкому возрастанию тока и соответственно к пробою переходов выходных полевых транзисторов. В каждый момент открытия перехода, транзистор усиливает плюсовое напряжение, а в это время другой, делает усиление минусового напряжения относительно общей шины. Существует так же нейтральный период, при котором переходы обоих транзисторов находятся в закрытом состоянии. Вот именно время нахождения обоих транзисторов в закрытом состоянии, которое обычно находится в диапазоне от 6 до 105 нс и определяет в конечном итоге характеристики по качеству и мощности усилителя.

 

В зависимости от времени нахождения выходных ключей в нейтральном периоде, образуется качество звука и чем меньше время нахождения перехода в закрытом состоянии, тем качественнее звучание. Но в этом случае существует опасность возникновения короткого замыкания, потому что у выходных полевых транзисторов может просто не хватить времени переключиться. Поэтому выбирайте электронные компоненты для схемы усилителя класса D только с высоким коэффициентом быстродействия.

 

Основные рекомендации и советы

 

Когда будете выбирать мощные полевые ключи для выходного каскада усилителя, ориентируйтесь на MOSFET-ты имеющие наименьшее сопротивление канала и предельно низкий заряд затвора. Более близкие к таким значениям подходят МОП- транзисторы IRFI4024Н-117P.

 

Class_D_Amplifier-5

 

В основном параметры формы тока в нагрузки определяются широтно-импульсной модуляцией компаратора, который регулирует ширину выходных импульсов от максимального значения. Вот здесь показаны несколько ШИМ-контроллеров:

 

Class_D_Amplifier-6

 

Использование специализированного драйвера серии IRS20955S позволило создать схему, которая содержит на 28 внешних электронных элементов меньше, чем было бы без контроллера IRS20955S. Вместе с выходными ключами серии IRFI4024Н-117P есть возможность наполовину уменьшить размер печатной платы к усилителю рассчитанного на мощность в пределах 500 Вт.

 

Приступая к разводке печатной платы для усилителей класса D, старайтесь не отходить от основных правил и способов конструирования приборов предназначенных для работы на высоких частотах. Прокладывать дорожки на печатной плате следует в одном выбранном направлении, беспорядочное разведение токопроводящих путей вносит в схему много паразитных искажений звука и создает условия для появления высокочастотной составляющей. Дорожки отрицательного напряжения питания, требуют устранения искажений вызванных наводками силовых цепей, для этого устанавливаются пленочные конденсаторы емкостью 1 nf и 10 nf.

 

Принципиальная схема усилителя мощности класса D

 

В заключение хочется сказать, что сборка усилителей мощности класса D не является устройством большой сложности, как может показаться вначале. Поэтому наш вам совет, хотите иметь хороший звук собирайте усилители именно такого класса. На снимке ниже, показана простая, выполненная в полу мостовом варианте схема усилителя класса D с мощностью на выходе 120 Вт.

 

Class_D_Amplifier-7

 

Коэффициент полезного действия аппарата варьируется в пределах 96% при работе на нагрузку 4 Ом. Широтно-импульсная модуляция контролируется микросхемой IRS20955S. В выходном каскаде установлены мощные полевые транзисторы IRFI4212-117P, которые разрабатывались исключительно для усилителей класса D. Если быть точнее, то это сборка состоящая из двух МОП-транзисторов соединенных по схеме полумоста. Частотный диапазон усилителя составляет от 18 Гц до 36 кГц. Питающее напряжение 40 вольт поступает на усилитель от двуполярного блока питания. Все номинальные значения электронных компонентов указаны на схеме.

 

Печатную плату для усилителя в формате .lay можно скачать → Здесь

Для открытия файла нужна программа Sprint-Layout

 

Rambler's Top100 Яндекс.Метрика