WZMACNIACZE MOCY KLASY „D” I „H”
JAKUB ARNOLD
KONRAD CIEJEK
ADAM DRYGLAS
WOJCIECH FERET
kl V h 2001/2002
Wzmacniacze mocy są urządzeniami pracującymi na pograniczu
układów liniowych i nieliniowych z uwagi na duże poziomy sygnału wyjściowego.
Zależności ogólne dotyczące
wzmacniaczy mocy.
Wzmacniacz mocy jest
ostatnim członem toru elektroakustycznego. Zadaniem jego jest dostarczenie
sygnału o odpowiednio dużej mocy do przetwornika elektroakustycznego (głośnika,
słuchawki). Sygnały przenoszone przez tor elektroakustyczny to sygnały o
częstotliwościach zawierających się w przedziale 20-20000 Hz. Sygnały te
uzyskuje się przez przetworzenie sygnałów akustycznych na elektryczne lub w
sposób sztuczny jako tzw. syntezę mowy czy muzyki (karty dźwiękowe
mikrokomputerów i instrumenty elektroniczne).
Tor
elektroakustyczny składa się
zasadniczo z dwóch członów: tzw. audio-procesora i wzmacniacza mocy. Sygnał
wejściowy U1 po spreparowaniu w procesorze (regulacja siły głosu, barwy
dźwięku, redukcja szumów) doprowadzany jest do wzmacniacza mocy. Na
przetworniku elektroakustycznym obciążającym wzmacniacz wydzielana jest moc
wyjściowa Pwy.
Tor
elektroakustyczny
Wzmacniacz mocy
zasilany jest napięciem stałym, doprowadzana
jest więc moc nazywana mocą dostarczoną
Pd. Moc tą można w sposób prosty obliczyć we wzoru:
Pd=Uz*Iz
gdzie: Uz – napięcie
zasilania
Iz – średnia wartość prądu zasilania
Moc dostarczona do wzmacniacza z
zasilaniem napięciem symetrycznym (z dwóch źródeł) będzie równa sumie mocy
pobieranych z obu źródeł.
Moc wyjściowa Pwy
wydzielana na wyjściu wzmacniacza będzie wynosiła:
Pwy=U2*I2
Jest to iloczyn
wartości skutecznych prądu i napięcia wyjściowego. Znając rezystancję
obciążenia wzmacniacza R0 możemy posłużyć się innym wzorem:
Pwy=U2*U2/R0
Doprowadzony do
wzmacniacza sygnał wejściowy U1 także wywołuje przepływ prądu wejściowego a
więc doprowadza pewną moc tzw. wejściową. Praktycznie, dzięki dużej rezystancji
wejściowej większości wzmacniaczy mocy, jest ona do pominięcia na tle
poprzednio wymienionych.
Mając moc wyjściową i dostarczoną
możemy pokusić się o obliczenie sprawności
wzmacniacza, która oznacza, jaki procent mocy doprowadzonej do wzmacniacza
jest wydzielony na obciążeniu.
n=(Pwy/Pd)*100%
Sprawność
wzmacniaczy mocy nawet w najbardziej oszczędnej wersji jest mniejsza od 90%.
Reszta mocy doprowadzana do
wzmacniacza wydzielana jest w postaci ciepła w samym wzmacniaczu mocy. Nazywana
jest mocą traconą Pc:
Pc=Pd
- Pwy
Dla wzmacniacza mocy możemy określić
także wzmocnienie napięciowe Ku.
Daje ono obraz, jakiej wielkości sygnał należy doprowadzić do jego wejścia, aby
uzyskać napięcie wyjściowe wymagane do uzyskania zakładanej mocy wyjściowej.
Ku=U2/U1
Podane wyżej
parametry można oczywiście wyliczyć także dla wzmacniacza napięciowego, ale tam
nie mają one większego znaczenia. Pozostałe parametry wzmacniacza mocy dotyczą
wierności odtwarzania. Należą do nich: pasmo
częstotliwości, zniekształcenia
nieliniowe i poziom zakłóceń
(przydźwięk sieci). Często operuje się tzw. pasmem mocy- jest to zakres
częstotliwości, w jakim uzyskuje się określoną moc wyjściową przy
nieprzekroczonym poziomie zniekształceń nieliniowych.
Moc
znamionowa to moc wyjściowa, jaka może być wydzielana w ciągu 10 min przy
nieprzekroczonym, dopuszczalnym poziomie zniekształceń nieliniowych.
Najczęściej jest ona określana dla częstotliwości sygnału wynoszącej 1 kHz.
Ograniczenie 10 min wprowadza możliwość zadziałania zabezpieczenia termicznego.
Oznacza to możliwość zastosowania mniejszego radiatora i transformatora
sieciowego.
Moc
muzyczna, to chwilowa moc wyjściowa, jaka może być dostarczona do
obciążenia. Wiąże się ona ze stosowaniem do zasilania wzmacniaczy mocy
zasilaczy niestabilizowanych, które przy krótkich sygnałach impulsowych
utrzymują początkowe napięcie. Przy ciągłym wysterowaniu napięcie to spada,
zmniejszając moc wyjściową. Ponieważ sygnały
mowy i muzyki znacznie odbiegają od sinusoidy, istotne jest zachowanie się
wzmacniacza mocy przy sygnałach o różnych częstotliwościach (zniekształcenia
inercyjne i intermodulacyjne).
W czasach techniki lampowej całe
urządzenie, a więc i wzmacniacze mocy realizowano z wykorzystaniem lamp próżniowych.
Aktualnie prawie wyłącznie używa się do ich realizacji tranzystorów bipolarnych
lub unipolarnych. Stosowane są różne techniki, od wzmacniaczy na elementach
dyskretnych (pojedynczych tranzystorach) do wzmacniaczy scalonych.
2. Wzmacniacz mocy klasy D.
W obszar wzmacniaczy mocy wkracza także technika impulsowa. Praca
impulsowa elementów czynnych działających jako tzw. klucze posiada poważną
zaletę, jaką jest zminimalizowanie mocy traconej. Wzmacniacz mocy
wykorzystujący tranzystor końcowy sterowany impulsami o szerokości zależnej od
napięcia wejściowego to wzmacniacz mocy w klasie D
.
Wzmacniacz taki składa się z modulatora szerokości impulsów, klucza mocy i filtru dolnoprzepustowego FDP. Zasadniczym elementem modulatora szerokości impulsów jest komparator, na którego jedno wejście podawany jest sygnał wejściowy, a na drugie napięcie piłokształtne o częstotliwości z zakresu 100-200 kHz. Napięcie wyjściowe komparatora to impulsy prostokątne o tej częstotliwości i szerokości, zależnej od chwilowej wartości sygnału wejściowego. Wzmocnione, doprowadzane są przez FDP do obciążenia. Wartość średnia tych impulsów zależna jest od sygnału wejściowego i na nią reaguje przetwornik elektroakustyczny. Składowa zmienna sygnału wyjściowego jest filtrowana przez filtr dolnoprzepustowy. Największą zaletą tego rozwiązania jest bardzo duża sprawność, która może osiągnąć 90%.
Jeden z pierwszych wzmacniaczy klasy D o mocy 12 W, wykonany całkowicie
z elementów dyskretnych ( z tranzystorami 2N1012 w końcówce mocy) opracowano w
1968 roku. Jego
poważną wadą były:
niska częstotliwość próbkowania sygnału (zaledwie 8 kHz) oraz potężne wymiary,
które „zawdzięczał” przede wszystkim niezbyt doskonałym rdzeniom ówczesnych
dławików i transformatorów.
Pomimo niedoskonałości
konstrukcyjnych i fatalnej jakości odtwarzania dźwięku, opracowana zasada
działania wzmacniaczy impulsowych, które niemal od razu zakwalifikowano jako
pracujące w klasie D, niewiele do dzisiaj się zmieniła. Doskonale ilustruje ją
(rys.4). Komparator analogowy, którego rolę może pełnić wzmacniacz operacyjny o
dużym wzmocnieniu napięciowym, porównuje ze sobą dwa sygnały:
1. Referencyjny trójkątny, którego częstotliwość powinna być jak
najwyższa ( w nowoczesnych opracowaniach sięga nawet 2 MHz). Jest on zazwyczaj
podawany na wejście odwracające komparatora.
2. Analogowy sygnał audio, który jest podawany na wejście
nieodwracające komparatora. Jego amplituda powinna być zbliżona do amplitudy
trójkątnego sygnału referencyjnego.
W zależności od wartości napięcia (amplitudy) sygnału audio podawanego
na wejście, sygnał na wyjściu komparatora ma modulowane wypełnienie. Dla
sygnału wejściowego o wartości równej połowie amplitudy sygnału referencyjnego
współczynnik wypełnienia przebiegu wyjściowego komparatora wynosi 50%. Wraz ze
wzrostem poziomu napięcia na wejściu sygnału audio współczynnik wypełnienia
rośnie, wraz z jego obniżeniem się maleje także współczynnik wypełnienia. W ten
sposób następuje konwersja sygnału analogowego na zmodulowany przebieg PWM (Pulse Width
Modulation), którego uśredniona wartość niesie informację o chwilowej
amplitudzie sygnału wejściowego. Jest oczywiste, że wraz ze wzrostem
częstotliwości sygnału referencyjnego zwiększa się dokładność konwersji A/C
sygnału audio, co znajduje silne odbicie w jakości odtwarzanego sygnału.
Zwiększenie tej częstotliwości nie jest możliwe bez ograniczeń, ponieważ
dławiki niezbędne do filtrowania reprodukowanego sygnału, ze względu na duże
prądy płynące przez obciążenie oraz znaczną bezwładność magnetyczną rdzeni, są
bardzo trudne do wykonania.
Pomimo tych trudności coraz więcej
firm angażuje się w produkcję scalonych wzmacniaczy lub sterowników do
wzmacniaczy pracujących w klasie D. Jedną z rynkowych nowości jest układ
ZXCD1000, angielskiej firmy Zetex, będący nowoczesnym scalonym sterownikiem do
wzmacniaczy audio pracujących w klasie D.
Jego schemat blokowy przedstawiono na rysunku
powyżej. O ile mocowe parametry wzmacniacza nie należą do najbardziej
intrygujących (wyjściowa moc sinusoidalna wynosi 25 W), to energetyczna
sprawność wzmacniacza ( oraz jego wymiary, budzą prawdziwe uznanie.
Niewielkie wymiary
zewnętrzne udało się uzyskać projektantom wzmacniacza dzięki wysokiej
częstotliwości próbkowania, sięgającej 250 kHz, co pozwoliło ograniczyć wymiary
rdzenia dławika wyjściowego do możliwego obecnie minimum.
Pomimo niezbyt skomplikowanej
wewnętrznej budowy wzmacniacza, parametry toru audio są co najmniej
zadowalające: pasmo (z nierównomiernością -0,3 dB) sięga 20 kHz, maksymalne
zniekształcenia nieliniowe nie przekraczają 0,2%, a odstęp od poziomu szumów
będących efektem kluczowania prądów o dużych wartościach nie jest mniejszy
(średnio, dla szpilek widma) od 80 dB.
Ponieważ układ ZXCD1000
przystosowano do współpracy z tranzystorami MOSFET w końcówce mocy, jego
wzmacniacze wyjściowe są przystosowane do sterowania obciążeń pojemnościowych,
dzięki czemu ograniczona do 50 ns szybkość przeładowywania kondensatora
bramkowego nie wpływa na jakość odtwarzanego sygnału audio. Poprawę jego
jakości można uzyskać poprzez wyposażenie wzmacniacza w układ sprzężenia
zwrotnego, który dość znacznie komplikuje budowę wzmacniacza.
3. Wzmacniacz mocy klasy H
Istotnym problemem związanym ze
wzmacniaczami mocy jest odprowadzanie ciepła z tranzystorów końcowych
wzmacniaczy dużej mocy zasilanych z konieczności dużymi napięciami. Przy
odtwarzaniu audycji muzycznej przez większy czas, moc wyjściowa jest na średnim
poziomie, zbliżając się do maksymalnej w momentach fortissimo. Z tego też
względu opracowano wzmacniacze mocy z przełączanymi napięciami zasilania
pracującymi w klasie H
Przy małym wysterowaniu tranzystory
końcowe zasilane są napięciami symetrycznymi +-Uz/2. Zwiększenie wysterowania
powoduje włączenie napięć +-Uz za pośrednictwem dodatkowych tranzystorów
sterowanych szybkimi układami włączającymi. Fakt zwiększania napięcia zasilania
jest niezauważalny dla słuchacza. Zaletą tego rozwiązania jest zmniejszenie
mocy traconej przy małych wysterowaniach, co daje możliwość zmniejszenia
radiatora tranzystorów końcowych i zmniejsza średnią moc pobieraną przez
wzmacniacz – oszczędność energii.
Do realizacji wzmacniaczy mocy coraz
powszechniej stosowane są tranzystory polowe z izolowaną bramką. Ich właściwości
zbliżone są do właściwości lamp elektronowych. Dotyczy to zwłaszcza bardzo
dużej rezystancji wejściowej. Dzięki zastosowaniu tranzystorów polowych możliwe
stało się wykonanie wzmacniacza scalonego w technologii monolitycznej o mocy
100 W. Z wykorzystaniem tranzystorów bipolarnych w tej technice osiąga się moce
wyjściowe rzędu 50 W. Do budowy wzmacniaczy scalonych o mocach powyżej 50 W
stosowana jest technologia hybrydowa grubowarstwowa (ścieżki i rezystory
grubowarstwowe a tranzystory jako tzw.chipy).