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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Amplificador clase D para subwoofer. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de transistores El artículo describe las características operativas del UMZCH Clase D y presenta dos opciones para amplificadores de diferentes potencias, adecuados para su uso principalmente en el canal de baja frecuencia de un subwoofer. Como se señala en el artículo, es recomendable utilizar un amplificador de este tipo con un convertidor de voltaje de pulso, tanto de una batería como de una red de corriente alterna. Al desarrollar el diseño del amplificador, se debe prestar atención al blindaje de estos bloques. En relación con el desarrollo de la tecnología digital y los equipos de grabación de audio digital, existe un interés creciente en los dispositivos de amplificación que funcionan en modo clave, conocidos como amplificadores de clase D. En dichos dispositivos, se realiza la modulación de ancho de pulso (PWM) de la señal. Sus ventajas incluyen, en primer lugar, una alta eficiencia, que en realidad alcanza el 98%. Además, estos amplificadores rentables se integran fácilmente con otros elementos de la ruta de audio digital, incluso en el mismo chip. Hoy en día, algunas empresas ya producen microcircuitos que excluyen cualquier procesamiento analógico de la señal de audio, y la conversión de una señal digital a analógica se produce directamente en la etapa de salida del amplificador de potencia. Estos microcircuitos se utilizan principalmente en equipos portátiles y portátiles con suministro de energía autónomo. En revistas [1] e Internet [2,3] se pueden encontrar descripciones de amplificadores (principalmente de automóvil) que funcionan en “clase T”. Tras un examen más detenido, resulta que los transistores en tales dispositivos también funcionan en modo de conmutación, y la introducción de una "nueva" clase de operación de amplificador aparentemente fue dictada por requisitos de marketing. Aunque en algunas fuentes la “clase T” aparece como “Clase D modificada”, es decir, una clase D modificada y no existen diferencias fundamentales con la clase D. Es solo que los amplificadores "clase T" usan un modulador PWM, en el que tanto la frecuencia como el ciclo de trabajo de los pulsos de salida dependen del voltaje de entrada. También hay información sobre amplificadores de una determinada “clase N” [4]. De hecho, este también es un amplificador que funciona en modo de conmutación, solo que está combinado con una fuente de alimentación de red. Todos estos movimientos de patentes y marketing no deberían engañar a los lectores. Este artículo describe algunas de las ventajas y desventajas de un amplificador Clase D con dos ejemplos de diseños de circuitos. La base de un amplificador que funciona en modo clase D son los potentes interruptores, generalmente basados en transistores MOS, que se caracterizan por una alta velocidad y una baja resistencia del canal en estado abierto. Gracias al uso de transistores en modo de conmutación (ya sea encendido o apagado), se logra la alta eficiencia de este tipo de amplificadores. Los transistores de interruptores potentes de dicho UMZCH están controlados por un modulador de ancho de pulso (PW), que convierte los valores instantáneos de la señal de entrada en el ciclo de trabajo correspondiente de los pulsos, y el valor cero de la señal corresponde a un ciclo de trabajo de 2 (onda cuadrada). Normalmente los pulsos tienen una amplitud cercana al voltaje de la fuente de alimentación. El nivel de la señal de salida se puede ajustar cambiando los parámetros del modulador PHI y el voltaje de suministro de la etapa clave. Desde la etapa de salida, la señal se alimenta a la carga (altavoz) a través de un filtro de paso bajo LC (LPF), que separa los componentes del rango de frecuencia de audio de la señal PWM. Cabe señalar que la calidad de la señal de salida, determinada por el nivel de distorsión y el ancho de banda de las frecuencias amplificadas, depende en gran medida de la frecuencia de conmutación, y las señales de alta frecuencia siempre se amplifican con mayor distorsión que las de baja frecuencia. El aumento de la frecuencia de conmutación conduce a una disminución de la distorsión, que es principalmente de naturaleza de intermodulación. En la Fig. La Figura 1 muestra formas de onda de señales características de un amplificador clase T.
Actualmente, la industria produce una amplia gama de dispositivos semiconductores que permiten alcanzar frecuencias de conmutación operativas de hasta varios cientos de kilohercios e incluso varios megahercios. Los amplificadores con tales frecuencias de conmutación son capaces de amplificar señales de todo el rango de audio con un nivel aceptable de distorsión. Los amplificadores descritos aquí tienen frecuencias de conmutación relativamente bajas, por lo que son adecuados para amplificar señales en la porción de baja frecuencia del rango de audio (normalmente por debajo de 200 Hz). Un amplificador de este tipo puede ser un componente de un subwoofer activo de cine en casa. Si se reducen los requisitos de calidad de la señal, se puede utilizar como parte del equipo y para todo el rango de frecuencias de audio. El circuito del amplificador más simple que opera en modo clase D se muestra en la Fig. 2.
En este dispositivo, una potente etapa amplificadora se combina con un modulador SHI. Consideremos el esquema con más detalle. El amplificador operacional DA1 se utiliza como comparador que compara las señales en la entrada y salida del amplificador. Los pulsos modulados por la señal de la salida del amplificador operacional se alimentan a una cascada push-pull con transistores de efecto de campo VT1, VT2. Los diodos Zener VD1, VD2 son necesarios para eliminar la corriente a través de los potentes transistores de la etapa de salida. Esta corriente se produce durante la conmutación del interruptor y es la principal fuente de reducción de eficiencia en etapas push-pull diseñadas incorrectamente. Las resistencias R3, R4 son necesarias para descargar la capacitancia de puerta de los transistores de efecto de campo. El inductor L1 y el condensador C4 forman un filtro de paso bajo desde el cual la señal de salida va al altavoz. Además, la señal de salida se suministra a la entrada no inversora del amplificador operacional DA1 a través del divisor R5R1, que determina la ganancia del amplificador. La resistencia R2 establece la resistencia de entrada del amplificador; si es necesario, se puede aumentar. Los chips DA2 y DA3 estabilizan la tensión de alimentación del dispositivo. El principio de funcionamiento del amplificador es bastante sencillo. De hecho, el amplificador es un generador cuya frecuencia está determinada por la frecuencia de resonancia del circuito L1C4. Debido al hecho de que la amplitud de la señal de pulso en la salida del amplificador es constante (y casi igual al voltaje de suministro), un cambio en el voltaje en la entrada inversora del amplificador operacional conduce a un cambio en el deber Ciclo y frecuencia de los pulsos que entran al circuito. Cabe señalar que cuando se conecta una carga, la naturaleza de las oscilaciones en el circuito se vuelve aperiódica. En este caso, la frecuencia de conmutación está determinada no solo por los parámetros del circuito L1C4, sino también por la ganancia de todo el dispositivo con un circuito de retroalimentación abierto, así como por el retardo de conmutación de las etapas. Una característica especial del amplificador es la presencia de fluctuaciones de voltaje de alta frecuencia a través de la carga. Para un subwoofer, esto no es una desventaja, ya que la resistencia del cabezal a frecuencias ultrasónicas es bastante alta. Sin embargo, al conectar altavoces multivía a un amplificador, es posible que fluya una corriente notable a través del cabezal HF. Para eliminar esta corriente en la salida del amplificador, es necesario activar un filtro de paso bajo adicional que no forma parte del circuito de retroalimentación. El amplificador se alimenta mediante una fuente de alimentación mediante transformador con una tensión de salida nominal de ±20 V y un pico de ondulación de hasta 4 V a plena carga. Si el transformador no tiene un devanado secundario con punto medio, se puede montar una fuente de alimentación bipolar mediante un circuito rectificador de media onda (Fig. 3), duplicando la capacitancia de los condensadores del filtro. El voltaje inverso máximo permitido de los diodos rectificadores debe exceder el doble del voltaje de circuito abierto de la fuente.
El amplificador se monta sobre una placa de pruebas. Condensadores C1, C4 - K73-17, C2, C3 - cualquier condensador de óxido para una tensión de funcionamiento de al menos 16 V. Es útil puentearlos con condensadores cerámicos o de película con una capacidad de 0,1...0,47 μF. El diseño utiliza análogos importados de los diodos Zener VD1, VD2 para un voltaje de 15 V. El inductor L1 tiene 100 vueltas de cable PETV de 0,6 mm en un núcleo magnético blindado BZO hecho de ferrita M2000NM-1. Las copas del circuito magnético se ensamblan con un espacio no magnético de aproximadamente 0,5 mm. Resistencias: cualquier dieléctrica metálica, por ejemplo, МШЧ С2-33. Aunque operar el amplificador con una carga de 4 ohmios a plena potencia no produce un calentamiento notable de ningún elemento, con voltajes rectificadores aumentados, se deben instalar chips estabilizadores integrados DAI y DA2 en los disipadores de calor. En lugar del amplificador operacional K544UD2, es posible utilizar KR574UD1, KR140UD11 (LM318), AD817 u otros microcircuitos con una frecuencia de ganancia unitaria de al menos 10 MHz. Los transistores de salida utilizados proporcionan una corriente de carga de hasta 2 A, pero si se desea, la potencia del amplificador se puede aumentar al máximo posible reemplazando los transistores por IRFZ34 (VT1) e IRFZ24 (VT2). Con tal reemplazo, la potencia de salida del amplificador está limitada únicamente por el voltaje de suministro máximo permitido del amplificador operacional. Un amplificador ensamblado correctamente a partir de piezas reparables no requiere ajuste. Sin embargo, para evitar daños a los transistores de salida debido a una instalación incorrecta, se recomienda conectar inicialmente su fuente a la fuente de alimentación a través de resistencias con una resistencia de 33...51 ohmios y una potencia de 1 W. Al configurar, debe conectar una carga equivalente a la salida del amplificador: una resistencia con una resistencia de 4...8 ohmios y una potencia de 10 W y cortocircuitar la entrada del amplificador. Cuando se enciende la alimentación en la entrada del filtro de paso bajo, se pueden observar usando un osciloscopio pulsos casi rectangulares con un ciclo de trabajo de aproximadamente 2 y una frecuencia de aproximadamente 80 kHz. Una desviación del valor del ciclo de trabajo del valor especificado indica la asimetría de la cascada. Los impulsos de corriente a través de resistencias adicionales deben tener una forma casi triangular. La presencia de emisiones significativas en los pulsos indica el flujo de corriente a través de los transistores de salida. En este caso, es necesario sustituir los diodos zener VD1, VD2 por otros con mayor voltaje de estabilización. Las ventajas de este amplificador incluyen la ausencia casi total de un proceso transitorio cuando se enciende. La eficiencia del amplificador está determinada principalmente por la eficiencia de los estabilizadores de voltaje de suministro. Se puede lograr un aumento de la eficiencia mediante el uso de estabilizadores de voltaje de pulso. Amplificador según el diagrama de la Fig. 4 se diferencia del descrito anteriormente en un circuito de etapa de salida más complejo. Se puede alimentar desde una fuente con un voltaje mayor que el voltaje de suministro máximo permitido del amplificador operacional.
Una característica de este UMZCH es el uso de una etapa de salida del amplificador operacional en el modo de limitación de corriente de salida. Esto le permite evitar la saturación de los transistores de su etapa de salida y, como resultado, aumentar la frecuencia de reloj del dispositivo. Con los transistores de salida indicados en el diagrama y los transistores VT1, VT2 con un alto voltaje permitido Uke max (al menos 60 V), el voltaje de suministro puede alcanzar ±50 V, lo que facilita el funcionamiento de una carga de alta resistencia. El coeficiente de distorsión armónica no supera el 0,3% a una frecuencia de 1 kHz con una potencia de salida sinusoidal de 60 W en una carga de 4 ohmios. El amplificador es capaz de funcionar en toda la gama de frecuencias de audio, mientras que el sonido tiene un cierto matiz de "casete" en las frecuencias superiores. La distorsión de intermodulación, medida por el método de doble tono en frecuencias de 19 y 20 kHz, alcanza el 14%, pero, curiosamente, esto no tiene un efecto "destructivo" en el sonido. La placa de circuito impreso para este amplificador se muestra en la fig. 5.
El inductor utilizado es el mismo que en el amplificador según el circuito de la Fig. 2. El funcionamiento prolongado del amplificador a una potencia de 80 W con una carga de 4 ohmios no provoca un calentamiento significativo de los componentes activos. Sin embargo, para operar el amplificador en climas cálidos, es aconsejable instalar transistores potentes y estabilizadores integrados en disipadores de calor de placas pequeñas. Si tiene la intención de utilizar un amplificador operacional de alta velocidad, por ejemplo AD817, es aconsejable reducir el número de vueltas de la bobina L1 entre una vez y media y dos veces. Al mismo tiempo, aumenta la frecuencia de conmutación operativa; En consecuencia, se reduce la distorsión a altas frecuencias en el rango de audio. La forma de onda de salida del amplificador operacional puede ser casi sinusoidal, mientras que los transistores de salida continúan funcionando en modo de conmutación debido a la alta ganancia de la etapa de presalida. El criterio principal para el funcionamiento del PA en modo de conmutación en este caso es la ausencia de corriente pasante a través de los transistores de salida. Las recomendaciones para reemplazar componentes en este UMZCH son similares a las descritas para la primera versión del circuito. Pero cuando se utiliza un amplificador operacional con una gran capacidad de carga, como el AD817, se debe reducir el voltaje de suministro del amplificador operacional para evitar el sobrecalentamiento. Para hacer esto, en lugar de los estabilizadores integrados 7815 y 7915, es necesario utilizar unos similares para un voltaje de 9... 12 V. Los transistores de salida deben ser complementarios con parámetros similares. Se debe dar preferencia a los transistores con la capacitancia de entrada más baja posible y una resistencia de canal baja (y lo mismo para transistores de diferentes tipos de conductividad) en el estado encendido. En principio, es posible utilizar transistores de salida bipolares; Para hacer esto, reduzca la resistencia de las resistencias R4, R6 a 33 ohmios. Sin embargo, debido al exceso significativo del tiempo de apagado sobre el tiempo de encendido de los transistores bipolares, se produce una corriente pasante a través de los transistores de la etapa push-pull y se pierde la principal ventaja del amplificador: alta eficiencia; Además, también aumentan las distorsiones no lineales. Para eliminar la corriente pasante, es necesario utilizar un controlador de pausa especial entre los momentos en que se apaga uno y se enciende otro potente transistor. El amplificador no requiere ajuste y, cuando se utilizan piezas reparables, comienza a funcionar inmediatamente. Como se señaló anteriormente, los amplificadores descritos están diseñados para usarse como parte de un subwoofer activo. La presencia de componentes de alta frecuencia en la señal de entrada puede provocar distorsiones de intermodulación desagradables para el oído, por lo que para limitar la banda de frecuencia de la señal amplificada por encima de 150 Hz se utiliza un filtro de paso bajo según el circuito de la Fig. Se recomienda 6. XNUMX.
Si el subwoofer está conectado a la salida del canal de baja frecuencia de una tarjeta de sonido SB Live 5.1 o similar, entonces no es necesario dicho filtro. En otros casos (por ejemplo, cuando se conecta a un sistema estéreo), dicho filtro puede ser necesario. El filtro de paso bajo consta de dos partes: un amplificador-sumador de entrada y el filtro de paso bajo de segundo orden con una frecuencia de corte sintonizable. La única característica del dispositivo es el ajuste del nivel de la señal de salida cambiando el coeficiente de retroalimentación del sumador usando la resistencia R3. Un filtro de paso bajo con una característica de Bessel de segundo orden no tiene características especiales. El filtro de paso bajo está montado sobre una placa de pruebas. Se pueden utilizar otros amplificadores operacionales, los recomendados para funcionamiento en amplificadores y corregidos para ganancia unitaria si se requiere un circuito de corrección externo. La resistencia de ajuste de sensibilidad variable R3 debe tener una característica de regulación B, y la resistencia de ajuste de frecuencia de corte R5 debe tener una característica de regulación A (lineal). Las resistencias R1 y R2 se pueden colocar directamente en los conectores conectados a la fuente de señal. En este caso, sólo será necesario conectar un cable blindado al filtro. LPF no necesita ser ajustado. Los amplificadores se pueden utilizar como parte de sistemas de audio (multimedia) de automóviles y de computadoras. Amplificador según el diagrama de la Fig. 4 se alimenta convenientemente desde una fuente de alimentación conmutada descrita en [5]. El voltaje de salida de la fuente de 30 V es suficiente para producir una potencia de salida máxima de 100 W en una carga de 8 ohmios. Es aconsejable utilizar dicha fuente para estabilizar el voltaje de suministro de la primera versión del amplificador; en este caso, la eficiencia del sistema será mayor. Cabe señalar que encender los amplificadores descritos durante un tiempo prolongado sin carga puede provocar un sobrecalentamiento y fallo de los transistores de salida. Si se supone que la carga se puede apagar por alguna razón durante el funcionamiento del amplificador, se debe conectar una resistencia con una resistencia de 100 ohmios y una potencia de al menos 2 W a la salida del filtro de paso bajo. Literatura
Autor: E. Saveliev, Tver
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Comentarios sobre el artículo: Arturo Los esquemas anteriores no son de clase d y cierran Alex El amplificador según el esquema de Dorofeev de repente se convirtió en clase D, qué modulación, qué frecuencia, de dónde vino, el autor aparentemente lo reimprimió y no llegó al fondo. Ivan Además, el error en el circuito, los transistores de salida deben conectarse directamente y no a través de los estabilizadores 7815.
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