Усилитель класса d для сабвуфера: рассмотрим подробно

Принцип работы усилителя класса Д

Работа усилителя класса D заключается в следующем. Используя компаратор, входящий импульс переходит в форму прямоугольного вида (меандр)

Из этого следует: входящая информация зашифрована в отношении пиковой мощности прямоугольной импульсной установки, называемой скважностью. Импульс прямоугольной формы начинает усиливаться, а далее поступает на фильтр низкой частоты

После этого формируется сигнал близкий по форме к выходящему аналоговому аудиосигналу.

На представленном ниже графике показано преобразование входящего сигнала синусоидальной формы в периодический прямоугольный, при этом сопоставляя его с пилообразным сигналом.

Во время размаха пиковой амплитуды положительной полярности, скважность меандра будет сто процентов, а отрицательный максимальный размах составляет ноль процентов. В действительности частота сигнала пилообразной формы во много раз выше, и находится в пределах нескольких сот килогерц

Частотный фильтр не совсем безупречный, следовательно, нужен сигнал пилообразной формы имеющий частоту в десять и более раз выше пиковой 2000 Гц.

Схема УНЧ Д класса

После того, как мы немного ознакомились с особенностями работы усилителя звука класса D, теперь можно попытаться своими силами собрать этот аппарат. Мощные выходные мосфеты желательно установить IRF540N либо IRFB41N15D. Такие полевые ключи обладают малым зарядом затвора, обеспечивающего моментальное переключение.

Вместе с тем, они имеют небольшое значение сопротивления перехода, которое уменьшает потребление электроэнергии. Кроме этого, вы должны быть уверены, что полевой транзистор расчитан на высокое рабочее напряжение перехода сток-исток. Конечно можно применить и N-канальный МОП-транзистор IRF640N, но у него сопротивление перехода RDS(on) гораздо выше. А это может сказаться на эффективности.

Выше показана таблица, дающая сравнительное представление характеристик данных МОП-транзисторов;

Для компоновки печатной платы радио-элементами можно применять SMD-детали, также взамен микросхемы IR2110 можно попробывать IR2011S. Может такое случится, что сразу усилитель не «заведется», но когда это все-таки случится и вы послушаете его звучание, то убедитесь, что время потратили не зря!

Также, может быть Вам будут интересен другой усилитель

Вот еще интересный усилитель класса D 100 Вт

Предыдущая запись TDA7057AQ портативный мостовой усилитель малой мощности

Следующая запись Распиновка кабеля HDMI

Как определить класс усилителя звука

Рассматривая усилитель, важно понимать принцип работы и особенности функционирования на всех мощностях. Сам по себе этот механизм ничего не усиливает, работая по принципу крана

От источника питания ток проходит сквозь динамик. Транзисторы в усилители выполняют функцию крана, закрывая или открывая поток электричества. Специальный сигнал управляет степенью закрытия устройства. Специфика действия транзисторов влияет на категорию оборудования.

На моделях группы АВ транзисторы открываются и закрываются непропорционально поступающим на выход сигналам. При этом параметры будут неизменными. По аналогии с водопроводным краном, вода сначала будет течь медленно, а затем неожиданно превратиться в сильный поток. Такая особенность оборудования требует удерживать транзисторы в полуоткрытом состоянии даже тогда, когда сигнал отсутствует. За счет этого добиваются моментального включения в работу без необходимости ожидания до выхода на мощность.

Усилители D работают сходным образом. Тут также используются выходные транзисторы, способные открываться и закрываться в процессе работы. При этом регулируется прохождение тока к колонкам. Управление транзисторами берет на себя специальный сигнал, отличающийся от входного. Транзисторы могут закрываться или открываться. Никаких промежуточных положений не предусмотрено. За счет такого подхода удается добиться нужного КПД.

При помощи выходного дросселя полученный сигнал может снова получить нужную конфигурацию. Также для этого используется конденсатор, формирующий усиленный выходной сигнал в форме входного.

Если площади много, подходящим вариантом становится аппарат АВ, который способен выдавать неплохие показатели КПД за счет быстродействующих транзисторов.

При использовании сабвуферов большее преимущество оказывается у аппаратов класса D. Сабвуферы требуют энергетических затрат, а значит показатель КПД оказывается принципиальным.

Рынок предлагает пользователям множество усилителей. Можно без проблем купить необходимую аппаратуру в Москве или другом городе. Главное – учесть класс прибора и правильно подобрать характеристики для конкретной акустической системы.

https://youtube.com/watch?v=I3VWSNl1HFo

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных источников питания (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

• частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

• высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

• наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

• быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

• интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

Контроль ошибок

Фактический выход усилителя зависит не только от содержания модулированного сигнала ШИМ. Напряжение источника питания напрямую амплитудно модулирует выходное напряжение, ошибки мертвого времени делают выходной импеданс нелинейным, а выходной фильтр имеет сильно зависящую от нагрузки частотную характеристику. Эффективный способ борьбы с ошибками, независимо от их источника, — отрицательная обратная связь . Контур обратной связи, включающий выходной каскад, можно создать с помощью простого интегратора. Чтобы включить выходной фильтр, используется ПИД-регулятор , иногда с дополнительными интегрирующими элементами. Необходимость подавать фактический выходной сигнал обратно в модулятор делает непривлекательным прямую генерацию ШИМ из источника SPDIF . Устранение тех же проблем в усилителе без обратной связи требует решения каждой из них отдельно у источника. Модуляция источника питания может быть частично отменена путем измерения напряжения питания для регулировки усиления сигнала перед вычислением ШИМ, а искажения могут быть уменьшены за счет более быстрого переключения. Выходным импедансом нельзя управлять иначе, как через обратную связь.

Терминология

Термин «класс D» иногда неправильно понимают как означающий « цифровой » усилитель. Хотя некоторые усилители класса D действительно могут управляться цифровыми схемами или включать устройства цифровой обработки сигналов, силовой каскад имеет дело с напряжением и током как функцией неквантованного времени. Малейший шум, погрешность синхронизации, пульсации напряжения или любая другая неидеальность немедленно приводят к необратимому изменению выходного сигнала. Те же ошибки в цифровой системе приведут к неверным результатам только тогда, когда они станут настолько большими, что сигнал, представляющий цифру, будет искажен до неузнаваемости. До этого момента неидеальности не влияли на передаваемый сигнал. Как правило, цифровые сигналы квантуются как по амплитуде, так и по длине волны, тогда как аналоговые сигналы квантуются в одной (например, ШИМ) или (обычно) ни в одной величине.

История

Предпосылкой к созданию усилителей класса G был факт нелинейности уровня музыкального сигнала. Большую часть времени музыка звучит на малом и среднем уровне, когда от усилителя не требуется большая мощность. Но для того, чтобы без потерь отработать редко встречающиеся в музыке динамические всплески, требующие большой отдачи энергии, усилитель приходится держать в режиме высокой мощности постоянно. В то же время из соображений экономии было бы неплохо, если бы блок питания усилителя работал на полную лишь в те моменты, когда это требуется для отработки громких звуков, а все остальное время потреблял меньше энергии от сети.

Над этой задачей думало немало инженеров середины ХХ века, но первым решил ее в 1964 году сотрудник NASA Мануэль Крамер. Он разработал схемотехнику, в которой усилитель имеет несколько шин питания, и их переключение меняет мощность (и энергопотребление) усилителя в зависимости от того, какова величина громкости входящего сигнала.

Первое практическое применение схемотехнике класса G нашли инженеры Hitachi, наладившие серийный выпуск усилителей такого типа в 1977 году. Именно в тот момент и появилось само понятие «класс G». Аналогичную схему в 1981 году реализовал небезызвестный Боб Карвер и дал своему детищу другое маркетинговое название — «класс H», на некоторое время закрепившееся в американской прессе. Несколько позже схема пережила существенное усовершенствование и появился тот вариант, который сейчас и называют классом H, а все предыдущие вариации, включая то, что изначально делал Боб Карвер, были объединены под названием «класс G».

Какой класс усилителей звука лучше

В зависимости от сферы использования и особенностей окружающих условий подходящими вариантами становятся усилители всех групп. Отдельно стоит рассматривать оборудование для дома и авто.

Для дома

Подбирая усилитель для домашней акустики, лучше вперед рассмотреть устройства категорий АВ и D с маркировками «sound». Первый тип представляет собой аналоговый прибор, который гарантирующий качественное звучание со средними искажениями.

Устройства категории D – цифровые модели, которые способны обладать любыми характеристиками в зависимости от установленных на схеме компонентов.

Для автомобиля

На автомобилях используют классы автоусилителей А, В, АВ и D. Модели разновидности А на практике встречаются редко из-за дороговизны и низкого КПД.

Стереоусилитили класса В характеризуются большим КПД, но проигрывают в плане искажений звучания. В автоакустике также применяются редко.

Распространенными среди автолюбителей считаются устройства категории АВ. Характеризуются средним качеством звучания, нужными показателями мощности, чистым звуком и повышенным КПД. Подходит для сабвуферов мощностью от 500 до 600 Вт.

Оборудование категории D используют для обработки цифровых сигналов. Приборы компактны, а также характеризуются повышенными показателями мощности. КПД на уровне 90-98% сводит к минимуму вероятность перегрева прибора, а значит, тут не требуется специальный радиатор охлаждения. Среди автомобилистов такие модели не распространены по причине дороговизны.

Использует

Домашний кинотеатр в коробочных системах. Эти экономичные системы домашнего кинотеатра почти всегда оснащены усилителями класса D. Из-за скромных требований к производительности и простой конструкции наиболее распространено прямое преобразование цифрового звука в ШИМ без обратной связи.
Мобильные телефоны . Мощность внутреннего громкоговорителя составляет до 1 Вт. Класс D используется для продления срока службы батареи.
Слуховые аппараты . Миниатюрный громкоговоритель (известный как приемник) напрямую приводится в действие усилителем класса D для максимального увеличения срока службы батареи и может обеспечивать уровни насыщения 130 дБ SPL или более.
Активные динамики
Высококачественный звук обычно консервативен в отношении внедрения новых технологий, но усилители класса D появились.
Активные сабвуферы
Системы звукоусиления . Для усиления очень большой мощности потери мощности усилителей AB недопустимы. Усилители с выходной мощностью в несколько киловатт доступны как класс D. Доступны усилители мощности класса D, которые рассчитаны на 1500 Вт на канал, но при этом весят всего 21 кг (46 фунтов).
Усиление басовых инструментов
Радиочастотные усилители могут использовать класс D или другие классы коммутируемого режима для обеспечения высокоэффективного усиления РЧ мощности в системах связи.

Звук

Скромный на вид Arcam HDA SA20 казался подходящим партнером разве что для полочной акустики, но это тот случай, когда внешность обманчива на все 100%. Усилитель не менял характер звучания и не упускал бас из-под контроля на акустике любой сложности. Самые мощные и требовательные модели подчинялись его воле беспрекословно, выдавая на удивление точный, быстрый и упругий бас, поражающий сочетанием плотности, динамики и тембральной полноты. С лучшими представителями классов А и АВ те же колонки выдавали низкие частоты куда менее сфокусированно, а порой норовили даже размазать ноты или слить их в общий гул без какой-либо конкретики.

Средние и верхние частоты звучали столь же собранно и четко, без всякой выраженной окрашенности и без искажений даже на высокой громкости. Живая музыка и вокал воспроизводились точно как тембрально, так и интонационно.

Каких-либо изменений характера звучания на разных уровнях громкости заметить не удалось. Усилитель играл детально и чисто как на малой, так и на большой громкости. Будучи исключительно сфокусированным, звук Arcam HDA SA20 не казался сухим или пустым. Усилитель просто не добавлял в музыку ничего лишнего. Те записи, которые должны были звучать тепло и выразительно, показывали именно такой характер, а сухие и жесткие миксы не подкрашивались и не смягчались.

Единственный момент, вызвавший некоторые вопросы — построение сцены. Она была достаточно широкой, но казалась плоской, без ощутимой глубины, хотя та же акустика с другими усилителями создавала куда более убедительное ощущение объема. Впрочем — это однозначно говорит лишь о том, что имеется поле для экспериментов. Основные же признаки схемотехники класса G были вполне очевидны и проявили себя наилучшим образом. Кстати, по ходу тестирования Arcam HDA SA20 нагрелся очень умеренно.

Особенности

Разберемся, что же мы получаем в лице класса G и H с пользовательской точки зрения. Первое — это сочетание компактности, энергоэффективности и классического характера звучания. Если хочется мускулистого, но не слишком прожорливого усилителя, а класс D не устраивает по идеологическим причинам, классы G и H — ваш выбор. Привычный характер класса АВ, дополненный динамикой и мощью класса D, к вашим услугам.

Второе преимущество не столь очевидно, но, в действительности, более значительно. Имея солидный запас энергии, усилители классов G и H лучше справляются со сложной нагрузкой. Такой аппарат куда спокойнее реагирует на акустику с низкой чувствительностью или модели, требующие высокой подводимой мощности. Это позволяет расширить выбор колонок и избежать нагромождения усилителей мощности в системе.

Проблемы дизайна

Скорость переключения

Две важные проблемы при проектировании схем драйверов MOSFET в усилителях класса D заключаются в том, чтобы максимально сократить время простоя и работу в линейном режиме. «Мертвое время» — это период во время переключения, когда оба выходных полевых МОП-транзистора переведены в режим отсечки и оба «выключены». Мертвые времена должны быть как можно более короткими, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но слишком короткие мертвые времена приводят к тому, что MOSFET, который включается, начинает проводить ток до того, как MOSFET, который выключается, перестанет проводить. Полевые МОП-транзисторы эффективно замыкают выходной источник питания через себя в состоянии, известном как «сквозной проход». Между тем, драйверы MOSFET также должны как можно быстрее переводить полевые МОП-транзисторы между состояниями переключения, чтобы минимизировать количество времени, в течение которого полевой МОП-транзистор находится в линейном режиме — состоянии между режимом отсечки и режимом насыщения, когда полевой МОП-транзистор не включен ни полностью, ни полностью. выключен и проводит ток со значительным сопротивлением, создавая значительное тепло. Отказы драйверов, которые допускают прострел и / или слишком большую работу в линейном режиме, приводят к чрезмерным потерям, а иногда и к катастрофическому отказу полевых МОП-транзисторов. Также есть проблемы с использованием ШИМ для модулятора; по мере того, как уровень звука приближается к 100%, ширина импульса может стать настолько узкой, что это будет препятствовать способности схемы драйвера и полевого МОП-транзистора реагировать. Эти импульсы могут сокращаться до нескольких наносекунд и могут привести к вышеуказанным нежелательным условиям сквозного и / или линейного режима. Вот почему другие методы модуляции, такие как модуляция плотности импульсов, могут приблизиться к теоретической 100% эффективности, чем ШИМ.

Электромагнитная интерференция

Переключаемый силовой каскад генерирует как высокие значения dV / dt, так и dI / dt, которые вызывают излучаемое излучение всякий раз, когда какая-либо часть схемы достаточно велика, чтобы действовать как антенна . На практике это означает, что соединительные провода и кабели будут наиболее эффективными излучателями, поэтому больше всего усилий следует направить на предотвращение попадания высокочастотных сигналов на следующие:

Избегайте емкостной связи при коммутации сигналов в проводке.
Избегайте индуктивной связи различных токовых контуров силового каскада с проводкой.
Используйте одну сплошную заземляющую пластину и сгруппируйте все разъемы вместе, чтобы иметь общий опорный радиочастотный сигнал для развязывающих конденсаторов.
Перед выбором компонентов включите эквивалентную последовательную индуктивность конденсаторов фильтра и паразитную емкость катушек индуктивности фильтра в модель схемы.
Везде, где встречается звон , найдите индуктивную и емкостную части резонансного контура, который его вызывает, и используйте демпферы с параллельным RC или последовательным RL для уменьшения добротности резонанса.
Не заставляйте полевые МОП-транзисторы переключаться быстрее, чем это необходимо для выполнения требований к эффективности или искажениям. Искажения легче уменьшить, используя отрицательную обратную связь, чем ускоряя переключение.

Конструкция блока питания

Усилители класса D предъявляют дополнительные требования к источнику питания, а именно, чтобы он мог поглощать энергию, возвращаемую от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и возвращают часть этой энергии позже. Линейные усилители рассеивают эту энергию, усилители класса D возвращают ее в источник питания, который должен каким-то образом сохранять ее. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию от одной шины питания (например, положительной шины) к другой (например, отрицательной) в зависимости от знака выходного тока. Это происходит независимо от того, резистивная нагрузка или нет. Источник должен либо иметь достаточно емкостного накопителя на обоих рельсах, либо иметь возможность передавать эту энергию обратно.

Выбор активного устройства

Активные устройства в усилителе класса D должны действовать только как управляемые переключатели и не должны иметь особо линейного отклика на управляющий вход. Обычно используются биполярные транзисторы или полевые транзисторы. Вакуумные лампы могут использоваться в качестве устройств переключения мощности в усилителях звука класса D.

Выводы

Если подытожить вышесказанное, то независимо от класса, любой усилитель может быть как плохим, так и хорошим. Результат зависит не от класса, а от конкретной схемотехники. КПД – важный показатель усилителя, и самый высокий он у D-класса.

При выборе усилителя, по большому счету, стоит обращать внимание на две вещи: выдаваемую мощность на заданное сопротивление нагрузки и цену. Наиболее популярны сейчас усилители А/В класса, что объясняется наилучшим соотношением вышеназванных критериев: работают они хорошо при относительно невысокой стоимости

Аудиофилы остаются поклонниками А-класса за их чистый звук. Профессионалы с деньгами всё чаще смотрят на D-класс, всё-таки его КПД существенно выше, а также в большинстве своем они имеют на борту дополнительную динамическую обработку – кроссовер, эквалайзер, лимитер и даже настройку задержки аудио сигнала, необходимую для крупных инсталляций, где акустические системы могут находиться от сцены на расстоянии порядка сотни метров. Нет предела совершенству, как и поискам новых решений. Поэтому экспериментируйте и ищите лучшее решение для своих задач.

Усилитель класса d для сабвуфера: преимущества и отличие от других