Betrieb und Anwendungen von Verstärkern der Klasse D.

In dieser modernen Welt besteht das Hauptziel der Audioverstärkung in einem Audiosystem darin, die gegebenen Eingangssignale genau wiederzugeben und zu verstärken. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, eine hohe Ausgangsleistung bei möglichst geringem Leistungsverlust zu erzielen. Die Verstärkertechnologie der Klasse D wirkt sich zunehmend auf die Live-Sound-Welt aus, indem sie eine hohe Leistung ohne Verlustleistung und weniger Gewicht als je zuvor bietet. Heutzutage werden tragbare Musikgeräte mit der wachsenden Nachfrage nach externen Klängen in tragbaren Musikgeräten immer beliebter.

Die Audioverstärkung erfolgt manchmal mit Röhrenverstärkertechnologie, diese sind jedoch sperrig und nicht für tragbare elektronische Soundsysteme geeignet. Für die meisten Anforderungen an die Audioverstärkung verwenden Ingenieure Transistoren im linearen Modus, um einen skalierten Ausgang basierend auf einem kleinen Eingang zu erstellen. Dies ist nicht das beste Design für Audioverstärker, da Transistoren im linearen Betrieb kontinuierlich leiten, Wärme erzeugen und Strom verbrauchen. Dieser Wärmeverlust ist der Hauptgrund, warum der lineare Modus für batteriebetriebene tragbare Audioanwendungen nicht optimal ist. Es gibt viele Klassen von Audioverstärkern A, B, AB, C, D, E und F. Diese werden in zwei verschiedene Betriebsarten eingeteilt, linear und schaltend.

Klasse D Verstärker

Linearmodus-Leistungsverstärker - Klasse A, B, AB und Klasse C sind alle Linearmodusverstärker die einen Ausgang haben, der proportional zu ihrem Eingang ist. Linearmodusverstärker sind nicht gesättigt, vollständig eingeschaltet oder vollständig ausgeschaltet. Da die Transistoren immer leitend sind, wird Wärme erzeugt und verbraucht kontinuierlich Strom. Dies ist der Grund, warum lineare Verstärker im Vergleich zu Schaltverstärkern einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen. Schaltverstärker der Klassen D, E und F sind Schaltverstärker. Sie haben einen höheren Wirkungsgrad, der theoretisch 100% betragen sollte. Dies liegt daran, dass bei der Wärmeableitung kein Energieverlust auftritt.

Was ist ein Class D-Verstärker?

Der Klasse-D-Verstärker ist ein Schaltverstärker, der im eingeschalteten Zustand Strom leitet, jedoch über die Schalter eine Spannung von nahezu Null aufweist. Daher wird aufgrund des Stromverbrauchs keine Wärme abgeführt. Im AUS-Modus geht die Versorgungsspannung über die MOSFETs Da jedoch kein Strom fließt, verbraucht der Schalter keinen Strom. Der Verstärker verbraucht während der Ein / Aus-Übergänge nur dann Strom, wenn Leckströme nicht berücksichtigt werden. Klasse-D-Verstärker bestehend aus folgenden Stufen:

• PMW-Modulator
• Schaltkreis
• Tiefpassfilter ausgeben

Blockdiagramm eines Klasse-D-Verstärkers

PMW Modulator

Wir brauchen einen Schaltungsbaustein, der als Komparator bekannt ist. Ein Komparator hat zwei Eingänge, nämlich Eingang A und Eingang B. Wenn die Spannung von Eingang A höher ist als der von Eingang B, geht der Ausgang des Komparators auf seine maximale positive Spannung (+ Vcc). Wenn die Spannung von Eingang A niedriger als die von Eingang B ist, geht der Ausgang des Komparators auf seine maximale negative Spannung (-Vcc). Die folgende Abbildung zeigt wie der Komparator funktioniert in einem Class-D-Verstärker. Ein Eingang (sei es Eingang A) wird mit dem zu verstärkenden Signal versorgt. Der andere Eingang (Eingang B) wird mit einer präzise erzeugten Dreieckswelle versorgt. Wenn der Pegel des Signals augenblicklich höher als die Dreieckswelle ist, wird der Ausgang positiv. Wenn der Pegel des Signals augenblicklich niedriger als die Dreieckswelle ist, wird der Ausgang negativ. Das Ergebnis ist eine Impulskette, bei der die Impulsbreite proportional zum momentanen Signalpegel ist. Dies ist bekannt als 'Pulsweitenmodulation' oder PWM .

PMW Modulator

Schaltkreis

Obwohl der Ausgang des Komparators eine digitale Darstellung des Eingangs-Audiosignals ist, kann er die Last (den Lautsprecher) nicht ansteuern. Die Aufgabe dieser Schaltschaltung besteht darin, eine ausreichende Leistungsverstärkung bereitzustellen, die für einen Verstärker wesentlich ist. Die Schaltschaltung wird im Allgemeinen unter Verwendung von MOSFETs entworfen. Es ist sehr wichtig zu entwerfen, dass die Schaltkreise Signale erzeugen, die sich nicht überlappen, oder dass Sie auf das Problem stoßen, Ihre Versorgung direkt gegen Masse kurzzuschließen oder wenn Sie eine geteilte Versorgung verwenden, die die Versorgungen kurzschließt. Dies ist als Durchschießen bekannt, kann jedoch verhindert werden, indem nicht überlappende Gatesignale in die MOSFETs eingeführt werden. Die nicht überlappende Zeit wird als Totzeit bezeichnet. Beim Entwerfen dieser Signale müssen wir die Totzeit so kurz wie möglich halten, um ein genaues Ausgangssignal mit geringer Verzerrung aufrechtzuerhalten, müssen jedoch lang genug sein, um zu verhindern, dass beide MOSFETs gleichzeitig leiten. Die Zeit, in der sich die MOSFETs im linearen Modus befinden, muss ebenfalls reduziert werden, um sicherzustellen, dass die MOSFETs synchron arbeiten und nicht beide gleichzeitig leiten.

Für diese Anwendung müssen Leistungs-MOSFETs aufgrund der Leistungsverstärkung im Design verwendet werden. Die Klasse-D-Verstärker werden wegen ihres hohen Wirkungsgrads verwendet, aber MOSFETs haben eine eingebaute Körperdiode, die parasitär ist und es dem Strom ermöglicht, während der Totzeit weiter frei zu laufen. Parallel zum Drain und zur Source des MOSFET kann eine Schottky-Diode hinzugefügt werden, um die Verluste durch den MOSFET zu reduzieren. Dies reduziert seine Verluste, weil die Schottky-Diode ist schneller als die Body-Diode des MOSFET und stellt sicher, dass die Body-Diode während der Totzeit nicht leitet. Um die hochfrequenten Verluste zu reduzieren, ist eine Schottky-Diode parallel zum MOSFET praktisch und notwendig. Dieser Schottky stellt sicher, dass die Spannung an den MOSFETs vor dem Ausschalten anliegt. Der Gesamtbetrieb der MOSFETs und der Ausgangsstufe ist analog zum Betrieb eines Synchron Abwärtswandler . Die Eingangs- und Ausgangswellenformen der Schaltschaltung sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Schaltkreis

Tiefpassfilter ausgeben

Die letzte Stufe eines Klasse-D-Verstärkers ist das Ausgangsfilter, das die Harmonischen der Schaltsignalfrequenz dämpft und entfernt. Dies kann mit einer üblichen Tiefpassfilteranordnung erfolgen, am häufigsten ist jedoch eine Kombination aus Induktor und Kondensator. Ein Filter zweiter Ordnung ist erwünscht, damit wir einen Roll-Off von -40 dB / Dekade haben. Der Bereich der Grenzfrequenzen liegt zwischen 20 kHz und etwa 50 kHz, da Menschen über 20 kHz nichts hören können. Die folgende Abbildung zeigt den Butterworth-Filter zweiter Ordnung. Der Hauptgrund, warum wir uns für einen Butterworth-Filter entscheiden, ist, dass er die geringste Anzahl an Komponenten benötigt und eine flache Reaktion mit einer scharfen Grenzfrequenz aufweist.

Tiefpassfilter ausgeben

Anwendungen von Klasse-D-Verstärkern

Es ist besser für tragbare Geräte geeignet, da es keine zusätzliche Kühlkörperanordnung enthält. So einfach zu tragen. Hochleistungsverstärker der Klasse D sind in vielen Anwendungen der Unterhaltungselektronik zum Standard geworden, wie z

• Fernsehgeräte und Heimkinosysteme.
• Hochvolumige Unterhaltungselektronik
• Kopfhörerverstärker
• Mobile Technologie
• Automobil

Hier geht es also um den Betrieb und die Anwendungen von Verstärkern der Klasse D. Wir hoffen, dass Sie dieses Konzept besser verstehen. Darüber hinaus alle Fragen zu diesem Konzept oder zu implementieren Elektro- und Elektronikprojekte Bitte geben Sie Ihr Feedback, indem Sie im Kommentarbereich unten einen Kommentar abgeben. Hier ist eine Frage an Sie, Was sind die Anwendungen des Class D-Verstärkers?