Werking en toepassingen van klasse D versterkers

In deze moderne wereld is het belangrijkste doel van audioversterking in een audiosysteem het nauwkeurig reproduceren en versterken van de gegeven ingangssignalen. En een van de grootste uitdagingen is om een ​​hoog uitgangsvermogen te hebben met zo min mogelijk vermogensverlies. Klasse D-versterkertechnologie heeft een steeds grotere impact op de live geluidswereld door een hoog vermogen te bieden zonder vermogensverlies en minder gewicht dan ooit tevoren. Tegenwoordig worden draagbare muziekapparaten steeds populairder door de groeiende vraag naar externe geluiden in draagbare muziekapparaten.

Audioversterking wordt soms gedaan met buizenversterkertechnologie, maar deze zijn omvangrijk en niet geschikt voor draagbare elektronische geluidssystemen. Voor de meeste behoeften op het gebied van audioversterking kiezen ingenieurs ervoor om transistors in lineaire modus te gebruiken om een ​​geschaalde output te creëren op basis van een kleine input. Dit is niet het beste ontwerp voor audioversterkers omdat transistors in lineaire werking continu geleiden, warmte genereren en stroom verbruiken. Dit warmteverlies is de belangrijkste reden waarom de lineaire modus niet optimaal is voor draagbare audiotoepassingen op batterijen. Er zijn vele klassen audioversterkers A, B, AB, C, D, E en F. Deze zijn onderverdeeld in twee verschillende bedrijfsmodi: lineair en schakelen.

Klasse D-versterker

Versterkers in lineaire modus - Klasse A, B, AB en klasse C zijn alle versterkers in lineaire modus die een output hebben die evenredig is met hun input. Versterkers in lineaire modus verzadigen niet, schakelen volledig in of uitschakelen volledig. Omdat de transistors altijd geleidend zijn, wordt er warmte gegenereerd en wordt er continu stroom verbruikt. Dit is de reden waarom lineaire versterkers een lager rendement hebben in vergelijking met schakelende versterkers. Schakelversterkers-Klasse D, E en F zijn schakelversterkers. Ze hebben een hogere efficiëntie, die theoretisch 100% zou moeten zijn. Dit komt doordat er geen energie verloren gaat aan warmteafvoer.

Wat is een Klasse D-versterker?

Klasse D-versterker is een schakelende versterker en wanneer deze in de 'AAN' -stand staat, zal hij stroom geleiden, maar heeft hij bijna geen spanning over de schakelaars, daarom wordt er geen warmte afgevoerd vanwege het stroomverbruik. Als het in de “UIT” -modus is, loopt de voedingsspanning over de MOSFET's , maar omdat er geen stroom vloeit, verbruikt de schakelaar geen stroom. De versterker verbruikt alleen stroom tijdens de aan / uit overgangen als geen rekening wordt gehouden met lekstromen. Klasse D-versterker bestaande uit de volgende fasen:

• PMW-modulator
• Schakelcircuit
• Uitgang laagdoorlaatfilter

Blokschema van klasse D-versterker

PMW-modulator

We hebben een circuitbouwsteen nodig die bekend staat als een comparator. Een comparator heeft twee ingangen, namelijk ingang A en ingang B. Wanneer ingang A een hogere spanning heeft dan ingang B, gaat de uitgang van de comparator naar zijn maximale positieve spanning (+ Vcc). Als ingang A een lagere spanning heeft dan ingang B, gaat de uitgang van de comparator naar de maximale negatieve spanning (-Vcc). De onderstaande afbeelding laat zien hoe de comparator werkt in een Klasse-D versterker. Een ingang (laat het ingang A-aansluiting zijn) wordt geleverd met het te versterken signaal. De andere ingang (ingang B) wordt geleverd met een nauwkeurig gegenereerde driehoeksgolf. Wanneer het signaal onmiddellijk hoger in niveau is dan de driehoekige golf, wordt de uitvoer positief. Wanneer het signaal onmiddellijk lager in niveau is dan de driehoekige golf, wordt de uitvoer negatief. Het resultaat is een reeks pulsen waarbij de pulsbreedte evenredig is met het momentane signaalniveau. Dit staat bekend als ‘Pulsbreedtemodulatie’ of PWM ​

PMW-modulator

Schakelcircuit

Hoewel de uitvoer van de comparator een digitale weergave is van het ingevoerde audiosignaal, heeft deze niet het vermogen om de belasting (luidspreker) aan te drijven. De taak van dit schakelcircuit is om voldoende vermogensversterking te leveren, wat essentieel is voor een versterker. Het schakelcircuit is over het algemeen ontworpen met behulp van MOSFET's. Het is van cruciaal belang om te ontwerpen dat de schakelcircuits signalen produceren die elkaar niet overlappen, anders loopt u het probleem van kortsluiting van uw voeding rechtstreeks met aarde of als u een gesplitste voeding gebruikt, waardoor de voeding wordt kortgesloten. Dit staat bekend als doorschieten, maar het kan worden voorkomen door niet-overlappende poortsignalen naar de MOSFET's te sturen. De niet-overlappende tijd staat bekend als Dode tijd. Bij het ontwerpen van deze signalen moeten we de dode tijd zo kort mogelijk houden om een ​​nauwkeurig uitgangssignaal met lage vervorming te behouden, maar het moet lang genoeg zijn om te voorkomen dat beide MOSFET's tegelijkertijd geleiden. De tijd dat de MOSFET's in lineaire modus zijn, moet ook worden verkort, wat zal helpen verzekeren dat de MOSFET's synchroon werken in plaats van dat beide tegelijkertijd geleiden.

Voor deze toepassing moeten vermogens-MOSFET's worden gebruikt vanwege de vermogenswinst in het ontwerp. De Klasse D-versterkers worden gebruikt vanwege hun hoge efficiëntie, maar MOSFET's hebben een ingebouwde lichaamsdiode die parasitair is en ervoor zorgt dat de stroom tijdens de dode tijd vrij blijft lopen. Een Schottky-diode kan parallel aan de afvoer en bron van de MOSFET worden toegevoegd om de verliezen door de MOSFET te verminderen. Dit vermindert de verliezen omdat de Schottky-diode is sneller dan de lichaamsdiode van de MOSFET en zorgt ervoor dat de lichaamsdiode niet geleidt tijdens dode tijd. Om de verliezen als gevolg van hoge frequentie te verminderen, is een Schottky-diode parallel aan de MOSFET praktisch en noodzakelijk. Deze Schottky zorgt ervoor dat de spanning over de MOSFET's gaat alvorens uit te schakelen. De algehele werking van de MOSFET's en de eindtrap is analoog aan de werking van een synchrone Buck-omzetter ​Invoer- en uitvoergolfvormen van het schakelcircuit worden weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Schakelcircuit

Uitgang laagdoorlaatfilter

De laatste fase van een Klasse D-versterker is het uitgangsfilter dat de harmonischen van de schakelsignaalfrequentie verzwakt en verwijdert. Dit kan worden gedaan met een gewone laagdoorlaatfilteropstelling, maar de meest gebruikelijke is een combinatie van inductor en condensator. Een 2e orderfilter is gewenst zodat we een -40dB / Decade roll-off hebben. Het bereik van de afsnijfrequenties ligt tussen 20 kHz en ongeveer 50 kHz vanwege het feit dat mensen niets boven 20 kHz kunnen horen. De onderstaande afbeelding toont het Butterworth-filter van de tweede orde. De belangrijkste reden waarom we voor een Butterworth-filter kiezen, is dat het de minste hoeveelheid componenten vereist en een vlakke respons heeft met een scherpe afsnijfrequentie.

Uitgang laagdoorlaatfilter

Toepassingen van Klasse D-versterker

Het is meer geschikt voor draagbare apparaten omdat het geen extra koellichaam bevat. Zo makkelijk mee te nemen. Krachtige klasse D-versterker is de standaard geworden in veel consumentenelektronica-toepassingen, zoals

• Televisietoestellen en thuisbioscoopsystemen.
• Grote hoeveelheden consumentenelektronica
• Koptelefoonversterkers
• Mobiele technologie
• Automobiel

Dit gaat dus allemaal over de werking en toepassingen van klasse D-versterkers. We hopen dat u dit concept beter begrijpt. Bovendien, eventuele vragen over dit concept of om deze te implementeren elektrische en elektronische projecten , geef alstublieft uw feedback door te reageren in het commentaargedeelte hieronder. Hier is een vraag voor jou, Wat zijn de toepassingen van de Klasse D-versterker?