Делаем усилитель низкой частоты класса "D". Часть1

1,9k full reads
4,3k story viewsUnique page visitors
1,9k read the story to the endThat's 46% of the total page views
3,5 minutes — average reading time

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:

Рис.1.Схема отдельного канала усилителя "УМД-500"
Рис.1.Схема отдельного канала усилителя "УМД-500"

Схема выполнена по полумостовой схеме и реализована на основе классического ШИМ-контроллера TL494, драйвера IR2104, а также двух MOSFET транзисторов IRFZ44N.

Рис.2.Отдельный канал усилителя "УМД-500", модель для MULTISIM
Рис.2.Отдельный канал усилителя "УМД-500", модель для MULTISIM

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:

Рис.3.Часть схемы с ШИМ-контроллером
Рис.3.Часть схемы 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:

Рис.4.ОСновные цепи ШИМ-контроллера
Рис.4.ОСновные цепи ШИМ-контроллера

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:

Рис.5.Схема для измерения динамического диапазона
Рис.5.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:

Табл.1. Результаты измерений динамического диапазона
Табл.1. Результаты измерений динамического диапазона

График:

Рис.6.График измерений динамического диапазона
Рис.6.График измерений динамического диапазона

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.

Рис.7. Измерение динамического диапазона вторым способом
Рис.7. Измерение динамического диапазона вторым способом

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.

Рис.8.Схема для оценки качества преобразования
Рис.8.Схема для оценки качества преобразования

Сравниваем сигналы на входе и выходе ШИМ-контроллера:

Рис.9.Сигналы на входе и в выходной цепи ШИМ-контроллера.
Рис.9.Сигналы на входе и в выходной цепи 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.

Рис.10.Цепь ОС входного усилителя
Рис.10.Цепь ОС входного усилителя

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:

Табл.2. Результаты измерений АЧХ
Табл.2. Результаты измерений АЧХ
Рис.11. График АЧХ
Рис.11. График АЧХ

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

Рис.12.Простейший усилитель класса D на TL494
Рис.12.Простейший усилитель класса D на TL494

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".