En aquest món modern, l'objectiu principal de l'amplificació d'àudio en un sistema d'àudio és reproduir i amplificar amb precisió els senyals d'entrada donats. I un dels majors desafiaments és tenir una potència de sortida elevada amb la mínima pèrdua d’energia possible. La tecnologia d'amplificadors de classe D té un impacte creixent en el món del so en viu, ja que ofereix una potència elevada amb dissipació de potència nul·la i menys pes que mai. Avui en dia, els dispositius de música portàtils són cada vegada més populars amb la creixent demanda de sons externs dels dispositius de música portàtils.
L'amplificació d'àudio de vegades es fa amb tecnologia d'amplificador de tub, però són de mida voluminosa i no són adequades per a sistemes de so electrònics portàtils. Per a la majoria de les necessitats d’amplificació d’àudio, els enginyers opten per utilitzar transistors en mode lineal per crear una sortida a escala basada en una entrada petita. Aquest no és el millor disseny per a amplificadors d’àudio, ja que els transistors en funcionament lineal de forma continuada condueixen, generen calor i consumeixen energia. Aquesta pèrdua de calor és la principal raó per la qual el mode lineal no és òptim per a aplicacions d'àudio portàtils que funcionen amb bateria. N’hi ha moltes classes d'amplificadors d'àudio A, B, AB, C, D, E i F. Es classifiquen en dos modes de funcionament diferents, lineals i de commutació.
Amplificador de classe D.
Amplificadors de potència en mode lineal: classe A, B, AB i la classe C són amplificadors de mode lineal que tenen una sortida proporcional a la seva entrada. Els amplificadors de mode lineal no es saturen, s’encenen completament ni s’apaguen completament. Com que els transistors sempre són conductors, es genera calor i consumeix energia contínuament. Aquesta és la raó per la qual els amplificadors lineals tenen una eficiència inferior en comparació amb els amplificadors de commutació. Els amplificadors de commutació de la classe D, E i F són amplificadors de commutació. Tenen una eficiència superior, que teòricament hauria de ser del 100%. Això es deu al fet que no hi ha pèrdua d’energia per la dissipació de calor.
Què és un amplificador de classe D?
L’amplificador de classe D és un amplificador de commutació i, quan està en estat “ON”, conduirà el corrent, però tindrà pràcticament zero voltatge a través dels commutadors, per tant no es dissipa calor a causa del consum d’energia. Quan es troba en mode 'OFF', la tensió d'alimentació creuarà els MOSFET , però a causa del no flux de corrent, l'interruptor no consumeix cap energia. L’amplificador només consumirà energia durant les transicions d’encès / apagat si no es tenen en compte els corrents de fuita. Amplificador de classe D que consta de les etapes següents:
- Modulador PMW
- Circuit de commutació
- Filtre de pas baix de sortida
Esquema de blocs de l'amplificador de classe D.
Modulador PMW
Necessitem un bloc constructiu de circuits conegut com a comparador. Un comparador té dues entrades, és a dir, l’entrada A i l’entrada B. Quan l’entrada A és més alta en tensió que l’entrada B, la sortida del comparador passarà al seu voltatge positiu màxim (+ Vcc). Quan l’entrada A té una tensió inferior a l’entrada B, la sortida del comparador passarà al seu voltatge negatiu màxim (-Vcc). La figura següent mostra com funciona el comparador en un amplificador de classe D. Una entrada (que sigui terminal d’entrada A) es subministra amb el senyal a amplificar. L’altra entrada (entrada B) es subministra amb una ona triangular generada amb precisió. Quan el senyal és instantàniament més alt que l’ona triangular, la sortida passa a ser positiva. Quan el senyal és instantàniament més baix de nivell que l'ona triangular, la sortida passa a ser negativa. El resultat és una cadena d’impulsos on l’amplada del pols és proporcional al nivell de senyal instantani. Això es coneix com 'Modulació de l'amplada de pols' o PWM .
Modulador PMW
Circuit de commutació
Tot i que la sortida del comparador és una representació digital del senyal d’àudio d’entrada, no té la potència per conduir la càrrega (altaveu). La tasca d’aquest circuit de commutació és proporcionar prou guany de potència, que és essencial per a un amplificador. El circuit de commutació es dissenya generalment mitjançant l'ús de MOSFET. És molt crucial dissenyar que els circuits de commutació produeixin senyals que no es superposin o, en cas contrari, tingueu el problema de curtcircuitar el subministrament directament a terra o si utilitzeu un subministrament dividit en curtcircuit. Això es coneix com a disparament, però es pot evitar mitjançant la introducció de senyals de porta no superposats als MOSFET. El temps que no se solapa es coneix com a Temps mort. En dissenyar aquests senyals hem de mantenir el temps mort el més breu possible per mantenir un senyal de sortida precís de baixa distorsió, però ha de ser prou llarg per mantenir els dos MOSFET de la mateixa manera. També s'ha de reduir el temps que els MOSFET estan en mode lineal, cosa que us ajudarà a assegurar que els MOSFET funcionen de manera sincrònica en lloc de fer-los tots dos al mateix temps.
Per a aquesta aplicació, s’han d’utilitzar MOSFET de potència a causa del guany de potència del disseny. Els amplificadors de classe D s’utilitzen per la seva alta eficiència, però els MOSFET tenen un díode corporal incorporat que és paràsit i permetrà que el corrent continuï en roda lliure durant el temps mort. Es pot afegir un díode Schottky en paral·lel al desguàs i a la font del MOSFET per reduir les pèrdues a través del MOSFET. Això redueix les seves pèrdues perquè el díode Schottky és més ràpid que el díode corporal del MOSFET, garantint que el díode corporal no es condueix durant el temps mort. Per reduir les pèrdues a causa de l’alta freqüència és pràctic i necessari un díode Schottky en paral·lel amb el MOSFET. Aquest Schottky assegura que el voltatge a través dels MOSFET abans d’apagar-se. El funcionament global dels MOSFET i l’etapa de sortida és anàleg al funcionament d’un sincrònic Convertidor de dòlars . Les formes d'ona d'entrada i sortida del circuit de commutació es mostren a la figura següent.
Circuit de commutació
Filtre de pas baix de sortida
La fase final d’un amplificador de classe D és el filtre de sortida que atenua i elimina els harmònics de la freqüència del senyal de commutació. Això es pot fer amb una disposició comuna del filtre de pas baix, però el més comú és una combinació d’inductors i condensadors. Es desitja un filtre de segona ordre perquè tinguem un llançament de -40dB / Decade. El rang de freqüències de tall és d'entre 20 kHz i aproximadament 50 kHz a causa del fet que els humans no poden sentir res superior a 20 kHz. La figura següent mostra el filtre Butterworth de segon ordre. La principal raó per la qual escollim un filtre Butterworth és que requereix la menor quantitat de components i té una resposta plana amb una freqüència de tall nítida.
Filtre de pas baix de sortida
Aplicacions de l'amplificador de classe D.
És més adequat per a dispositius portàtils perquè no conté cap tipus de dissipador de calor addicional. Tan fàcil de transportar. L'amplificador d'alta classe D de potència s'ha convertit en estàndard en moltes aplicacions electròniques de consum, com ara
- Televisors i sistemes de cinema a casa.
- Electrònica de gran volum
- Amplificadors d’auriculars
- Tecnologia mòbil
- Automoció
Per tant, es tracta d’operacions i aplicacions d’amplificadors de classe D. Esperem que tingueu una millor comprensió d’aquest concepte. A més, qualsevol consulta sobre aquest concepte o per implementar-ne qualsevol projectes elèctrics i electrònics Si us plau, doneu els vostres comentaris comentant a la secció de comentaris a continuació. Aquí teniu una pregunta, Quines són les aplicacions de l'amplificador de classe D?
