Делаем усилитель низкой частоты класса "D". Часть2

1,5k full reads
2,1k story viewsUnique page visitors
1,5k read the story to the endThat's 75% of the total page views
1,5 minute — average reading time

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.

Рис.1. Подклассы импульсных усилителей
Рис.1. Подклассы импульсных усилителей

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":

Рис.2.Схема для проверки выходных цепей усилителя
Рис.2.Схема для проверки выходных цепей усилителя

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:

Табл.1. Мощности и КПД выходного каскада
Табл.1. Мощности и КПД выходного каскада

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.

Рис.3. АЧХ  выходного LC-фильтра
Рис.3. АЧХ выходного LC-фильтра

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".