Σε αυτόν τον σύγχρονο κόσμο, ο κύριος στόχος της ενίσχυσης ήχου σε ένα ηχοσύστημα είναι η ακριβής αναπαραγωγή και ενίσχυση των δεδομένων σημάτων εισόδου. Και μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι να έχουμε υψηλή ισχύ εξόδου με όσο το δυνατόν λιγότερη απώλεια ισχύος. Η τεχνολογία ενισχυτή κατηγορίας D έχει αυξανόμενο αντίκτυπο στον κόσμο του ζωντανού ήχου, προσφέροντας υψηλή ισχύ με μηδενική απορρόφηση ισχύος και μικρότερο βάρος από ποτέ. Σήμερα, οι φορητές συσκευές μουσικής γίνονται πιο δημοφιλείς με την αυξανόμενη ζήτηση για εξωτερικούς ήχους σε φορητές συσκευές μουσικής.
Η ενίσχυση του ήχου γίνεται μερικές φορές με τεχνολογία ενισχυτή σωλήνων, αλλά αυτά είναι ογκώδη σε μέγεθος και δεν είναι κατάλληλα για φορητά ηλεκτρονικά συστήματα ήχου. Για τις περισσότερες ανάγκες ενίσχυσης ήχου, οι μηχανικοί επιλέγουν να χρησιμοποιούν τρανζίστορ σε γραμμική λειτουργία για να δημιουργήσουν μια κλιμακωτή έξοδο με βάση μια μικρή είσοδο. Αυτός δεν είναι ο καλύτερος σχεδιασμός για ενισχυτές ήχου, επειδή τα τρανζίστορ σε γραμμική λειτουργία θα συνεχίζουν να διεξάγουν, να παράγουν θερμότητα και να καταναλώνουν ισχύ. Αυτή η απώλεια θερμότητας είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο η γραμμική λειτουργία δεν είναι η βέλτιστη για φορητές εφαρμογές ήχου που λειτουργούν με μπαταρία. Υπάρχουν πολλές κατηγορίες ενισχυτών ήχου A, B, AB, C, D, E και F. Αυτά ταξινομούνται σε δύο διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, γραμμικούς και διακόπτες.
Ενισχυτής κατηγορίας D
Ενισχυτές γραμμικής λειτουργίας - Κατηγορίες A, B, AB και η τάξη Γ είναι όλοι οι ενισχυτές γραμμικής λειτουργίας που έχουν έξοδο ανάλογη με την είσοδό τους. Οι ενισχυτές γραμμικής λειτουργίας δεν είναι κορεσμένοι, πλήρως ενεργοποιημένοι ή πλήρως απενεργοποιημένοι. Δεδομένου ότι τα τρανζίστορ είναι πάντα αγώγιμα, παράγεται θερμότητα και καταναλώνεται συνεχώς ισχύ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι γραμμικοί ενισχυτές έχουν χαμηλότερη απόδοση σε σύγκριση με τους ενισχυτές εναλλαγής. Οι ενισχυτές μεταγωγής-κλάσης D, E και F είναι οι ενισχυτές εναλλαγής. Έχουν υψηλότερη απόδοση, η οποία θεωρητικά θα πρέπει να είναι 100%. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας από την απαγωγή θερμότητας.
Τι είναι ο ενισχυτής κλάσης D;
Ο ενισχυτής κατηγορίας D είναι ένας ενισχυτής μεταγωγής και όταν βρίσκεται στην κατάσταση 'ON', θα μεταφέρει ρεύμα αλλά έχει σχεδόν μηδενική τάση στους διακόπτες, επομένως δεν καταναλώνεται θερμότητα λόγω κατανάλωσης ισχύος. Όταν είναι στη λειτουργία 'OFF', η τάση τροφοδοσίας θα περάσει τα MOSFET , αλλά λόγω μη ροής ρεύματος, ο διακόπτης δεν καταναλώνει καμία ισχύ. Ο ενισχυτής καταναλώνει ισχύ μόνο κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων on / off εάν δεν λαμβάνονται υπόψη τα ρεύματα διαρροής. Ενισχυτής κατηγορίας D που αποτελείται από τα ακόλουθα στάδια:
- Διαμορφωτής PMW
- Κύκλωμα μεταγωγής
- Φίλτρο χαμηλής διέλευσης εξόδου
Διάγραμμα μπλοκ ενισχυτή κλάσης D
Διαμορφωτής PMW
Χρειαζόμαστε ένα δομικό κύκλωμα γνωστό ως συγκριτικό. Ένας συγκριτής έχει δύο εισόδους, δηλαδή την είσοδο Α και την είσοδο Β. Όταν η είσοδος Α είναι υψηλότερη σε τάση από την είσοδο Β, η έξοδος του συγκριτή θα φτάσει στη μέγιστη θετική τάση (+ Vcc). Όταν η είσοδος A είναι χαμηλότερη σε τάση από την είσοδο B, η έξοδος του συγκριτή θα φτάσει στη μέγιστη αρνητική τάση (-Vcc). Το παρακάτω σχήμα δείχνει πώς λειτουργεί ο συγκριτής σε ενισχυτή Class-D. Μία είσοδος (ας είναι το Input A terminal) παρέχεται με το σήμα που πρόκειται να ενισχυθεί. Η άλλη είσοδος (Input B) παρέχεται με ένα τριγωνικό κύμα που δημιουργείται με ακρίβεια. Όταν το σήμα είναι στιγμιαία υψηλότερο σε επίπεδο από το τρίγωνο κύμα, η έξοδος πηγαίνει θετική. Όταν το σήμα είναι στιγμιαία χαμηλότερο σε επίπεδο από το τρίγωνο κύμα, η έξοδος πηγαίνει αρνητική. Το αποτέλεσμα είναι μια αλυσίδα παλμών όπου το πλάτος παλμού είναι ανάλογο με το στιγμιαίο επίπεδο σήματος. Αυτό είναι γνωστό ως «Διαμόρφωση πλάτους παλμού» ή PWM .
Διαμορφωτής PMW
Κύκλωμα μεταγωγής
Παρόλο που η έξοδος του συγκριτή είναι μια ψηφιακή αναπαράσταση του σήματος ήχου εισόδου, δεν έχει τη δύναμη να οδηγήσει το φορτίο (ηχείο). Ο σκοπός αυτού του κυκλώματος μεταγωγής είναι να παρέχει αρκετό κέρδος ισχύος, το οποίο είναι απαραίτητο για έναν ενισχυτή. Το κύκλωμα μεταγωγής είναι γενικά σχεδιασμένο χρησιμοποιώντας MOSFET. Είναι πολύ σημαντικό να σχεδιάσετε ότι τα κυκλώματα μεταγωγής παράγουν σήματα που δεν αλληλεπικαλύπτονται ή αλλιώς αντιμετωπίζετε το πρόβλημα της βραχυκύκλωσης της τροφοδοσίας σας απευθείας στη γείωση ή εάν χρησιμοποιείτε διαχωρισμένη τροφοδοσία βραχυκυκλώνοντας τις προμήθειες. Αυτό είναι γνωστό ως βολή, αλλά μπορεί να αποφευχθεί με την εισαγωγή μη επικαλυπτόμενων σημάτων πύλης στα MOSFET. Ο μη επικαλυπτόμενος χρόνος είναι γνωστός ως Dead time. Κατά το σχεδιασμό αυτών των σημάτων πρέπει να διατηρήσουμε τον νεκρό χρόνο όσο το δυνατόν συντομότερο για να διατηρήσουμε ένα ακριβές σήμα εξόδου χαμηλής παραμόρφωσης, αλλά πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για να διατηρούνται και τα δύο MOSFET ταυτόχρονα. Ο χρόνος που τα MOSFET βρίσκονται σε γραμμική λειτουργία πρέπει επίσης να μειωθεί, κάτι που θα σας βοηθήσει να διασφαλίσετε ότι τα MOSFET λειτουργούν συγχρονισμένα και όχι και τα δύο ταυτόχρονα.
Για αυτήν την εφαρμογή, τα MOSFET ισχύος πρέπει να χρησιμοποιούνται λόγω του κέρδους ισχύος στο σχεδιασμό. Οι ενισχυτές Class D χρησιμοποιούνται για την υψηλή τους απόδοση, αλλά τα MOSFET έχουν ενσωματωμένη δίοδο σώματος που είναι παρασιτική και θα επιτρέψει στο ρεύμα να συνεχίσει να περιστρέφεται ελεύθερα κατά τη διάρκεια του νεκρού χρόνου. Μια δίοδος Schottky μπορεί να προστεθεί παράλληλα με την αποστράγγιση και την πηγή του MOSFET για τη μείωση των απωλειών μέσω του MOSFET. Αυτό μειώνει τις απώλειές του επειδή η δίοδος Schottky είναι ταχύτερη από τη δίοδο σώματος του MOSFET, διασφαλίζοντας ότι η δίοδος σώματος δεν λειτουργεί κατά τη διάρκεια του νεκρού χρόνου. Για τη μείωση των απωλειών λόγω υψηλής συχνότητας, μια δίοδος Schottky παράλληλα με το MOSFET είναι πρακτική και απαραίτητη. Αυτό το Schottky διασφαλίζει ότι η τάση στα MOSFETs πριν απενεργοποιηθεί. Η συνολική λειτουργία των MOSFET και το στάδιο εξόδου είναι ανάλογη με τη λειτουργία ενός συγχρονισμού Μετατροπέας Buck . Οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου του κυκλώματος μεταγωγής φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.
Κύκλωμα μεταγωγής
Φίλτρο χαμηλής διέλευσης εξόδου
Το τελικό στάδιο ενός ενισχυτή Κλάσης D είναι το φίλτρο εξόδου που εξασθενεί και αφαιρεί τις αρμονικές της συχνότητας σήματος μεταγωγής. Αυτό μπορεί να γίνει με μια κοινή διάταξη φίλτρου χαμηλής διέλευσης, αλλά το πιο συνηθισμένο είναι ένας συνδυασμός επαγωγέα και πυκνωτή. Ένα δεύτεροorderfilter είναι επιθυμητό, έτσι ώστε να έχουμε -40dB / Decade roll-off. Το εύρος των διακοπών συχνοτήτων κυμαίνεται μεταξύ 20 kHz και περίπου 50 kHz λόγω του γεγονότος ότι οι άνθρωποι δεν μπορούν να ακούσουν τίποτα πάνω από 20 kHz. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το φίλτρο Butterworth δεύτερης τάξης. Ο κύριος λόγος για τον οποίο επιλέγουμε ένα φίλτρο Butterworth είναι ότι απαιτεί τη λιγότερη ποσότητα εξαρτημάτων και έχει μια επίπεδη απόκριση με απότομη συχνότητα αποκοπής.
Φίλτρο χαμηλής διέλευσης εξόδου
Εφαρμογές ενισχυτή κατηγορίας D
Είναι πιο κατάλληλο για φορητές συσκευές επειδή δεν περιέχει επιπλέον διάταξη ψύκτρας. Τόσο εύκολο στη μεταφορά. Ο ενισχυτής κατηγορίας D υψηλής ισχύος έχει γίνει στάνταρ σε πολλές ηλεκτρονικές εφαρμογές καταναλωτών όπως
- Τηλεοράσεις και συστήματα οικιακού κινηματογράφου.
- Ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης
- Ενισχυτές ακουστικών
- Κινητή τεχνολογία
- Αυτοκίνητο
Έτσι, αυτό αφορά τη λειτουργία και τις εφαρμογές ενισχυτών κατηγορίας D. Ελπίζουμε να έχετε καλύτερη κατανόηση αυτής της έννοιας. Επιπλέον, οποιεσδήποτε απορίες σχετικά με αυτήν την ιδέα ή για την εφαρμογή οποιουδήποτε ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά έργα , δώστε τα σχόλιά σας σχολιάζοντας την παρακάτω ενότητα σχολίων. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, Ποιες είναι οι εφαρμογές του ενισχυτή Class D;
