В сетях много информации на тему усилителей класса D. В основном, по готовым конструкциям или по схемам, взятым из сторонних источников, часто без каких-либо комментариев и с ошибками.
Однако, достаточно и весьма приличной информации по этим усилителям, например, здесь: "Усилитель класса D"
Мы разберемся с несколькими усилителями класса "D", используя инструментарий MULTISIM, позволяющий детально разобраться с их особенностями. Затем, познакомимся с характеристиками усилителей "в железе".
"УМД-500" Усилитель довольно простой. Он легко анализируется, собирается и имеет приличные характеристики. Состоит из 1...3 отдельных каналов, рис.1:
Схема выполнена по полумостовой схеме и реализована на основе классического ШИМ-контроллера TL494, драйвера IR2104, а также двух MOSFET транзисторов IRFZ44N.
Модельная схема подготовлена для анализа с применением MULTISIM-14. Можете скачать её на сайте www.radio-a.ru, в описании "УМД-500" усилители мощностью до 500 Вт, файл "UMD500_1.zip".
Модельная схема несколько упрощена и в неё добавлены некоторые вспомогательные элементы, для нормальной работы симулятора. Необходимые элементы (например, выходной LC-фильтр) добавим, когда будем рассматривать соответствующие цепи. В практической схеме все необходимые элементы имеются.
Комплектующие для усилителя выбраны известные, доступные, имеющие модели в MULTISIM. Можете заменить их на свои варианты.
Хорошее описание ШИМ-контроллера TL494 и особенностей его применения найдёте на странице сайта www.radio-a.ru в колонке "КОМПЛЕКТУЮЩИЕ" (левая колонка страницы, строчка внизу).
Параметры драйвера IR2104, транзисторов IRFZ44N и прочих элементов найдёте на просторах интернета.
Усилитель может отдать в нагрузку мощность до 500 Вт. Полоса частот от 20 до 12000 Гц. Сопротивление нагрузки от 1 Ома и более.
Проверку работы усилителя начнём с ШИМ-контроллера, а затем сделаем для силовой части.
Проверяем работу ШИМ-контроллера
Выбираем из модельной схемы "UMD500_1.zip" часть с ШИМ-контроллером:
Для проверки делаем следующее:
- резистор R6 заменяем на два отдельных, R61 и R62, подключенных к раздельным выходам ШИМ-контроллера c целью проверки генерации парафазных сигналов;
- с этой же целью вводим переключатель S1 и подключаем к нему вход "OTC" ШИМ-контроллера;
- "подключаем" "измерительные приборы": вольтметр XMM1, генератор XFG1, частотомер XFC1 и др.
Получившуюся модельную схему для проверки ШИМ-контроллера можете скачать там же: файл "UMD500_2.zip".
Сигнальные цепи для "приёма" усиливаемого сигнала, построены с использованием усилителя ошибки ШИМ-контроллера, генератора пилообразного напряжения и выходных повторителей:
На усилитель DA3, его "положительный" вход, подаётся усиливаемый сигнал и напряжение для смещения рабочей точки по постоянному току. "Отрицательный" вход DA3 замкнут в цепь его обратной связи. Для смещения используется опорное напряжение на выводе "U опорное" (к.14) контроллера, а уровень смещения задаётся делителем R2, R3. Второй усилитель DA4 не используется и заблокирован.
Генератор пилообразного напряжения реализуется с помощью DA6 и внешних времязадающих RC элементов, присоединённых к входам 5 и 6 ШИМ-контроллера.
К выходам 9 и 10 ШИМ-контроллера присоединены нагрузочные резисторы R61 и R62, на которые подаются ШИМ-импульсы. В зависимости от положения переключателя S1 (рис.3), по очереди или одновременно.
Так как в усилителе "УМД-500" применяется силовая часть, построенная по "полумостовой" схеме, то от ШИМ-контроллера требуется только один выходной сигнал и контроллер переведён в соответствующий режим, а выходные цепи объединены с целью повышения нагрузочной способности (R61 и R62 объединены в резистор R6, рис.1).
Используя модельную схему UMD500_2, можно определить параметры усилителя:
- динамический диапазон ШИМ-контроллера;
- чувствительность ШИМ-контроллера;
- полосу рабочих частот ШИМ-контроллера;
- величину нелинейных искажений ШИМ-контроллера;
- максимальную частоту ГПН ШИМ-контроллера
и некоторые другие параметры. Параметры ШИМ-контроллера являются определяющими для усилителя.
Определяем динамический диапазон ШИМ-контроллера
Схема для измерения динамического диапазона:
Из модельной схемы UMD500_2 убраны все лишние элементы, в сигнальную цепь ШИМ-контроллера добавлены управляемый источник напряжения V1, соединенный последовательно с генератором сигналов XFG1.
Измерения производим для:
- статического режима, при "выключенном" генераторе XFG1 ("Amplitude=0") и регулируемом V1;
- сигнального режима, при включенных XFG1 и V1, с выбранными значениями сигнала на частоте 1000 Гц и напряжения смещения.
Частота ГПН ~ 250 кГц. Параметры сигналов ШИМ-контроллера измеряются осциллографом XSC1 и измерителем длительности импульсов XFC2.
t имп - длительность импульса на выходе ШИМ-контроллера,
t паузы - длительность паузы между импульсами.
Результаты измерений приведены в Табл.1 и на графике, рис.6:
График:
Из результатов измерений видно, что зона достаточной линейности динамического диапазона находится в интервале входных напряжений от 0.8 до 3.6 В. Среднее значение 2.2 В. Максимальное амплитудное значение входного напряжения 3.6 - 2.2 = 1.4 В.
Динамический диапазон входной цепи контроллера можно определить ещё одним способом. Усиливаемый сигнал подается на усилитель DA3. Выходная цепь этого усилителя выведена на контакт 3 "Обратная связь", рис.7. "Подключаем" к нему осциллограф и видим, что в режиме усиления, сигнал должен быть в диапазоне от нуля до напряжения, при котором открывается DA2, примерно 2.5В. Смещение по положительному входу DA3 обеспечивает симметрирование усиливаемого сигнала относительно динамического диапазона выходной цепи DA3.
Проверяем качество преобразования ШИМ-контроллера
К выходной цепи ШИМ-контроллера подключаем интегрирующее RC-звено (R100, C100) для преобразования импульсного ШИМ-сигнала в линейный, рис.8.
Выставляем на источнике V1 смещение, равное 2.2 В (среднее значение входного напряжения). Подаем с генератора XFG1 сигнал частотой 1000 Гц, амплитудой 1.4 В.
Сравниваем сигналы на входе и выходе ШИМ-контроллера:
Сигналы сопоставимы, следовательно, качество преобразования достаточное. Количественную оценку нелинейных искажений сейчас выполнять не будем.
При выходе за динамический диапазон, наблюдаются обычные ограничения формы сигнала "сверху" и "снизу".
Чувствительность ШИМ-контроллера определим, как напряжение усиливаемого сигнала, соответствующее максимальному уровню неискажённого сигнала на выходе, на частоте 1000 Гц. Из двух предыдущих проверок, чувствительность составляет 1.4 В.
Чувствительность входной цепи ШИМ-контроллера можно увеличить или уменьшить, меняя коэффициент усиления усилителя DA3. Для этого в цепь обратной связи DA3 включаем элементы R5, R6 и C4, рис.10, как для обычного операционного усилителя. Смещение по положительному входу DA3 необходимо подкорректировать.
Например, можно получить чувствительность в 50 мВ, которой достаточно для работы с обычным микрофоном.
Проверяем АЧХ ШИМ-контроллера
Для измерений используем предыдущую схему. Изменяем частоту входного сигнала, измеряем амплитуду сигнала в выходной цепи (на RC-интеграторе).
Собственная частота среза RC-интегратора (100 кГц) находится значительно выше частотного диапазона усилителя и измерениям не мешает.
Результаты измерений приведены в Табл.2 и на графике, рис.11:
По результатам "измерений" видим, что полоса частот ШИМ-контроллера от 0 до 11 кГц.
Нижняя граница полосы fн равна нулю, так как в цепях нет разделительных конденсаторов.
Верхняя граница полосы fв определяется собственными скоростными характеристиками ШИМ-контроллера . Они и будут определять полосу частот усилителя в целом.
Далее разберёмся с выходными цепями ШИМ-контроллера TL494.
Параметры:
-Напряжение питания до 42 В.
-Напряжение на коллекторе выходного транзистора до 42 В.
-Ток коллектора выходного транзистора до 500 мА.
-Рассеиваемая мощность (при t< 45 °C) до 1000 мВт.
С такими параметрами можно сделать простейший усилитель класса "D", работающий на нагрузку в 8 Ом. Например, по схеме Рис.12
Мощность такого усилителя около 5 Вт, что весьма неплохо. При применении ключевых усилителей в выходных цепях, легко увеличить мощность усилителя в разы. Можете поэкспериментировать с этим усилителем.
Максимальная частота ГПН ШИМ-контроллера TL494 составляет ~ 500 кГц. Она практически не применяется. Типовая частота обычно берется в диапазоне от 100 до 250 кГц.
Применение ШИМ-контроллера
Применяется, как правило, в составе мощных импульсных усилителей или преобразователей электрической энергии, однако, возможно применение в виде самостоятельного маломощного усилителя и преобразователя.
Силовую часть усилителя исследуем во второй и последующих частях публикации.
Желающие поэкспериментировать, могут скачать модельную схему и получить ответы на свои вопросы.
Всем привет!
Есть вопросы - задавайте.
Приглашаю посетить наш сайт: "Практическая электроника".
