V tem sodobnem svetu je glavni cilj ojačevanja zvoka v avdio sistemu natančno reproduciranje in ojačanje danih vhodnih signalov. In eden največjih izzivov je imeti visoko izhodno moč s čim manjšo izgubo moči. Ojačevalna tehnologija razreda D vedno bolj vpliva na svet zvoka v živo, saj ponuja veliko moč z ničelno izgubo moči in manjšo težo kot kdaj koli prej. Dandanes so prenosne glasbene naprave vse bolj priljubljene z naraščajočim povpraševanjem po zunanjih zvokih v prenosnih glasbenih napravah.
Ojačevanje zvoka se včasih izvaja s tehnologijo cevnih ojačevalnikov, vendar so te velike in niso primerne za prenosne elektronske zvočne sisteme. Za večino potreb po ojačitvi zvoka se inženirji odločijo za uporabo tranzistorjev v linearnem načinu za ustvarjanje povečanega izhoda na podlagi majhnega vhoda. To ni najboljša zasnova za avdio ojačevalnike, ker bodo tranzistorji v linearnem delovanju neprekinjeno prevajali, ustvarjali toploto in porabljali moč. Ta izguba toplote je glavni razlog, da linearni način ni optimalen za prenosne avdio aplikacije na baterije. Obstajajo veliko razredov avdio ojačevalnikov A, B, AB, C, D, E in F. Ti so razvrščeni v dva različna načina delovanja, linearni in preklopni.
Ojačevalnik razreda D.
Ojačevalniki linearnega načina - razred A, B, AB in razred C so vsi ojačevalniki z linearnim načinom ki imajo izhod, ki je sorazmeren njihovemu vložku. Ojačevalniki v linearnem načinu ne nasitijo, popolnoma vklopijo ali popolnoma izklopijo. Ker so tranzistorji vedno prevodni, se tvori toplota in neprestano porablja moč. To je razlog, da imajo linearni ojačevalniki nižjo učinkovitost v primerjavi s preklopnimi ojačevalniki. Preklopni ojačevalniki razreda D, E in F so preklopni ojačevalniki. Imajo večjo učinkovitost, ki bi teoretično morala biti 100%. To je zato, ker pri odvajanju toplote ni izgube energije.
Kaj je ojačevalnik razreda D?
Ojačevalnik razreda D je preklopni ojačevalnik in ko je v stanju 'VKLOP', bo vodil tok, vendar bo imel skoraj nič napetosti na stikalih, zato se zaradi porabe energije toplota ne odvaja. Ko je v načinu »OFF«, bo napajalna napetost prešla MOSFET-ji , vendar zaradi pretoka toka stikalo ne porablja energije. Ojačevalnik bo med preklopi med vklopom in izklopom porabil moč le, če ne bodo upoštevani tokovi uhajanja. Ojačevalnik razreda D, sestavljen iz naslednjih stopenj:
- Modulator PMW
- Preklopno vezje
- Izhodni nizkopasovni filter
Blokovni diagram ojačevalnika razreda D.
Modulator PMW
Potrebujemo blok vezij, znan kot primerjalnik. Primerjalnik ima dva vhoda, in sicer vhod A in vhod B. Ko je vhod A napetost višji od vhoda B, bo izhod primerjalnika dosegel največjo pozitivno napetost (+ Vcc). Ko je napetost vhoda A nižja od vhoda B, bo izhod primerjalnika dosegel največjo negativno napetost (-Vcc). Spodnja slika prikazuje kako deluje primerjalnik v ojačevalniku razreda D. En vhod (naj bo to vhod A terminal) je dobavljen s signalom za ojačanje. Drugi vhod (vhod B) je dobavljen z natančno ustvarjenim trikotnim valom. Ko je signal v trenutku višji od ravni trikotnega vala, izhod postane pozitiven. Ko je signal trenutno nižji od ravni trikotnega vala, postane izhod negativen. Rezultat je veriga impulzov, kjer je širina impulza sorazmerna trenutni ravni signala. To je znano kot „Modulacija širine impulza“ ali PWM .
Modulator PMW
Preklopno vezje
Čeprav je izhod primerjalnika digitalna predstavitev vhodnega zvočnega signala, nima moči za pogon bremena (zvočnik). Naloga tega stikalnega vezja je zagotoviti dovolj moči, kar je bistvenega pomena za ojačevalnik. Preklopno vezje je na splošno zasnovano z uporabo MOSFET-jev. Zelo pomembno je, da načrtujete, da preklopna vezja proizvajajo signale, ki se ne prekrivajo, sicer pa naletite na problem kratkega stika oskrbe naravnost s tlemi ali če uporabljate deljeno oskrbo, ki kratek dobavlja. To je znano kot preboj, vendar ga je mogoče preprečiti z uvedbo neprekrivajočih se signalov vrat na MOSFET-je. Čas, ki se ne prekriva, je znan kot mrtvi čas. Pri načrtovanju teh signalov moramo čim krajši čas mrtvega časa, da ohranimo natančen izhodni signal z nizkim popačenjem, vendar mora biti dovolj dolg, da oba MOSFET-a ne vodita hkrati. Prav tako je treba skrajšati čas, ko so MOSFET-ji v linearnem načinu, kar bo pomagalo zagotoviti, da MOSFET-ji delujejo sinhrono in ne hkrati hkrati.
Za to aplikacijo je treba uporabiti močnostne MOSFET-je zaradi povečane moči v zasnovi. Ojačevalniki razreda D se uporabljajo zaradi njihove visoke učinkovitosti, toda MOSFET-ji imajo vgrajeno ohišje diode, ki je parazitska in omogoča, da tok še naprej teče v mrtvih časih. V odtok in vir MOSFET-a lahko vzporedno dodamo Schottky-jevo diodo, da zmanjšamo izgube prek MOSFET-a. To zmanjšuje njegove izgube, ker Schottkyjeva dioda je hitrejši od diode MOSFET-a, ki zagotavlja, da dioda telesa ne deluje v mrtvih časih. Da bi zmanjšali izgube zaradi visoke frekvence, je Schottkyjeva dioda vzporedno z MOSFET praktična in potrebna. Ta Schottky zagotavlja, da je napetost na MOSFET-jih pred izklopom. Celotno delovanje MOSFET-jev in izhodne stopnje je analogno delovanju sinhrono Buck pretvornik . Vhodne in izhodne valovne oblike preklopnega vezja so prikazane na spodnji sliki.
Preklopno vezje
Izhodni nizkoprepustni filter
Zadnja stopnja ojačevalnika razreda D je izhodni filter, ki oslabi in odstrani harmonike frekvence preklopnega signala. To je mogoče storiti s skupno razporeditvijo nizkopropusnih filtrov, najpogostejša pa je kombinacija induktorja in kondenzatorja. Zaželen je 2.filter, tako da bomo dosegli -40dB / Decade. Območje mejnih frekvenc je med 20 kHz in približno 50 kHz, ker ljudje ne slišijo ničesar nad 20 kHz. Spodnja slika prikazuje Butterworthov filter drugega reda. Glavni razlog, da se odločimo za Butterworthov filter, je ta, da zahteva najmanj komponent in ima ravno reakcijo z ostro frekvenco odrezanja.
Izhodni nizkoprepustni filter
Uporaba ojačevalnika razreda D.
Primernejši je za prenosne naprave, ker ne vsebuje nobenega dodatnega sklopa hladilnega telesa. Tako enostavno za prevoz. Ojačevalnik razreda D z visoko močjo je postal standard v mnogih potrošniških elektronskih aplikacijah, kot je npr
- Televizijski sprejemniki in sistemi za domači kino.
- Potrošna potrošniška elektronika
- Ojačevalniki za slušalke
- Mobilna tehnologija
- Avtomobilizem
Gre torej za delovanje in uporabo ojačevalnikov razreda D. Upamo, da ste bolje razumeli ta koncept. Poleg tega kakršna koli vprašanja v zvezi s tem konceptom ali za izvedbo katerega koli električni in elektronski projekti , prosimo, dajte svoje povratne informacije s komentarjem v spodnjem oddelku za komentarje. Tukaj je vprašanje za vas, Kakšne so aplikacije ojačevalnika razreda D?
