V tomto moderním světě je hlavním cílem zesílení zvuku v audio systému přesná reprodukce a zesílení daných vstupních signálů. A jednou z největších výzev je mít vysoký výstupní výkon s co nejmenší ztrátou energie. Technologie zesilovače třídy D zvyšuje dopad na svět živého zvuku tím, že nabízí vysoký výkon s nulovým rozptylem energie a nižší hmotností než kdykoli předtím. V dnešní době jsou přenosná hudební zařízení stále oblíbenější s rostoucí poptávkou po externích zvucích v přenosných hudebních zařízeních.
Zesílení zvuku se někdy provádí pomocí technologie elektronkových zesilovačů, ale tyto jsou objemné a nejsou vhodné pro přenosné elektronické zvukové systémy. Pro většinu potřeb zesílení zvuku se inženýři rozhodli použít tranzistory v lineárním režimu k vytvoření škálovaného výstupu založeného na malém vstupu. Toto není nejlepší design pro zvukové zesilovače, protože tranzistory v lineárním provozu budou nepřetržitě vést, generovat teplo a spotřebovávat energii. Tato tepelná ztráta je hlavním důvodem, proč lineární režim není optimální pro přenosné zvukové aplikace napájené z baterie. Existují mnoho tříd audio zesilovačů A, B, AB, C, D, E a F. Ty jsou rozděleny do dvou různých provozních režimů, lineární a přepínací.
Zesilovač třídy D.
Výkonové zesilovače v lineárním režimu - třída A, B, AB a třída C jsou všechny zesilovače lineárního režimu které mají výstup, který je úměrný jejich vstupu. Zesilovače v lineárním režimu nenasycují, plně se nezapínají ani úplně nevypínají. Vzhledem k tomu, že tranzistory vždy vedou, generuje se teplo a neustále spotřebovává energii. To je důvod, proč mají lineární zesilovače ve srovnání se spínacími zesilovači nižší účinnost. Spínací zesilovače - třídy D, E a F jsou spínací zesilovače. Mají vyšší účinnost, která by teoreticky měla být 100%. Důvodem je to, že nedochází ke ztrátám energie při odvodu tepla.
Co je zesilovač třídy D?
Zesilovač třídy D je spínací zesilovač, a když je ve stavu „ZAPNUTO“, bude vést proud, ale bude mít téměř nulové napětí napříč spínači, proto nedochází k odvodu tepla kvůli spotřebě energie. Když je v režimu „VYPNUTO“, napájecí napětí bude křížit MOSFETy , ale vzhledem k žádnému toku proudu spínač nespotřebovává žádnou energii. Zesilovač bude během přechodů zapnutí / vypnutí odebírat energii, pouze pokud nebudou zohledněny svodové proudy. Zesilovač třídy D sestávající z následujících stupňů:
- Modulátor PMW
- Spínací obvod
- Výstupní dolní propust
Blokové schéma zesilovače třídy D.
Modulátor PMW
Potřebujeme stavební blok obvodu známý jako komparátor. Komparátor má dva vstupy, jmenovitě vstup A a vstup B. Když má vstup A vyšší napětí než vstup B, výstup komparátoru přejde na své maximální kladné napětí (+ Vcc). Když má vstup A nižší napětí než vstup B, výstup komparátoru přejde na své maximální záporné napětí (-Vcc). Níže uvedený obrázek ukazuje jak funguje komparátor v zesilovači třídy D. Jeden vstup (ať už je to vstup A) je dodáván se signálem, který má být zesílen. Druhý vstup (vstup B) je dodáván s přesně generovanou trojúhelníkovou vlnou. Když je signál okamžitě vyšší než úroveň trojúhelníkové vlny, výstup jde kladně. Když je signál okamžitě nižší než úroveň trojúhelníkové vlny, výstup bude záporný. Výsledkem je řetězec impulsů, kde šířka impulsu je úměrná úrovni okamžitého signálu. Toto je známé jako ‚Modulace šířky impulzu 'neboli PWM .
Modulátor PMW
Spínací obvod
I když je výstup komparátoru digitální reprezentací vstupního zvukového signálu, nemá sílu řídit zátěž (reproduktor). Úkolem tohoto spínacího obvodu je zajistit dostatečný zisk energie, který je nezbytný pro zesilovač. Spínací obvod je obecně navržen pomocí MOSFETů. Je velmi důležité navrhnout, aby spínací obvody vytvářely signály, které se nepřekrývají nebo jinak narazíte na problém zkratu vašeho zdroje přímo na zem, nebo pokud použijete dělený zdroj, který zkratuje zdroje. Toto se nazývá přestřelení, ale lze mu zabránit zavedením nepřekrývajících se hradlových signálů do MOSFETů. Nepřekrývající se čas se nazývá mrtvý čas. Při navrhování těchto signálů musíme udržovat mrtvý čas co nejkratší, abychom udrželi přesný výstupní signál s nízkým zkreslením, ale musíme být dostatečně dlouhý, abychom udrželi vedení obou MOSFETů současně. Musí se také zkrátit doba, po kterou jsou MOSFETy v lineárním režimu, což pomůže zajistit, aby MOSFETy fungovaly synchronně, a nikoli oba současně.
Pro tuto aplikaci musí být použity výkonové MOSFETy kvůli zesílení výkonu v návrhu. Zesilovače třídy D se používají pro svou vysokou účinnost, ale MOSFETy mají vestavěnou tělesnou diodu, která je parazitická a umožní proudu pokračovat ve volnoběžce během mrtvé doby. Schottkyho dioda může být přidána paralelně k odtoku a zdroji MOSFET, aby se snížily ztráty prostřednictvím MOSFET. To snižuje jeho ztráty, protože Schottkyho dioda je rychlejší než tělová dioda MOSFET, což zajišťuje, že dioda těla neběží během mrtvé doby. Pro snížení ztrát způsobených vysokou frekvencí je Schottkyho dioda paralelně s MOSFET praktická a nezbytná. Tento Schottky zajišťuje, že napětí na MOSFET před vypnutím. Celkový provoz MOSFETů a koncového stupně je analogický s provozem synchronního Buck převodník . Vstupní a výstupní průběhy spínacího obvodu jsou zobrazeny na obrázku níže.
Spínací obvod
Výstupní dolní propust
Konečným stupněm zesilovače třídy D je výstupní filtr, který zeslabuje a odstraňuje harmonické frekvence spínacího signálu. Toho lze dosáhnout běžným uspořádáním nízkoprůchodového filtru, ale nejběžnější je kombinace induktoru a kondenzátoru. Je vyžadován filtr 2. řádu, abychom měli roll-off -40 dB / dekádu. Rozsah mezních frekvencí je mezi 20 kHz a asi 50 kHz vzhledem k tomu, že lidé neslyší nic nad 20 kHz. Níže uvedený obrázek ukazuje filtr Butterworth druhého řádu. Hlavním důvodem, proč jsme si vybrali Butterworthův filtr, je to, že vyžaduje nejmenší množství komponent a má plochou odezvu s ostrou mezní frekvencí.
Výstupní dolní propust
Aplikace zesilovače třídy D.
Je vhodnější pro přenosná zařízení, protože neobsahuje žádné další uspořádání chladiče. Tak snadno se nosí. Vysoce výkonný zesilovač třídy D se stal standardem v mnoha aplikacích spotřební elektroniky, jako je
- Televizory a systémy domácího kina.
- Velkoobjemová spotřební elektronika
- Sluchátkové zesilovače
- Mobilní technologie
- Automobilový průmysl
Jedná se tedy o provoz a aplikace zesilovačů třídy D. Doufáme, že jste tomuto konceptu lépe porozuměli. Dále jakékoli dotazy týkající se tohoto konceptu nebo implementace jakéhokoli elektrické a elektronické projekty , poskytněte nám svůj názor komentářem v sekci komentářů níže. Zde je otázka pro vás, Jaké jsou aplikace zesilovače třídy D?
