Особенности ШИМ-контроллера TL494 разобрали в Части 1.
Небольшое вступление
В целом, принцип работы усилителя класса D очень напоминает принцип работы импульсного блока питания, но в отличие от него, на выходе, за счет широтно-импульсной модуляции, формируется не постоянное напряжение, а переменное, по форме соответствующее входному сигналу.
Теоретически, КПД подобных усилителей должен достигать 100%, но, к сожалению, сопротивление канала транзистора хоть и маленькое, но все же ненулевое. К тому же, существуют потери при переходных процессах (переключениях) силовых транзисторов. Но, тем не менее, КПД усилителей этого типа может достигать 90%-95%. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители. Коэффициент гармонических искажений при грамотном построении выходного фильтра можно довести до 0,01%, что является прекрасным результатом. Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная мощность - с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери в выходном фильтре.
Подобно аналоговым усилителям, импульсные усилители разделяются на подклассы AD и BD, причем их достоинства и недостатки тоже подобны. В усилителях класса AD в отсутствие входного сигнала выходной каскад продолжает работу, выдавая в нагрузку разнополярные импульсы одинаковой длительности. Это позволяет улучшить качество передачи слабых сигналов, но значительно снижает экономичность и порождает ряд технических проблем. В частности, приходится бороться с так называемым сквозным током, который возникает при одновременном переключении выходных транзисторов. Для устранения сквозного тока в выходном каскаде вводится мертвое время между закрыванием одного транзистора и открыванием другого.
Практическое применение находят более простые по конструкции: усилители класса BD, выходной каскад которых в отсутствие сигнала генерирует импульсы очень малой длительности или находится в состоянии покоя. Однако в усилителях этого типа наиболее сильно проявляется основной недостаток - зависимость уровня нелинейных искажений от частоты дискретизации и частоты сигнала. Кроме того, искажения возрастают при малых входных сигналах.
Наша задача - оценка отдельного канала усилителя "УМД-500".
Необходимая мощность достигается применением MOSFET транзисторов IRFZ44 и драйвера к ним IR2104. С каждым из этих элементов разбирать не будем, так как необходимой информации в интернет достаточно.
Выходной каскад усилителя работает в подклассе "AD", что определяется применяемым ШИМ-контроллером TL494.
Интересуют следующие параметры:
- Максимальная мощность выходного каскада и соответствующие ей параметры в выходной цепи;
- Номинальная мощность и соответствующие ей потребляемая мощность и КПД усилителя;
- Параметры LC звена в выходной цепи.
Используем модельную схему "UMD500_1.zip" (Часть1), устанавливаем необходимые параметры цепей, исходя из ограничений на параметры комплектующих, а также возможностей симулятора:
- Напряжение питания выходного каскада = 55 В (из данных на MOSFET);
- Сопротивление нагрузки = 1 Ом (начальная величина);
- Частоту ШИМ = 250 кГц (из первой части, для TL494);
- Амплитуду входного сигнала усилителя = 2В (из первой части, для TL494) ;
- Частоту входного сигнала = 1 кГц.
Индуктивность и ёмкости выходного LC-звена берём типовые, из соображений, что шлейф к громкоговорителю "не должен быть антенной" передатчика (проверим далее).
В схему добавляем переключатель S1 для "включения" выходного каскада по окончании переходного процесса при запуске усилителя.
"Обвешиваем" необходимыми измерительными приборами: осциллографами, ваттметрами, амперметрами и пр.
Ваттметр XWM1 применяется для измерения мощности в нагрузке.
Ваттметр XWM2 - для измерения мощности в цепи источника питания.
Амперметры XMM1 и XMM3 - для измерения тока в цепях силовых MOSFET транзисторов.
Получившуюся модельную схему "UMD500_3.zip" можете скачать на сайте www.radio-a.ru, в описании "УМД-500" усилители мощностью до 500 Вт, файл "UMD500_3.zip":
Максимальную мощность выходного каскада определяем для стационарного состояния усилителя, по окончании переходного процесса при включении.
"Отключаем" генератор XFG1, потенциометром R3 устанавливаем уровень смещения, соответствующий максимальной выходной мощности усилителя в статическом режиме. Изменяя сопротивление нагрузки от 1 Ом до 100 Ом, записываем показания "приборов", табл.1:
КПД рассчитываем по формуле: КПД = P нагр / P ист, где: P нагр - мощность в цепи нагрузки, P ист - мощность, потребляемая от источника.
Из табл.1 видим:
Максимальная мощность выходного каскада составляет ~ 1 кВт при питании от 55 В и при сопротивлении нагрузки 1 Ом.
Номинальная мощность выходного каскада составляет ~ 375 Вт при питании от 55 В и при сопротивлении нагрузки 4 Ом.
Необходимо отметить, что приведены статические параметры усилителя. Измерение динамических параметров - более сложная процедура. Делать её сейчас не будем, так как выполняется ОЦЕНКА усилителя. При необходимости, Вы можете выполнить необходимые исследования самостоятельно.
Исследуем АЧХ выходного LC-фильтра, рис.3.
Видим, рис.2, что верхняя частота среза 215 кГц, что соответствует требованиям при частоте ГПН 250 кГц. Частоты выше 215 кГц хорошо подавляются и шлейф к громкоговорителю антенной не будет.
В этом описании не представлена полнота сведений, весьма и весьма интересных и поучительных, получаемых в результате исследований.
Например, по переходным процессам при "включении" усилителя, при изменениях сопротивления в цепи нагрузки, по процессам в цепях MOSFET транзисторов, влияющим на параметры выходного LC-фильтра и пр.
Вы можете самостоятельно разобраться с этими и другими режимами, исследуя усилитель с помощью инструментария MULTISIM. Скачайте модельную схему, назначьте параметры цепей и изучайте, прежде, чем брать в руки паяльник. "Железный конь идёт на смену крестьянской лошади".
В следующей части рассмотрим мостовую схему выходного каскада усилителя класса "D".
Всем привет!
Есть вопросы - задавайте.
Приглашаю посетить наш сайт: "Практическая электроника".
