УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА D
Мощный усилитель класса «D», так называемый импульсный УМЗЧ, вполне по силам построить самостоятельно. Эффективность его действительно впечатляет — радиатор едва прогревается! Но так как опыта соборки таких УНЧ у радиолюбителей немного, вначале кратко объясним, как они работают.
Что такое усилитель класса D?
Ответ может звучать просто: это усилитель работающий в ключевом режиме. Но для того, чтобы полностью понять как они работают, рассмотрим традиционные усилители класса AB, что работают как линейные устройства. В импульсных переключающих усилителях, силовые транзисторы (Мосфеты) действуют как переключатели, быстро изменяя свое состояние с off на on. Это обеспечивает очень высокую эффективность, до 95%. Из-за этого усилитель не вырабатывает много тепла и соответственно не требует большой теплоотвод, в отличии от линейных усилителей класса АВ. Для сравнения, даже усилитель класса B может достигнуть максимальной эффективности в 78% (и то в теории). Ниже смотрите блок-схему УМЗЧ класса D, или усилителя с ШИМ.
Входной сигнал преобразуется в широтно-импульсный, прямоугольный сигнал с помощью компаратора. Это означает, что входные данные, закодированы в скважности прямоугольных импульсов. Прямоугольный сигнал усиливается, а затем проходят через низкочастотный фильтр для получения похожего на исходный аналоговый сигнал.
Существуют и другие методы для преобразования сигнала в импульсы, такие как Дельта-Сигма модуляция, но для этого проекта будем использовать более простую ШИМ.
На осциллограмме ниже можно посмотреть, как преобразовывается синусоидальный входной сигнал в прямоугольный, сравнивая его с треугольным.
При положительном пике синусоиды, скважность прямоугольного импульса составляет 100%, а на отрицательном пике она составляет 0%. Фактическая частота сигнала треугольника гораздо выше, порядка сотен килогерц, так что мы позже можем выделить исходный сигнала. Фильтр не идеален, поэтому треугольный сигнал нужен с частотой как минимум в 10 раз выше, чем максимальная звуковая в 20 кГц.
Схема УНЧ Д-класса
Теперь, когда мы знаем, как работает усилитель звука класса D, давайте попробуем его собрать своими руками. Вот схема принципиальная такого усилителя с ШИМ.
Транзисторы предлагаем использовать IRF540N или IRFB41N15D. Эти полевые транзисторы имеют низкий заряд затвора для быстрого переключения и низкое значение RDS(on) (сопротивление перехода) для снижения энергопотребления. Вы также должны убедиться, что транзистор имеет достаточно высокое значение Vdc (напряжение сток-исток). Можно использовать и IRF640N, но RDS существенно выше, что приведёт к меньшей эффективности.
Выше приведена таблица со сравнением основных параметров этих трех транзисторов:
Для монтажа платы можно использовать SMD компоненты, попробовать применить микросхему IR2011S вместо IR2110. Возможно УНЧ и не заработает с первой попытки, но когда вы услышите четкий и мощный звук, исходящий из колонок — поймёте что схема того стоит.
Форум по обсуждению материала УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА D
Подключение и испытание усилительного модуля на транзисторах КТ835 от электрофона «Россия 321 Стерео».
Усилитель мощности звука на транзисторах, из радиоконструктора DJ200. Проверка работы схемы.
Электромагнитное реле — теория и практика применения. Обозначение, виды, основные параметры и правила эксплуатации.
Источник
Схема усилителя класса D
Схема усилителя класса D 4500Вт
Схема усилителя класса D — в этой статье хочу поделится с вами схемой усилителя D класса сверх высокой мощности, он способен отдать в нагрузку 4Ом 3000Вт а на нагрузку 2Ом 4500Вт. Такой усилитель можно использовать как на соревнованиях по автозвуку так и на разных эстрадных мероприятиях на открытом воздухе.
Схема усилителя:
Усилитель построен с использованием всем известного драйвера IR2110 выход которого усилен транзисторами BD139/BD140. На выходе используется 3 пары выходных транзисторов типа IRFP260 что дает возможность усилителю, работать на мало омные нагрузки.
Такой мощности усилитель обязательно нуждается в хорошей защите от перегрузок и коротких замыканий на выходе. В этой схеме защита построена с использованием таймера NE555 и быстрого компаратора LM311 что обеспечивает быстрое срабатывание защиты не приводя к выходу из строя выходных транзисторов и драйвера.
Печатная плата усилителя:
Настройка усилителя сводится к установки срабатывания защиты переменным резистором RV1. Напряжение питания усилителя двухполярное от 32В до 100В. В выходном каскаде усилителя можно использовать транзисторы типа: IRFP260, IRFP4227, IRFP4242 и другие подобные, транзисторы следует обязательно закрепить на радиатор.
Схема усилителя класса D — список деталей:
Резисторы
R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20= 1K
R2, R16, R39= 100K
R5, R6= 10R
R7, R8=6K8/2W
R10, R21, R26, R27=4K7
R11, R17=6K8
R12=100R
R14, R15=4R7
R22, R23, R24, R25, R31, R33=47R
R28, R29, R30=0,1R/2W
R36, R38=22R/2W
R40=1K5/5W
R41=10R/2W
RV1=10K
Конденсаторы
C1=10uF/16V
C2=10N
C3, C4=1N
C5=470uF/16V
C6=220uF/16V
C7, C9, C11, C12, C13, C15, C16, C18, C19=100N MKP
C8=470uF/16V
C10, C14, C17=100uF/16V
C20=10uF/50V
C21, C22, C23=220N/475V
C24, C25, C26=470uF/180V
C27, C31, C33=100N/275V
C28, C29, C30=470uF/180V
C32=470N/250V
Диоды
D1, D2, D5, D10, D11= 1N4148
D3, D4= ZD5V6
D6, D18, D19= MUR460
D7= LED (RED) OCP
D8= ZD5V6
D9= LED (BLUE)
D12,D13,D14,D15,D16,D17= 1N5819
Транзисторы
Q1= 2N5401
Q4, Q6= BD139
Q5, Q7= BD140
Q8, Q9, Q10, Q11, Q12, Q13= IRFP260
Микросхемы
U1= TL071
Q2= CD4049
Q3= IR2110
U2= NE555
U3= LM311
Фото собранного усилителя:
Изготовление печатной платы усилителя:
Тест усилителя:
Источник
Усилитель класса D 100 Вт
Интерес к усилителям мощности (УМ) класса D появился после разработки первых Импульсных Источников Питания. Стояла задача собрать простой и экономичный УМ. Тема эта не имела своего развития, пока на глаза не попался патент, на то время ведущего инженера-разработчика фирмы Филипс, Бруно Путзейса [1]. Одновременно прочитал статью Сергея Кузнецова [2] на ту же тему. Много информации и ценных советов получены на vegalab.ru, в теме «класс Д для саба» [3]. Естественно, выбранная конструкция не претендует на законченность или выдающиеся параметры, так-так является на 100% любительской. Но с уверенностью можно утверждать, что конструкция является проверенной и повторяемой, не требует изготовления многослойной ПП. Во время проектирование главным критерием была как раз повторяемость, малая номенклатура использованных запчастей, их доступность, и возможность сборки в любых домашних условиях. В отличие от многих подобных схем использованы smd резисторы и конденсаторы одного типоразмера — 1206 и 0805 соответственно, а все комплектующие доступны для заказа через интернет.
Кроме того, после сборки предыдущих версий УМ была осознана острая необходимость включения в схему узла защиты от КЗ, так как кратковременное замыкание, или другое нештатное событие выводит из строя выходные ключи и, часто, микросхему драйвер, которые как раз и составляют львиную долю стоимости УМ.
Схему на дискретных элементах была отброшена из-за необходимости настройки каждого экземпляра устройства и склонности к нежелательным самовозбуждениям. Аналогичная схема на ИМС настройки не требуют и не столь критична к замене типов транзисторов и смене напряжения питания.
Рис.1. Блок-схема УМ класса Д
На микросхеме IC1 собран входной балансный усилитель напряжения. Такая схема выбрана в связи с необходимостью взаимокомпенсации влияния наводок. Коэффициент усиления плеч задается соотношением резисторов R2R5 R7R5, и при использование указанных номиналов составляет примерно 16дБ (6 раз). На элементах С2R2R4C4 и C1R1R3C3 сформирована АЧХ сигнала, поступающего на ОУ и развязка по постоянному току. Симметричные сигналы с выходов 1 и 7 IC1, через резисторы R8, R9 поступают на входы компаратора IC2 LM311, куда поступает сигнал обратной связи, через патентованную цепь ОС из [1]. IC2, VT3-VT5, IC3, VT8,VT9 и другие элементы объединяются в усилитель класса «Д», коэффициент усиления которого в звуковом диапазоне частот равен отношению R8, R9 к R15, R16 соответственно, для сохранения баланса R8 должен быть равен R9, а R15 — равен R16. Кроме того, как указано в [1] коэффициент усиления 13дБ (4,5 раза) является оптимальным для такого устройства.
Рис.2. Принципиальная схема УМ класса Д
Так-так драйвер IR2110 IC3 имеет раздельные входы управления верхним и нижним плечом, сигнал с вывода компаратора, который, по сути, является ШИМ модулированным звуковым сигналом, поступает на инвертор VT3, VT5, включенных по схеме дифференциального каскада. На VT4VD3 собран источник тока 1,2мА для обеспечения его работы. Ток задается равенством падения напряжения на составном сопротивлении R22, R23 и стабилитрона VD4. Для облегчения режима работы VT4 в цепи эмиттера включен дополнительный гасящий резистор R20. Кроме инвертирования сигнала VT3, VT4 выполняют еще одну важную функцию — функцию «левелшифтера». Так-так вывод Vss (сигнальная земля) микросхемы драйвера подключен к отрицательному выводу питания, необходимо «привести» сигнал ШИМ IC2 относительно земли устройства к уровню относительно «–Vcc». Номиналы резисторов R21, R24 выбраны таким образом, чтобы напряжение управления на входах IC3 не превышало ≈ 6В (1,2мА*4,7кОм). Микросхема IC3 включена по стандартной схеме. [4].
Во избежание сквозного тока через транзисторы VT8, VT9 в зарядной цепи установлены ассиметричные схемы ограничивающие ток заряда емкости затворов VD7R36, VD8R37. Время переключения можно рассчитать, пользуясь [5]. В данном устройстве применены полевые транзисторы (ПТ) IRF 540Z как доступные, не дорогие и приемлемые по параметрам. При применение в устройстве стабилитронов на 12В напряжение управления на затворах ПТ будет составлять 12В-1,5В=10,5В (так-так транзистор VT7 составной). При R36=R37 NE5532
Источник
Усилитель мощности класса D на базе IRS2092 [2021]
В данной статье речь пойдет об опыте автора в построении усилителя мощности класса D, на базе популярной микросхемы IRS2092 от Infineon. Подробно, принципы работы самой микросхемы в статье освящаться не будут, разобраны лишь основные, моменты которые необходимо знать при повторении.
IRS2092 — специализированная микросхема усилителя мощности класса D. Имеет аналоговый вход, встроенный модулятор, полумостовой драйвер, настраиваемую защиту по току, ступенчато настраиваемое мертвое время и другие узлы, необходимые для построение на ее базе высококачественного усилителя мощности класса D. Микросхема имеет диапазон питающих напряжений вплоть до +/- 100 В, что позволяет строить на ее базе очень мощные усилители с выходной мощностью вплоть до 500 Вт на 8 Ом. Ввиду этого, микросхема получила широкое распространение у различных фирм и самодельщиков производящих мощные профессиональные усилители. Поиск IRS2092 на AliExpress
Микросхема IRS2092 может поставлять в двух различных вариантах корпуса: выводном — PDIP16 и SMD — SOIC16N. Расположение и назначение выводов микросхемы следующее:
1. VAA: Положительная шина плавающего питания аналоговой части микросхемы;
2. GND: Плавающая аналоговая земля;
3. IN-: Инвертирующий аналоговый вход;
4. COMP: Вход компаратора (вывод фазовой компенсации);
5. CSD: Вывод для подключения таймингового конденсатора для задания времени отключения;
6. VSS: Отрицательная шина плавающего питания аналоговой части микросхемы;
7. VREF: Вывод с опорным напряжением 5,1 В;
8. OCSET: Вывод для программирования порога токовой защиты нижнего ключа;
9. DT: Вывод для программирования значения мертвого времени;
10. COM: Земля микросхемы и драйвера нижнего уровня;
11. LO: Выход драйвера нижнего уровня;
12. VCC: Вывод питания микросхемы;
13. VS: Плавающая земля драйвера верхнего уровня;
14. HO: Выход драйвера верхнего уровня;
15. VB: Плавающее питание драйвера верхнего уровня;
16. CSH: Вывод для программирования порога токовой защиты верхнего ключа.
Типовая схема включения IRS2092 из официального даташита:
Внимание! Как обычно это бывает в даташитах, типовая схема имеет опечатку — забыли один резистор.
Правильно должно быть так:
Схема автора. Ввиду отсутствия позиционных обозначений на схеме из даташита, разбор схемы усилителя класса D на базе IRS2092, будет производить на примере авторской схемы.
Входной сигнал поступает через конденсатор C12, от величины емкости которого, зависит нижняя граничная частота рабочего частотного диапазона усилителя. В показанной схеме, нижняя граничная частота диапазона — 1,8 Гц (по уровню -3 дБ, относительно 1 кГц). Далее по схеме следует RC-фильтр на элементах R19 и C7, который защищает вход усилителя от радиочастотных сигналов и помех. Частота среза данного фильтра — 220 кГц (по уровню -3 дБ, относительно 1 кГц). Коэффициент усиления всего усилителя определяется по следующей формуле: Kу=(R7+R1)/(R17+R19)=(1+120)/(3+1)=30,25. При данном значение коэффициента усиления, для достижения выходной мощности 100 Вт на нагрузке 4 Ом, на вход усилителя необходимо подать сигнал с действующим значением напряжения — 0,66 В. Величина несущей частоты, в первую очередь зависит от элементов C10, C11, R14, R1, R7, С2, а также выбранной продолжительности мертвого времени и коэффициента заполнения: значение несущей частоты максимально на холостом ходу (когда коэффициент заполнения близок к 50%), и падает пропорционально снижению коэффициента заполнения. В меньшей степени, значение несущей частоты зависит от номиналов R19, R17, C8, а также от изменения напряжения на шинах питания аналоговой части, быстродействия выбранных ключевых транзисторов. Говоря кратко — на значение несущей частоты, в разной степени, влияют почти все элементы схемы. Резистор R14 — подстроечный, с его помощью, без изменения других элементов схемы, можно регулировать значение несущей частоты в широких пределах (чем больше сопротивление — тем выше несущая частота). В авторском варианте усилителя, значение несущей частоты выбрано равным 375 кГц, хотя усилитель без проблем работал даже при значении несущей частоты 500 кГц. При первом включении, положение движка подстроечного резистора R14 должно находиться в среднем положении. Конденсатор C15 задает время отключения.
Стабилитроны D1 и D7 определяют величину напряжения питания аналоговой части равное — 5,6 В. Цепочки резисторов R3-6, R8, R9 и R39-44 — это гасящие резисторы для шин питания аналоговой части. Номиналы данных резисторов выбираются таким образом, чтобы при заданном значении напряжения питания усилителя, обеспечить аналоговую часть током: не менее 11 мА (при минимальном напряжении питания усилителя), и не боле 20 мА (при максимальном напряжении питания усилителя). Рассеиваемая на каждом из резисторов мощность не должна превышать 250 мВт (лучше — не более 200 мВт).
Результирующее сопротивление гасящих резисторов питания аналоговой части рассчитывается по следующей формуле:
Где, Uпит_мин — минимальное напряжение питания усилителя (одного плеча), с учетом просадки питающего напряжения под нагрузкой и в следствии колебания сетевого напряжения. Uпит_мин — обычно на 5-10 В ниже, чем напряжение питания на холостом ходу (без сигнала);
Uпит_аналог — напряжение питания аналоговой части (одного плеча). Равно напряжению стабилизации стабилитронов D1 и D7 (5,6 В);
Iпит_аналог — ток питания аналоговой части (одного плеча).
Теперь, чтобы найти необходимое значение сопротивления для каждого из резисторов, необходимо полученное результирующее значение умножить на 1,5 (для положительного плеча) или разделить на 1,5 (для отрицательного плеча).
На примере авторской схемы. Минимальное напряжение питания 32 В, напряжение стабилизации стабилитронов питания аналоговой части — 5,6 В, ток питания аналоговой части примем равным — 12 мА, результирующее сопротивление гасящих резисторов: R=(32-5,6)/0,012=2200 Ом. Соответственно, в положительном плече, сопротивление каждого из резисторов — 2200*1,5=3300 Ом, а в отрицательном плече — 2200/1,5=1466 Ом (выбираем ближайший существующий номинал — 1,5 кОм).
На транзисторе Q2 и его обвязке, построен линейный стабилизатор напряжения для питания микросхемы и ее встроенного драйвера. Транзистор Q2 в процессе работы достаточно сильно нагревается и поэтому в обязательном порядке должен быть установлен на радиатор. Выходное напряжение данного стабилизатора задается с помощью стабилитрона D5 включенного в базу транзистора Q2. Однако, выходное напряжение стабилизатора не равно напряжению стабилизации данного стабилитрона — оно будет меньше приблизительно на 0,6 В. Резистор R27 задает ток через стабилитрон D5, он выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальное значение тока через стабилитрон, которое должно быть в районе 3 мА.
Где, Id5 — ток через стабилитрон D5;
В авторском варианте: Id5 = 32/12000 = 0,002666 А = 2,6 мА.
Конденсаторы C18 и C13 сглаживают пульсации на входе и на выходе стабилизатора напряжения, соответственно.
Диод D3 — бустрепный, через который обеспечивается питание драйвера верхнего уровня. К этому диоду предъявляются особые требования. Самое главное требование: минимально возможное время обратного восстановления, которое должно быть тем ниже, чем выше несущая частота. Пожалуй самым лучшим вариантов из доступных на роль диода D3, который только можно найти — это диод ES1D с временем обратного восстановления 15 нс. Допускается также установка других диодов с временем восстановления до 30 нс, например: MURS120, с временем обратного восстановления 25 нс. Обратное напряжение диода, выбранного в качестве D3, должно быть не менее чем сумма питающий напряжений положительного и отрицательного плеч усилителя. То есть, если напряжения питания усилителя, например +/- 50 В, то обратное напряжение диода D3 должно быть не менее 120 В (с учетом запаса по напряжению). Допустимый прямой ток диода D3 должен быть не менее 1 А. В качестве диода D3, не рекомендуется использовать диоды Шоттки из-за их крайне высокого обратного тока. Почти такие же требования предъявляются и к диоду D2: он должен быть максимально быстрым и иметь такое же допустимое обратное напряжение, как и диод D3. Однако, допускается установка диодов с меньшим допустимым током и немного большим временем обратного восстановления. В авторском варианте применен диод BAV102, с допустимым обратным напряжением и током 200 В и 0,25 А, соответственно, и временем обратного восстановления 50 нс. В качестве D2, допускается устанавливать диод той же модели что и в позиции D3.
Как выше уже упоминалось, IRS2092 имеет возможность ступенчатого задания необходимой продолжительности мертвого времени (оно задается с помощью резисторов R36 и R37). Всего ступеней четыре: 25, 40, 65 и 105 нс. Установленное значение мертвого времени зависит от напряжения на девятом выводе микросхемы DT.
Vcc — это значение напряжение на одноименном выводе питания микросхемы — Vcc (12 вывод микросхемы). В авторской схеме Vcc = 11,5 В. COM — напряжение на одноименном выводе микросхемы COM (10 вывод микросхемы).
Значение мертвого времени в авторском варианте усилителя выбрано равным 65 нс. Другие значения мертвого времени автор не использовал, хотя в теории, при использовании быстрых ключевых транзисторов IRFB5615, возможно как минимум на одну ступень снизить значение мертвого времени, что может положительно сказаться на уровне всех видов искажений.
Обращаю ваше внимание на рекомендацию производителя IRS2092, согласно которой, ток через последовательно соединенные резисторы R36 и R37, должен быть не менее чем 0,5 мА. Из этого следует, что суммарное сопротивление резисторов R36+R37, не должно превышать — Vcc/0,0005, Ом. В авторском варианте Vcc=11,5 В, следовательно: R36+R37 2 , а при усилении музыкального сигнала — 8 А на 1 мм 2 .
Ниже приведена таблица, где указана максимальная выходная мощность, среднее и амплитудное значение выходного тока, в зависимости от напряжения питания усилителя и сопротивления нагрузки:
Указанные значения выходной мощности справедливы при использовании достаточно мощного, стабилизированного источника питания. При использовании не стабилизированного источника питания, фактическое значение выходной мощности будет ниже.
Синяя область таблицы — область безопасных режимов работы авторского варианта усилителя при пассивном охлаждении, красная — при использовании активного охлаждения. Желтым, показаны режимы недоступные для авторского варианта усилителя, но допустимые для IRS2092 при использовании другого конструктивного исполнения: схемы, платы, охлаждения и прочего.
Пример выбора номиналов выходного фильтра и сечения провода дросселя. Как пример — усилителя способный работать с широкополосным сигналом и сопротивлением нагрузки 4-8 Ом. Поскольку усилитель будет работать с широкополосным сигналом, частоту среза фильтра выбираем — 40 кГц. По таблице выбираем номиналы фильтров исходя из частоты среза — 40 кГц и среднего значения сопротивления нагрузки — 6 Ом. Получившиеся номиналы: L1 = 38 мкГн, C14 = 0,47 мкФ, C17 — не устанавливать. Чтобы получить индуктивность 38 мкГн, необходимо намотать 53 витка на кольце T106-2 (определяется по таблице выше). Сечение обмоточного провода выбираем исходя из максимальной выходной мощности, напряжения питания и минимального сопротивления подключаемой нагрузки. Предположим, что напряжение питания в данном случае +/- 45 В. Минимальное сопротивление подключаемой нагрузки — 4 Ом. По таблице, максимальная выходная мощность, при данном минимальном сопротивлении нагрузки — 201 Вт, а среднее значение выходного тока — 7,1 А. Пускай данный усилитель предназначен исключительно для усиления музыкального сигнала, а значит плотность тока в обмотке дросселя выбираем равную 8 А/мм 2 . Вычисляем сечение провода дросселя: 7,1 / 8 = 0,89 мм 2 . Выбираем обмоточный провод с ближайшим, большее существующее сечением и наматываем этим проводом необходимое количество витков на кольце T106-2, в нашем случае — 53 витка.
В случае применения кольца Т106-2 и других близких по габаритным размерам колец из смеси #2, задумываться о токе насыщения получившегося дросселя нет никакой необходимости, поскольку смесь #2 имеет очень низкую начальную проницаемость и очень высокий ток насыщения (Ампер на виток). Автору так и не удалось вогнать в насыщение дроссель состоящий из 83 витков провода на кольце Т106-2. Ток насыщения — более 60 А (больше выдать не позволил измерительный стенд). При меньшем числе витков, ток насыщения будет еще выше.
Помимо распыленного железа из смеси #2, в качестве сердечника для дросселя выходного фильтра, допускается использование колец из смеси #14 и #8 (первая предпочтительней), феррита с зазором и колец из альсифера. Однако, в этом случае, расчет количества витков дросселя и прочих параметров, вам придется производить самостоятельно, а также это скорее всего потребует переделки авторской или создания полностью другой печатной платы. Использование, в качестве сердечника выходного дросселя колец из других смесей порошкового железа, например из смесей #26 и #52 — не допустимо из-за их высокой зависимости магнитной проницаемости от величины тока протекающего через дроссель. Усилитель с таким дросселем работать будет, но будет иметь неудовлетворительные технические характеристики, особенно при высоких выходных мощностях.
Говоря о выходном фильтре, невозможно не вспомнить об остатке несущей частоты на выходе усилителя. Остаточная величина несущей частоты зависит от номиналов выходного фильтра и от самого значения несущей частоты. В авторском варианте усилителя, с авторскими номиналами элементов выходного фильтра, зависимость остаточной величины несущей от ее частоты, выглядит следующим образом:
200 кГц — 1,89 В
250 кГц — 1,20 В
300 кГц — 0,86 В
350 кГц — 0,62 В
400 кГц — 0,45 В
450 кГц — 0,36 В
500 кГц — 0,29 В
(Остаток несущей на выходе авторского варианта усилителя, несущая частота 350 кГц)
Технические характеристики авторского варианта усилителя. Технические характеристики усилителя снимались в железе, с помощью реальных измерительных приборов. В качестве источника питания усилителя использовался линейный источник питания на основе 200 Вт’ного силового трансформатора. Накопительные емкости — 15 000 мкФ в одном плече блока питания. Выходное напряжение блока питания на холостом ходу +/- 46 В. Все параметры, если не указано иного, измерены на частоте 1 кГц. Ниже представлена сводная таблица с техническими характеристиками авторского варианта усилителя при разных значениях выходной мощности и характере нагрузки:
Некоторое спектрограммы нелинейных искажений:
(Спектрограмма нелинейных искажений, нагрузка 4 Ом, выходная мощность 16 Вт)
(Спектрограмма нелинейных искажений, нагрузка 8 Ом, выходная мощность 8 Вт)
Некоторые спектрограммы интермодуляционных искажений:
(Спектрограмма интермодуляционных искажений, нагрузка 4 Ом, выходная мощность 16 Вт)
(Спектрограмма интермодуляционных искажений, нагрузка 8 Ом, выходная мощность 8 Вт)
Максимальная выходная мощность на нагрузку 4 Ом (резистор) = 155 Вт;
(Напряжение питания при этом просело с +/- 46 до +/- 42 В).
(Синус 1 кГц, нагрузка — резистор 4 Ом, перед клиппингом)
(Синус 1 кГц, нагрузка — резистор 4 Ом, начало клиппинга)
(Синус 1 кГц, нагрузка — резистор 4 Ом, глубокий клиппинг)
Диапазон воспроизводимых частот:
— на нагрузке 4 Ом = 2 — 39 000 Гц;
— на нагрузке 8 Ом = 2 — 50 000 Гц;
(Частотный диапазон, нагрузка — 4 Ом)
(Частотный диапазон, нагрузка — 8 Ом)
О горбе на АЧХ. Как выше уже отмечалось, при подключении нагрузки с сопротивление большим, чем сопротивление на которое рассчитывался выходной фильтр, на верхнем краю частотного диапазона всегда будет иметь место выброс. Происходит это из-за того, что схема включения IRS2092 предполагает снятие сигнала обратной связи до дросселя, то есть — выходной дроссель обратной связью не охватывается. По этой причине, возникающие резонансные колебания в выходном фильтре, когда сопротивление нагрузки нагрузки выше расчетного (в этом случае, выходной фильтр работает как колебательный контур), ничем не демпфируются: ни сопротивлением нагрузки, ни цепью обратной связи усилителя.
Следующим образом выглядит АЧХ усилителя, при подключении различных реальных нагрузок — динамика, сабвуфера и двух различных акустических систем:
Можно заметить, что выброс АЧХ при подключении реальных акустических система — гораздо больше по величине, чем при подключении чисто резистивной нагрузки (серый график). Связано это скорее всего с тем, что импеданс реальных акустических систем нелинеен и увеличивается с ростом частоты. Особенно это заметно на примере АЧХ сабвуфера (черный график). Несмотря на то, что сабвуфер имеет номинальный импеданс 4 Ом, соответствующий сопротивлению, на которое рассчитывался выходной фильтр авторского варианта усилителя, поэтому в теории выброса на АЧХ быть вообще не должно, но на практике — выброс самый значительный. Дело в том, что сабвуферный динамик предназначен лишь для воспроизведения низких частота, поэтому на частотах близких к 20 кГц, его импеданс возрастает гораздо сильней, чем возрастает импеданс акустических систем имеющих в своем составе ВЧ динамик.
Данный неприятный эффект не является следствием неисправности конкретного устройства. Такой же эффект будет наблюдаться в любом усилителе на базе IRS2092 и в любом другом усилителе класса D, где выходной фильтр не охвачен общей отрицательной обратной связью. К сожалению, полностью устранить данное паразитное явление — невозможно. Единственное, что можно сделать для снижения данного неприятного эффекта — рассчитывать выходной фильтр на максимальное сопротивление подключаемой нагрузки. Однако при этом, когда подключена нагрузка с меньшим сопротивлением, спад АЧХ на верхнем краю АЧХ, начнется еще в звуковом диапазоне частот. В связи с этим, идеальное применение данного усилителя — активная акустика с полосовым усилением или активный сабвуфер. В обоих случаях, усилитель будет работать с одним или несколькими динамиками, импеданс которых точно известен, что позволяет точно рассчитать выходной фильтр под известное сопротивление нагрузки, чтобы максимально снизить величину горба на верхнем крае частотного диапазона или полностью его устранить.
Зависимость параметров усилителя от значения несущей частоты. В процессе испытаний усилителя, автор просто не мог не проверить, насколько сильно зависят параметры усилителя, а именно — нелинейные и интермодуляционные искажения, от значения несущей частоты. В результате получилась следующая таблица:
(зависимость параметров усилителя от значения несущей частоты, нагрузка — 4 Ом, выходная мощность — 16 Вт)
Надо сказать, что получен довольно необычный результат. Предполагалось, что с увеличением значения несущей частоты, все виды искажений должны снижаться, однако на практике все не совсем так. Можно видеть, что минимальный уровень нелинейных и интермодуляционных искажений получен при значении несущей частоты 200 и 500 кГц, а максимальный уровень искажений — при среднем значении несущей частоты 300 кГц. То есть, при увеличении несущей частоты до 300 кГц, уровень всех видов искажений сначала увеличиваются, а после 300 кГц — снижается с увеличением значения несущей частоты. Скорее всего, происходит это по причине того, что при работе усилителя со значением несущей частоты около 300 кГц, возникают какие-то паразитные резонансных явления.
Такой же эксперимент был проведен при большем значении выходной мощности усилителя (130 Вт), результат получился следующий:
(зависимость параметров усилителя от значения несущей частоты, нагрузка — 4 Ом, выходная мощность — 130 Вт)
Здесь уже можно видеть совершенно другой результат, а именно, что зависимости величины нелинейных и интермодуляционных искажений от значения несущей частоты — почти нет. Лишь при значении несущей частоты 500 кГц, происходит относительно резкое падение нелинейных искажений на 0,013 %.
Стоит уточнить, что искажения измерялись на частоте 1 кГц. Зависимость нелинейных и интермодуляционных искажений от значения несущей частоты, будет гораздо боле выражена на более высоких частотах.
Синусоидальный сигнала на выходе усилителя. Далее будут показаны осциллограммы синусоиды различной частоты на выходе усилителя.
(Частота 1 кГц, нагрузка 4 Ом)
(Частота 3 кГц, нагрузка 4 Ом)
(Частота 5 кГц, нагрузка 4 Ом)
(Частота 10 кГц, нагрузка 4 Ом)
(Частота 20 кГц, нагрузка 4 Ом)
Начиная с частоты 5 кГц, становится отчетливо видна дискретность выходного сигнала и некоторые паразитные выбросы. Однако, боятся этого не стоит, поскольку ни один динамик, в силу своей механической инерционности не сможет воспроизвести сигнал в том виде, в котором вы видите это на экране осциллографа. Из-за той же инерционности динамика, форма сигнала будет сглажена и вы услышите самый обычный, привычный синус или другой сигнал.
Субъективные впечатления от прослушивания. Экспресс прослушивание, если его можно так назвать, происходило с использованием двухполосной акустической системы с номинальным значением импеданса — 8 Ом. При субъективном сравнении с усилителем класса AB, в низкочастотной и среднечастотной части диапазона, при быстром переключении усилителей, каких-либо заметных отличий нет вообще. В высокочастотной части диапазона, при работе обсуждаемого в данной статье усилителя класса D, отчетливо ощущается подъем уровня и какая-то непривычная неестественность высоких. Правда спустя всего 3-5 минут, слух замыливается и перестает вовсе улавливать какую-либо разницу в сравнении с усилителем класса AB.
Немного о нагреве элементов усилителя и КПД. Учитывая, что речь идет об усилителе класса D — наверное это особенно интересный раздел данной статьи. Как уже могли видеть на заглавной фотографии статьи, ключевые транзисторы и транзистор стабилизатора напряжение драйвера IRS2092, установлены на достаточно мелком радиатора, площадь которого составляет всего около 90 см 2 . Данного радиатор хватило бы разве что для отвода тепла от предвыходных транзисторов типового усилителя класса AB. Авторский вариант усилителя, при работе на холостом ходу (без входного сигала, но с подключенной нагрузкой), потребляет от источника питания 5 Вт. Радиатор усилителя нагревается приблизительно до 45 градусов Цельсия. Нагрев обусловлен нагревом транзистора стабилизатора напряжения драйвера. Также, на плате греются гасящие резисторы питания аналоговой части усилителя. На холостом ходу, нагрева выходного дросселя не происходит. При работе усилителя на максимальной выходной мощности (около 150 Вт на нагрузку 4 Ом), радиатор усилителя нагревается до 75 градусов Цельсия. Микросхема IRS2092 — до 50 градусов. Кроме этого, до 50 градусов Цельсия, нагревается бустрепный диод на плате усилителя. Выходной дроссель также нагревает до 50 градусов. При выходной мощности 155 Вт, от источника питания усилитель потребляет 186 Вт, что соответствует КПД 83 %. Чтобы еще повысить КПД усилителя, необходимо отказаться от стабилизатора напряжения драйвера на плате усилителя, запитав последний от отдельного источника питания — это позволит увеличить КПД минимум на 5%.
Электромагнитное излучение. Первоначально, автор выбрал значение несущей частоты 350 кГц, как не слишком высокое и не слишком низкое значение, после чего приступил к испытаниям собранного усилителя. Испытания проходили рядом с персональным компьютером, приблизительно на расстоянии 30-40 см от монитора и клавиатура (системный блок находился гораздо дальше). Важное замечание: усилитель и компьютер, при этом были электрически никак не соединены, кроме как через общую электрическую сеть. При работе усилителя на холостом ходу и малых значениях выходной мощности, никаких странностей не наблюдалось. Все самое интересное начало происходить при выходной мощности усилителя близкой к максимальной. Клавиатура компьютера начала сходить с ума: на ней произвольно загорались и тухли светодиоды индикации режимов «Num Lock», «Caps Lock» и «Scroll Lock», самопроизвольно «нажимались» или залипали клавиши, а когда на них реально нажимали — не всегда срабатывали. Данное неприятное явление исчезало сразу как только испытуемый усилитель выключался или его выходная мощность снижалась. Все это говорит о том, что получившийся усилитель класса D, кроме того, что он усилитель, он еще немножечко — генератор помех. После увеличения несущей частоты с 350 до 375 кГц, клавиатура полностью перестала вести себя подобным образом. Вряд ли электромагнитное излучение из-за изменения несущей частоты полностью пропало, скорее всего просто на него перестала реагировать данная конкретная модель компьютерной клавиатуры. К сожалению, автор не имеет возможности произвести объективные измерения уровня излучаемых усилителем электромагнитных помех. Всем, кто собирается повторять авторский вариант усилителя или любой другой усилитель класса D, стоит быть готовым к тому, что этот усилитель может достаточно сильно гадить в эфир — это один из недостатков импульсных усилителей мощности.
Первое включение усилителя. Правильно собранное устройство, собранное из оригинальных и исправных деталей, запускаются сразу же и в какой-либо наладке не нуждается. Первое включение целесообразно производить с ограничением тока, включив например лампу накаливания последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора или входом импульсного источника питания. Движок подстроечного резистора R14, при первом включении должен находиться в среднем положении. Вход усилителя желательно замкнуть, к выходу подключить нагрузку в виде резистор. После первой подачи питающего напряжения, на выходе усилителя должен появиться остаток несущей частоты. Зафиксировать это можно с помощью осциллографа, либо частотомера. Вращением движка подстроечного резистора R14 настраивается желаемое значение несущей частоты. Рекомендую значение несущей частоты выбирать следующим: 200-300 кГц — для усилителя сабвуфера, 350-450 кГц — для широкополосного усилителя. В зависимости от используемых ключевых транзисторов и других факторов, могут быть доступны не все значения несущей частоты (при некоторых значениях, могут иметь место срывы генерации, сквозной ток, срабатывания токовой защиты усилителя). При точном повторении авторского варианта усилителя, доступен весь диапазон несущих частот. После выбора значения несущей частоты, усилитель можно считать готовым к работе. Однако, перед началом полноценной эксплуатации усилителя, желательно протестировать его в работе на разных частотах и мощностях.
Немного фотографий авторского варианта усилителя.
И в завершении статьи, выражаю благодарность Антону Наймушину и Илье Симонюку, за безвозмездном предоставленные автору радиоэлементы!
Источник