Как работает усилитель класса d

Как работает усилитель класса D

Как работает усилитель класса d

Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались.

Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B – разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.

По порядку рассчитайся!

Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».

Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло).

Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей.

Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.

При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D.

В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным.

Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала.

Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.

Модуляция по широте

Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B.

Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение.

Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.

На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета).

На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия).

В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным.

В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.

Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.

Чем чаще, тем лучше

Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя. Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi.

Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора – чем она выше, тем лучше.

Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.

Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов

Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания.

Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности.

А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.

Ограничения класса D

Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель.

И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором.

За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.

Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления.

А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала.

Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.

И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки.

Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.

Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку

Нет предела совершенству

Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем.

Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки».

Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть.

К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?

При подготовке публикации использовались материалы с сайта: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification#top

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Как работает усилитель класса d

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

Вступление: принцип работы усилителей класса D и их основное достоинство – большой КПД

Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).

Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.

Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.

Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET-транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.

(упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended), изображение из Википедии, автор – Yves-Laurent)

В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.

Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:

– транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;

– транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.

В обоих состояниях рассеиваемая транзистором мощность оказывается малой, в отличие от усилителей класса AB, где типичной является работа в режиме “большой ток и большое напряжение” на транзисторах выходного каскада.

Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).

На следующей осциллограмме приведены напряжение на выходе усилителя Д-класса (чип TDA3255)до фильтра (ШИМ) и после фильтра. Режим работы усилителя – SE (Single Ended, т.е. не мостовой):

(изображение из обзора усилителя D-класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255)

Частота ШИМ в большинстве распространённых микросхем усилителей D-класса задаётся внутренним генератором и составляет 400 кГц – 1.2 МГц.

В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.

Основной источник потерь – “остаточное” напряжение на выходных транзисторах в открытом состоянии: оно – небольшое, но оно всё-таки существует и в сочетании с высоким током может рассеивать до 10% мощности, забираемой от источника питания (типовая величина потерь – около 5%).

Высокому КПД сопутствуют и другие достоинства усилителей класса D, вытекающие из факта высокого КПД.

Во-первых, такому усилителю требуется гораздо меньший теплоотвод, чем для усилителей класса AB. При выходной мощности до 10 Ватт, как правило, теплоотвод вообще не требуется (иногда – до 15 Ватт).

Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.

В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.

Отсутствие искажений типа “ступенька”

Кроме высокого КПД, у усилителей класса D полностью отсутствует такой недостаток усилителей класса AB, как искажения типа “ступенька”.

В усилителях класса “B” такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал “зависает” на нуле:

В усилителях класса “AB” такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического “сближения” уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.

В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса “AB” этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может “звенеть” одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.

Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):

(изображение из обзора усилителя на TDA2050)

Частота “звона” выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.

В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.

Недостатки усилителей D-класса

Итак, с “плюсами” усилителей класса D разобрались.

Пора заняться и минусами!

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).

Причина этого – элементарна. Если Вы ещё раз посмотрите на схему выходного фильтра усилителя (в начале статьи), то увидите, что он представляет собой, по существу, колебательный контур.

При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.

Для сравнения рассмотрим АЧХ усилителя класса D на микросхеме TDA7498 (обзор) с резистивной нагрузкой 8 Ом; и затем – совсем без нагрузки.

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).

Итак, АЧХ усилителя класса D с нагрузкой 8 Ом в диапазоне 10 Гц – 20 кГц:

 

Теперь – АЧХ того же усилителя без нагрузки в том же диапазоне (10 Гц – 20 кГц):

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

2. Коэффициент демпфирования усилителей D-класса ниже, чем у усилителей класса AB.

Коэффициент демпфирования (Damping factor, Демпинг-фактор) – это отношение сопротивления нагрузки (акустической системы) к выходному сопротивлению усилителя (к которому плюсуется также и сопротивление кабеля от усилителя к колонкам).

Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.

В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.

В усилителях класса D на выходах присутствуют фильтры, не участвующие в цепи обратной связи, и там коэффициент демпфирования не может быть столь большим, как в усилителях класса AB.

Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.

Омическое сопротивление фильтра – очень небольшое, менее 0.1 Ом. Но при неудачной конструкции усилителя оно может увеличиваться за счет нагрева (~0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт “саморазогрева” при протекании тока в нагрузку.

Индуктивное сопротивление (импеданс) фильтров увеличивается прямо пропорционально частоте по формуле XL = 2∏fL, где f-частота, L – индуктивность, XL – импеданс.

Например, для микросхемы TDA7498 согласно datasheet (PDF) рекомендуется устанавливать в каждое плечо мостового выхода индуктивность 22 мкГн (микрогенри); итого общая индуктивность – 44 мкГн.

Импеданс составит:

1 кГц – 0.28 Ом,

5 кГц – 1.38 Ом,

10 кГц – 2.76 Ом,

20 кГц – 5.53 Ом.

Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.

Существуют и усилители D-класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.

Такое построение усилителей D-класса допускается, если мощность – не велика (обычно до 5 Ватт), а длина проводов до динамиков (колонок) – небольшая; и создаваемые радиопомехи в таком случае будут слабыми.

Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.

Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.

В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.

Итоги и выводы

Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).

С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.

Некоторый “плюс” усилителей класса Д в отношении качества звука в виде полной ликвидации искажений типа “ступенька” вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.

Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.

Окончательный итог: улучшение КПД (с перечисленными его последствиями) можно считать главным и единственным изменением в работе усилителей класса D по сравнению с “добрыми старыми” усилителями класса AB.

Дополнительные материалы:

– Обзоры одноплатных усилителе класса D

– Обзоры одноплатных усилителей класса AB

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

     Ваш Доктор.
 

      Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам                      

Усилитель класса D – мал, да удал

Как работает усилитель класса d
Ставь лайк! Делись с друзьями,потому что дальше будет интереснее! ? Ставь палец вверх и будешь видеть наши новости чаще!

Функция звукового усилителя заключается в воспроизведении входного сигнала элементами выходной цепи, с необходимой громкостью и мощностью, точно, с минимальным рассеянием энергии и малыми искажениями. Усилитель должен обладать хорошими характеристиками в диапазоне звуковых частот, который находится в области 20–20 000 Гц (для узкополосных динамиков, таких как сабвуфер или высокочастотная головка, диапазон может быть уже). Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя — от милливатт в головных телефонах до нескольких ватт в телевизоре и персональном компьютере (ПК), десятки ватт в домашней или автомобильной стереосистеме; наконец, сотни ватт в наиболее мощных домашних или коммерческих аудиосистемах для театров и концертных залов.

Простейший вариант реализации усилителя звука — использование транзисторов в линейном режиме, что позволяет получить на выходе увеличенное входное напряжение.

Усиление в данном случае обычно велико (по меньшей мере, 40 дБ).

Часто используется отрицательная обратная связь, так как она улучшает качество усиления, снижая вызванные нелинейностью усилительных каскадов искажения и подавляя помехи от источника питания.

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB.

В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации.

Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах.

Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток и напряжение. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала.

В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные.

Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует.

Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.

В классе AB, являющемся компромиссом между A и B классами, постоянный ток смещения существует, однако гораздо меньший, чем в классе A. Небольшого постоянного тока смещения оказывается достаточно для устранения переходных искажений и обеспечения тем самым хорошего качества звучания.

Мощность рассеяния в данном случае оказывается больше, чем в классе B, и меньше, чем в A классе, но все же количественно ближе к классу B. В этом случае, как и в классе B, необходимо управление выходными транзисторами для обеспечения больших положительных и отрицательных выходных токов.

Тем не менее, даже хорошо спроектированный усилитель класса AB характеризуется значительной мощностью рассеяния, так как средние значения выходных напряжений обычно далеки от напряжений на шинах питания. Большое падение напряжения между стоком и истоком приводит, таким образом, к рассеянию энергии.

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов.

Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение.

Мгновенная мощность рассеяния в этом случае минимальна.

Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор.

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции.

Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот.

Фильтр должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.

Таким образом, основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху.

Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение.

Но, конечно же, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой и активно используются для построения домашних и автомобильных звуковоспроизводящих систем.

Компания Мастер Кит предлагает испытать преимущества таких усилителей. Рассмотрим некоторые усилители D-класса из ассортимента, предлагаемого в разделе Мультимедиа на сайте Мастер Кит.

  • MP3116mini – усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра (TPA3116)

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса TPA3116. Драйверы микросхемы имеют мостовое включение.

Таким образом, достигается 50Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений.

Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот, что делает усилитель боле удобным в применении.

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В 5-24

Подключаемое сопротивление акустики, Ом 4-16

Входное сопротивление, кОм 30

Максимальный ток потребления, А 4

КПД более, % 90

Диапазон воспроизводимых частот, Гц 20…22000

Максимальная выходная мощность, Вт 2х50

Рабочая температура, C -40…+85

Габариты модуля (д/ш/в), мм 60х32х15

Вес 150

Особенности:

– широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;

– защита от превышения температуры корпуса микросхемы;

– защита от короткого замыкания в нагрузке;

– высокая частота преобразования 400 кГц-1,2 МГц, что позволяет получить качественный сигнал без применения громоздких фильтров для очистки ШИМ;

– высокий КПД более 90%;

– возможность подключения к линейному входу без предварительных усилителей и цепей согласования;

– применение замкнутой обратной связи обеспечивает отличный уровень подавления помех источников питания;

– на плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот.

  • MP3116 – усилитель НЧ D-класса 2х100Вт (TPA3116)

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116, включенные в мостовом режиме.

Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений.

Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

Усилитель класса d для сабвуфера: рассмотрим подробно

Как работает усилитель класса d

Усилитель для сабвуфера д класса отличается компактностью

Усилитель для сабвуфера класса d, выпущенный впервые еще в 1958году, заметно вырос по популярности в последние годы. Что он собой представляет, какие преимущества имеет перед другими типами звуковых усилителей, и почему именно класс D сегодня представляет особый интерес для акустики? Сейчас мы рассмотрим усилитель класса д для сабвуфера и сравним с другими видами.

Коротко об усилителях

Их функция заключается в воспроизведении входящих сигналов элементами исходящей цепи, с необходимой (усиленной) громкостью и мощностью, при этом с минимальным рассеиванием энергии и как можно меньшими искажениями.
Итак:

  • Хороший звукрусилитель должен отличаться высокими характеристиками в широком диапазоне звуковых частот, в области от 20 и до 20000Гц (у узкополосных динамиков, сабвуферов(см.Плоский сабвуфер активный и секреты его выбора) либо высокочастотной головки, диапазон гораздо меньше)
  • Его выходная мощность должна варьироваться в широких пределах — от милливатт в ушных телефонах и до нескольких ватт в телевизорах и персональных компьютерах (ПК), все зависит от назначения и области применения, например, десятки ватт для домашней либо автомобильной стереосистемы
  • И наконец, применяемые в концертных залах и театрах сотни ватт и более
  • Самым простейшим вариантом реализации усилителя звука — применение транзисторов в так называемом «линейном» режиме, это позволяет получать на выходе повышенное напряжение
  • Усиление в таком случае обычно большое (40 дБ как минимум)
  • Часто применяется отрицательная обратная связь, из-за того, она значительно улучшает качество усиления, снижает искажения и подавляет помехи, идущие от источника питания

Классификация

По способам работы с входящим сигналом и принципам построения усиливающих каскадов инструкция разделяет усилители мощности на:

  • Аналоговые, классов А,В,АВ,Н
  • Импульсные и цифровые -класса D

Необходимо сразу отметить, что существует многое множество разных классов, например, C, A+, G, DLD, перечислять можно долго:

  • Некоторые, типа C (имеют угол отсечки меньше 90градусов) и поэтому в усилении звуков не применяются
  • Другие типы оказались либо слишком сложными, либо очень дорогостоящими, либо невероятно громоздкими, поэтому не применяются повсеместно либо были вытеснены наиболее востребованными и перспективными, не дорогими аналогами

Класс А

В приборах класса А не применяется отсечка сигнала на линейных участках вольтамперных характеристик усилительных элементов:

  • Что обеспечивает минимальное количество нелинейных искажений, причем и на малых мощностях и при номинальной мощности
  • Цена за эти плюсы, внушительная потребляемая мощность, большие размеры и соответственно, вес
  • КПД приборов класса А составляет 15-30процентов, а потребляемая ими мощность не зависит от значения выходной мощности
  • А мощность рассеяния максимальная при малых сигналах, излучаемых на выходе

Класс В

Тут усилительные элементы уже работают с отсечкой 90градусов:

  • Чтобы обеспечить такой режим работы, применяется двухтактная схема, это когда каждая часть (такт) схемы усиливает свою часть (половинку) сигнала
  • Основной проблемой звукоусилителей класса В является наличие искажений, возникающих из-за ступенчатого перехода его от одной полуволны сигнала к другой
  • При низком уровне входящего сигнала нелинейные искажения получаются максимальными
  • Достоинством класса В считается высокий КПД, теоретически он может достигать 78процентов
  • Потребляемая мощность пропорциональна выходящей мощности, то есть при отсутствии на входе сигнала мощность потребляемая равна нулю
  • Однако, несмотря на это, найти современных моделей усилителей класс В вам вряд ли удастся

Класс АВ

Класс АВ, как понятно из его названия –попытка объединить все достоинства А и В классов, достичь высокого КПД и наиболее приемлемого уровня для нелинейных искажений:

  • Чтобы избавиться при переключении усиливающих элементов от ступенчатого перехода применяется угол отсечки больше 90градусов, рабочая точка берется в самом начале линейного участка в вольтамперной характеристике сигнала
  • А при отсутствии на входе сигнала не запираются усилительные элементы, тот есть через них протекает «ток покоя», иногда значительный
  • От этого снижается коэффициент полезного действия, возникает незначительная проблема со стабилизацией тока покоя, зато существенно снижаются нелинейные искажения

Класс Н

Этот класс был разработан исключительно для автомобилей, в них имеется ограничение напряжения, которое питает выходные каскады:

  • Стимулами к созданию класса Н стало то, что природный звуковой сигнал носит импульсный характер, а средняя мощность его получается гораздо ниже пиковой (максимума)
  • Фактически в основе его схемы лежит усилитель AB, который включен по мостовой схеме
  • Изюминка изобретения- применение специальной схемы для удвоения напряжения питания
  • Основным элементом схемы удвоения является накопительный конденсатор с большой емкостью, который подзаряжается постоянно от источника питания
  • А на пиках мощности конденсатор этот подключается схемой управления в цепь, последовательно с главным источником питания
  • При этом, напряжение питания выходящего каскада усилителя удваивается на доли секунды, позволяя справиться с передачей пикового сигнала
  • Однако такой накопительный конденсатор должен иметь достаточно емкости, иначе хорошая выходная мощность будет обеспечена только в области средних и высоких частот
  • Подобная идея с коммутированием напряжения питания применяется в других усилителях мощности, не только для автомобилей
  • Звукоусилители с двух либо трехуровневым питанием практически являются импульсными усилителями с аналоговым каналом, который всю лишнюю энергию от импульсов превращает в тепло
  • Усилители, которые построены по такой схеме, сочетают в себе и дискретные методы усиления и аналоговые, и конечно же, занимают промежуточное положение среди аналоговых и импульсных усилителей по своему КПД и тепловыделению
  • В таком усилителе с целью повышения КПД, и снижения тепловыделения применяется дискретное приближение по уровню напряжения питания самого аналогового канала к выходному напряжению
  • Происходит повышение КПД за счет снижения падения напряжения в активном плече, если сравнивать с усилителями, имеющими одноуровневое питание
  • Отличительной особенностью подобных звукоусилителей является то, что коммутация их ключевых элементов осуществляется с частотой сигнала
  • А фильтрация высших гармоник происходит в аналоговой части усилителя путем превращения в тепло энергии гармоник
  • Потери тепла в аналоговой части получаются весьма низкими, их в некоторой мере восполняют потери коммутационные и потери в самом фильтре на высокой тактовой частоте
  • Есть оптимальное число ступенек напряжения питания, когда усложнение схемы оправдано повышением КПД и снижением стоимости мощных транзисторов в аналоговой части
  • КПД в усилителях класса H получается 83процента при коэффициенте искажений 0,1процент

Класс D

Класс D – считается совершенно отдельным, обособленным классом усилителей, доступно изготовление своими руками:

  • Логичнее называть их импульсными, но название «цифровой» уж больно прочно за ними закрепилось

Блок схема усилителя D

  • На схеме, фото вверху, видно преобразований происходит с сигналом, для его усиления и очищения помех
  • В обычных усилителях выходной каскад на транзисторах, которые обеспечивают нужное мгновенное значение выходящего тока
  • В аудиосистемах обычно выходные каскады применяются класса A, B либо AB
  • Если сравнивать с выходным каскадом, который работает в D классе, мощность рассеивания в линейных каскадах большая даже в наиболее идеальной реализации
  • Усилитель d класса для сабвуфера имеет ощутимое преимущество по многим параметрам вследствие небольшого тепловыделения, заметного уменьшения размеров, стоимости и веса изделий, повышения времени работы устройств
  • Поступивший сигнал оцифровывается и попадает в аудио процессор, процессор при помощи широтно-импульсной модуляции управляет полупроводниковыми силовыми ключами
  • Могу заметить, что ШИМ-сигнал получают без аналого-цифрового преобразования, при помощи генератора и компаратора, например, пилообразного сигнала
  • Этот метод в усилитель для сабвуфера d класса тоже широко применяется, однако благодаря широкому развитию цифровой техники он постепенно отходит Аналого-цифровое преобразование звука обеспечивает множество дополнительных возможностей при обработке звука — от возможности регулировки тембра и уровня громкости, до получения дополнительных цифровых эффектов, например, реверберация, шумоподавление, и многих других
  • Сигнал, прошедший через усилитель для сабвуфера класса д, в отличие от других аналоговых усилителей, преобразован в импульсы прямоугольной формы Амплитуда импульсов постоянна, а продолжительность («ширина») изменяется от амплитуды входящего аналогового сигнала
  • Частота дискретизации постоянная и может составлять от десятков и до сотен килогерц, все зависит от того, какие требования к усилителю предъявляются
  • Импульсы, после их формирования усиливаются с помощью оконечных транзисторов, работающих в ключевом режиме
  • Преобразование такого импульсного сигнала снова в аналоговый происходит внутри фильтра низких частот, стоящего на выходе либо в нагрузке

Зависимость КПД усилителей от их выходной мощности

  • В целом, усилитель д класса для сабвуфера работает по принципу импульсного блока питания
  • Отличие на выходе, после широтно-импульсной модуляции, получается переменное напряжение, а в блоке питания – постоянное
  • А по форме оно соответствует входному сигналу
  • Чисто теоретически, КПД при этом должен достигать 100процентов, однако, к большому сожалению, сопротивление транзистора хоть и мизерное, но не нулевое
  • Поэтому в зависимости от их сопротивления нагрузки, КПД этого типа усилителей может доходить до 90-95%
  • Однако при столь хорошей эффективности выходные транзисторы практически не нагреваются, что и позволяет создавать компактные и довольно экономичные эффективные усилители
  • Коэффициент искажений, если грамотно построить выходной фильтр может доходить до 0,01%, это превосходный результат
  • Искажения увеличиваются при возрастании частоты сигнала, а так же при снижении его частоты дискретизации
  • От частоты дискретизации сигнала косвенным образом зависит и выходящая мощность — с возрастанием частоты снижается индуктивность катушек и уменьшаются потери на выходном фильтре
  • Как и аналоговые усилители, импульсные тоже разделяются на своеобразные подклассы BD и AD, причем достоинства и недостатки у них тоже похожие
  • В классе AD при отсутствии входящего сигнала выходной каскад все равно работает, выдавая разно полярные импульсы с одинаковой длительностью
  • С одной стороны это позволяет повысить качество передачи для слабых сигналов, с другой стороны сильно снижает экономичность, плюс порождает технические проблемы
  • Например, приходится вести борьбу со сквозным током, возникающим при одновременном переключении транзисторов выходного блока
  • Чтобы устранить сквозной ток в выходном каскаде применяется мертвое время, промежуток, между закрыванием первого транзистора и открыванием второго
  • На практике находят применение конструкции попроще — усилители BD, в выходном каскаде которых, при отсутствии сигнала генерируются импульсы крайне малой длительности либо вообще пребывает в состоянии покоя
  • У этого типа имеют явный основной недостаток – это прямая зависимость уровня искажений от частоты сигнала и частоты дискретизации
  • А кроме этого, искажения еще возрастают при малых входящих сигналах
  • Звукоусилители класса D, АВ, производятся в интегральном исполнении
  • Применяются они в системах трансляции и оповещения, в которых, не уделяют большого внимания достижению особенного качества звука
  • Вот в профессиональных системах для звуковоспроизведения класса D применяются как усилители для сабвуферов, именно на низких частотах наше ухо практически не чувствительно к искажениям сигнала
  • Раньше от звукоусилителей требовалась надежная работа и неплохое качество звука, а современные модели сегодня дополняются серией сервисных функций, например, компьютерное управление, наличие цифрового входа и программирование встроенного лимитера
  • С ростом удешевления цифровых интерфейсов передающих аудио сигналы можно ожидать и рост количества звукоусилителей управляемых дистанционно, и автоматической диагностикой, это, безусловно, расширяет возможности при создании звукоусиливающих комплексов
  • С учетом стремительного развития цифровой техники и научной базы сложно предположить, к чему приведет дальнейшее развитие звукоусилителей мощности

Как собрать звукоусилитель любого класса ,лучше посмотреть видео.

  • Григорий Романчук
  • Распечатать

Отличие усилителей D класса от АВ класса? | Полезный автозвук

Как работает усилитель класса d

Наверняка многие слышали о том, что современные усилители могут относиться к разным классам. Однако люди, далекие от акустических систем и технических особенностей звуковой аппаратуры, вряд ли представляют, что скрывается за буквенными обозначениями.

Для начала нужно понимать, как вообще работает усилитель любого класса и мощности.

Подаваемый ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Выходной транзистор повышает мощность частотных колебаний до значения, обеспечивающего работу динамической головки, а управляет (мощнее или слабее) всем этим, сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства.

Классы усилителей

Класс усилителя – это величина выходного сигнала, при которой он в функциональной схеме на протяжении одного рабочего цикла приводится в действие синусоидальным входящим сигналом и в результате этого воздействия изменяется.

Все классы усилителей условно можно разделить на две подгруппы.

  1. Категория усилителей – классические управляемые модели классов A, B и AB; Их категория обусловлена параметром их проводимости на определенном участке выходного сигнала. Таким образом, работа встроенного транзистора на выходе располагается посредине между «выкл» и «вкл».
  2. Категория усилителей – это более современные модели, которые считаются так называемыми переключающимися, класса D. Эти усилители применяют в работе широтно-импульсную модуляцию, а также цифровые схемы для беспрерывного переведения сигнала между «полностью выкл» и «полностью вкл». Как следствие, происходит мощный выход в районе насыщения.

На рынке автозвука чаще всего встречаются усилители AB и D класса. A и B класс встречается очень редко и в связи с высокой стоимостью изделия рассматривать тх не будем.

Усилитель класса AB

Эта модель представляет собой сочетание конструкции класса А и класса B.
В наше время усилители класса AB считаются одними из самых распространенных вариантов.

Усилитель класса AB является разновидностью усилителя класса B, за исключением того, что оба устройства могут в одно и то же время проводить сигнал возле точки пересечения осциллограмм, что устраняет проблемы искажения кроссовера предыдущего усилителя класса B.

Можно с полной уверенностью сказать, что усилители класса AB считается отличным компромиссом между моделями класса А и моделями класса В с позиции КПД и линейности, в то время как эффективность трансформации звукового сигнала составляет приблизительно 50-60%.

Плюсы:

  • Сочетание преимуществ усилителей класса A и В;
  • Живая и теплая звуковая подача;
  • Минимальные искажения.

Минусы:

  • Невысокий КПД (в среднем 50%);
  • Большие размеры;
  • Высокая теплоотдача.

Усилитель класса D

Это нелинейный импульсный усилитель или ШИМ-усилитель. Усилители класса D теоретически могут достигать 100% эффективности (КПД), так как в течение цикла не существует периода, когда формы напряжения и тока перекрываются, так как ток подается только через включенный транзистор.

Плюсы:

  • Высокое КПД (70-100%);
  • Экономное расходование энергии блока питания;
  • Компактные размеры.

Минусы:

  • Электромагнитные искажения;
  • Звук может показаться слишком сухим.

Какой выбрать D или АВ класс?

Для подключения акустических систем вы можете смело выбрать усилитель АВ-класса. Схемотехника таких усилителей за долгие годы хорошо отработана, они имеют высокое качество звучания и, в случае неисправности, их можно легко отремонтировать.

Если место для инсталляции усилителя сильно ограничено, обратите внимание на широкополосные модели D класса. При той же мощности, что и у моделей АВ-класса они намного компактнее, в большинстве своём меньше греются, и их можно установить даже скрытно, с минимальными вмешательствами в штатные элементы автомобиля.

Для громких инсталляции, так же обратите внимание на широкополосные усилители D класса с мощными быстродействующими транзисторами, где самое важное это КПД.

Для подключения сабвуферов преимущество имеют усилители D класса. Бас – это самый “энергозатратный” частотный диапазон и потому КПД усилителя может иметь решающее значение. В этом случае D-класса самый правильный выбор.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.