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).