Klasse D forstærkere Drift og applikationer

I denne moderne verden er hovedformålet med lydforstærkning i et lydsystem nøjagtigt at gengive og forstærke de givne indgangssignaler. Og en af ​​de største udfordringer er at have høj udgangseffekt med mindst mulig strømtab som muligt. Klasse D forstærkerteknologi har en stigende indflydelse på den levende lydverden ved at tilbyde høj effekt med nul effektafledning og mindre vægt end nogensinde før. I dag bliver bærbare musikkenheder mere og mere populære med den voksende efterspørgsel efter eksterne lyde i bærbare musikenheder.

Audioforstærkning sker undertiden med rørforstærkerteknologi, men disse er omfangsrige i størrelse og ikke egnede til bærbare elektroniske lydsystemer. For de fleste behov for lydforstærkning vælger ingeniører at bruge transistorer i lineær tilstand til at skabe en skaleret output baseret på en lille input. Dette er ikke det bedste design til lydforstærkere, fordi transistorer i lineær drift kontinuerligt vil lede, generere varme og forbruge strøm. Dette varmetab er hovedårsagen til, at lineær tilstand ikke er optimal til batteridrevne bærbare lydapplikationer. Der er mange klasser af lydforstærkere A, B, AB, C, D, E og F. Disse er klassificeret i to forskellige driftstilstande, lineær og skiftende.

Klasse D forstærker

Forstærkere i lineær tilstand - klasse A, B, AB og klasse C er alle forstærkere med lineær tilstand der har et output, der er proportionalt med deres input. Forstærkere i lineær tilstand mættes ikke, tændes helt eller slukkes helt. Da transistorer altid leder, genereres varme og bruger konstant strøm. Dette er grunden til, at lineære forstærkere har lavere effektivitet sammenlignet med skifteforstærkere. Switching Amplifiers-klasse D, E og F er Switch-forstærkere. De har højere effektivitet, som teoretisk skal være 100%. Dette skyldes, at der ikke er noget tab af energi til varmeafledning.

Hvad er en klasse D forstærker?

Klasse D-forstærker er en omskifterforstærker, og når den er i 'ON' -tilstand, vil den lede strøm, men har næsten nul spænding på tværs af kontakterne, og derfor spredes ingen varme på grund af strømforbrug. Når det er i 'OFF' -tilstand, vil forsyningsspændingen gå over MOSFET'erne , men på grund af ingen strømflow bruger afbryderen ingen strøm. Forstærkeren bruger kun strøm under tænd / sluk-overgange, hvis der ikke tages højde for lækstrømme. Klasse D forstærker bestående af følgende trin:

• PMW-modulator
• Skifte kredsløb
• Output lavpasfilter

Blokdiagram over klasse D forstærker

PMW-modulator

Vi har brug for en kredsløbsbygningssten kendt som en komparator. En komparator har to indgange, nemlig Input A og Input B. Når Input A er højere i spænding end Input B, vil output fra komparator gå til sin maksimale positive spænding (+ Vcc). Når input A er lavere i spænding end input B, vil komparatorens output gå til dets maksimale negative spænding (-Vcc). Nedenstående figur viser hvordan komparatoren fungerer i en klasse-D forstærker. Én indgang (lad det være Input A-terminal) leveres med signalet, der skal forstærkes. Den anden indgang (input B) forsynes med en nøjagtigt genereret trekantbølge. Når signalet øjeblikkeligt er højere i niveau end trekantsbølgen, bliver output positivt. Når signalet øjeblikkeligt er lavere i niveau end trekantsbølgen, bliver output negativt. Resultatet er en pulskæde, hvor impulsbredden er proportional med det øjeblikkelige signalniveau. Dette er kendt som 'Pulsbreddemodulation' eller PWM .

PMW-modulator

Skifte kredsløb

Selvom output fra komparatoren er en digital repræsentation af indgangssignalet, har det ikke magt til at drive belastningen (højttaler). Opgaven med dette skiftekredsløb er at give tilstrækkelig effektforøgelse, hvilket er vigtigt for en forstærker. Skiftekredsløbet er generelt designet ved hjælp af MOSFET'er. Det er meget vigtigt at designe, at koblingskredsløbene producerer signaler, der ikke overlapper hinanden, ellers støder du på problemet med at kortslutte din forsyning lige til jorden, eller hvis du bruger en delt forsyning, der korterer forsyningerne. Dette er kendt som en shoot-through, men det kan forhindres ved at indføre ikke-overlappende gate-signaler til MOSFET'erne. Den ikke-overlappende tid er kendt som død tid. Ved udformningen af ​​disse signaler skal vi holde dødtiden så kort som muligt for at opretholde et nøjagtigt udgangssignal med lav forvrængning, men skal være længe nok til at opretholde begge MOSFET'er fra at udføre på samme tid. Tiden, hvor MOSFET'erne er i lineær tilstand, skal også reduceres, hvilket vil hjælpe med at sikre, at MOSFET'erne fungerer synkront i stedet for at begge udfører på samme tid.

Til denne applikation skal der bruges strøm-MOSFET'er på grund af effektforøgelsen i designet. Klasse D-forstærkere bruges til deres høje effektivitet, men MOSFET'er har en indbygget kropsdiode, der er parasitisk, og som gør det muligt for strømmen at fortsætte med at frihjul i død tid. En Schottky-diode kan tilføjes parallelt med afløbet og kilden til MOSFET for at reducere tabene gennem MOSFET. Dette reducerer dets tab på grund af Schottky-dioden er hurtigere end kropsdioden i MOSFET, hvilket sikrer, at kropsdioden ikke ledes i løbet af død tid. For at reducere tabene på grund af højfrekvens er en Schottky-diode parallelt med MOSFET praktisk og nødvendig. Denne Schottky sikrer, at spændingen på tværs af MOSFET'erne, inden den slukkes. Den samlede drift af MOSFET'erne og outputtrinnet er analog med driften af ​​en synkron Buck-konverter . Indgangs- og udgangsbølgeformer for skiftekredsløbet er vist i nedenstående figur.

Skifte kredsløb

Output lavpasfilter

Den sidste fase af en klasse D-forstærker er udgangsfilteret, der dæmper og fjerner overtonerne i koblingssignalfrekvensen. Dette kan gøres med et fælles lavpasfilterarrangement, men det mest almindelige er en induktor og kondensatorkombination. Et 2. ordrefilter ønskes, så vi har en -40dB / Decade-roll-off. Området for afskæringsfrekvenser er mellem 20 kHz og ca. 50 kHz på grund af det faktum, at mennesker ikke kan høre noget over 20 kHz. Nedenstående figur viser andenordens Butterworth-filter. Hovedårsagen til, at vi vælger et Butterworth-filter, er, at det kræver den mindste mængde komponenter og har et fladt svar med en skarp afskæringsfrekvens.

Output lavpasfilter

Anvendelser af klasse D forstærker

Det er mere velegnet til bærbare enheder, fordi det ikke indeholder noget ekstra kølelegemearrangement. Så let at bære. Forstærker med høj effekt klasse D er blevet standard i mange elektroniske forbrugerapplikationer som f.eks

• Tv-apparater og hjemmebiografsystemer.
• Forbrugerelektronik med stort volumen
• Hovedtelefonforstærkere
• Mobil teknologi
• Automotive

Dette handler altså om drift og anvendelse af klasse D-forstærkere. Vi håber, at du har fået en bedre forståelse af dette koncept. Desuden spørgsmål vedrørende dette koncept eller implementering af eventuelle elektriske og elektroniske projekter , bedes du give din feedback ved at kommentere i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørgsmål til dig, Hvad er anvendelsen af ​​klasse D forstærker?