Усилвател от клас d за субуфер, разгледайте подробно

Усилвателят за субуфер клас D е компактен

Представен за първи път през 1958 г., усилвателят за субуфер от клас d набра популярност през последните години. Какво е това, какви предимства има пред другите видове аудио усилватели и защо клас D е от особен интерес за акустиката днес? Сега ще разгледаме усилвателя за субуфер клас d и ще го сравним с други типове.

Накратко за усилвателите

Тяхната функция е да възпроизвеждат входящите сигнали с елементите на изходящата верига, с необходимия (усилен) обем и мощност, при минимално разсейване на енергия и възможно най-малко изкривяване. И така:

Класификация

Според методите за работа с входящия сигнал и принципите на изграждане на усилвателни етапи, инструкцията разделя усилвателите на мощност на:

Аналогови, класове A, B, AB, H
Импулсен и цифров - клас D

Веднага трябва да се отбележи, че има много много различни класове, например C, A +, G, DLD, можете да изброявате дълго време:

Някои, тип C (имат ъгъл на прекъсване по-малък от 90 градуса) и следователно не се използват за усилване на звуци
Други видове се оказаха или твърде сложни, или много скъпи, или невероятно тромави, така че не се използват навсякъде или са изместени от най-популярните и обещаващи, не скъпи аналози.

В устройствата от клас А прекъсването на сигнала не се прилага в линейните участъци на характеристиките на тока и напрежението на усилващите елементи:

Това гарантира минимално количество нелинейни изкривявания, както при ниски мощности, така и при номиналнимощност
Цената за тези плюсове, впечатляваща консумация на енергия, големи размери и съответно тегло
Ефективността на устройствата от клас А е 15-30 процента, а мощността, която консумират, не зависи от стойността на изходната мощност
И мощността на разсейване е максимална за малки сигнали, излъчвани на изхода

Тук усилващите елементи вече работят с прекъсване от 90 градуса:

За да се осигури този режим на работа, се използва двутактна верига, това е, когато всяка част (цикъл) на веригата усилва своята част (половината) от сигнала
Основният проблем на усилвателите на звука от клас B е наличието на изкривявания, произтичащи от неговия поетапен преход от една полувълна на сигнала към друга.
При ниско ниво на входния сигнал нелинейните изкривявания са максимални
Предимството на клас B е висока ефективност, теоретично може да достигне 78 процента
Консумацията на енергия е пропорционална на изходната мощност, т.е. при липса на сигнал на входа, консумацията на енергия е нула
Но въпреки това е малко вероятно да намерите модерни модели усилватели от клас B.

Клас AB, както подсказва името му, е опит да се комбинират всички предимства на класовете A и B, за да се постигне висока ефективност и най-приемливото ниво на нелинейно изкривяване:

За да се отървете от стъпковия преход при превключване на усилващите елементи, се прилага ъгъл на прекъсване над 90 градуса, работната точка се взема в самото начало на линейния участък в характеристиката на тока и напрежението на сигнала
И при липса на сигнал на входа, усилващите елементи не са заключени, т.е. през тях протича „ток на покой“, понякога значителен
Това намалява ефективността, има незначителенпроблем със стабилизирането на тока на покой, но нелинейните изкривявания са значително намалени

Този клас е разработен изключително за автомобили, те имат ограничение на напрежението, което захранва изходните етапи:

Стимулите за създаването на клас H бяха, че естественият звуков сигнал има импулсен характер и средната му мощност е много по-ниска от пиковата (максимална)
Всъщност основата на неговата схема е усилвателят AB, който е свързан в мостова схема.
Акцентът на изобретението е използването на специална схема за удвояване на захранващото напрежение
Основният елемент на веригата за удвояване е кондензатор за съхранение с голям капацитет, който постоянно се зарежда от източник на захранване.
И при пикове на мощността този кондензатор се свързва от управляващата верига към веригата последователно с основния източник на захранване
В същото време захранващото напрежение на изходния етап на усилвателя се удвоява за част от секундата, което ви позволява да се справите с предаването на пиковия сигнал.
Въпреки това, такъв кондензатор за съхранение трябва да има достатъчен капацитет, в противен случай добра изходна мощност ще бъде осигурена само в средните и високите честоти.
Подобна идея с превключване на захранващото напрежение се използва и в други усилватели на мощност, не само за автомобили.
Усилвателите на звука с две или три нива на захранване на практика са импулсни усилватели с аналогов канал, който превръща цялата излишна енергия от импулси в топлина.
Усилвателите, изградени по тази схема, комбинират както дискретни, така и аналогови методи на усилване и, разбира се, заемат междинна позиция сред аналоговите и превключващите усилватели по отношение на тяхната ефективност и разсейване на топлината.
В такъв усилвател, за да се увеличи ефективността и да се намалиразсейване на топлината се прилага дискретно приближение по отношение на нивото на захранващото напрежение на самия аналогов канал към изходното напрежение
Има увеличение на ефективността поради намаляване на спада на напрежението в активното рамо, в сравнение с усилватели, които имат едностепенно захранване
Отличителна черта на такива звукови усилватели е, че превключването на ключовите им елементи се извършва с честота на сигнала
А филтрирането на висшите хармоници се извършва в аналоговата част на усилвателя чрез преобразуване на хармоничната енергия в топлина
Загубите на топлина в аналоговата част са много ниски, те се компенсират до известна степен от загуби при превключване и загуби в самия филтър при висока тактова честота
Има оптимален брой стъпки на захранващото напрежение, когато сложността на веригата е оправдана от увеличаване на ефективността и намаляване на цената на мощните транзистори в аналоговата част
Усилвателите от клас H са 83 процента ефективни с 0,1 процента изкривяване

Клас D - счита се за напълно отделен, отделен клас усилватели, налично е производство от типа "направи си сам":

По-логично е да ги наречем импулсни, но името "цифрови" е болезнено здраво за тях

Блокова схема на усилвател D

В диаграмата, снимката по-горе, можете да видите трансформациите, извършващи се със сигнала, за да го усилите и да изчистите шума
В конвенционалните усилватели изходният етап е базиран на транзистори, които осигуряват желаната моментна стойност на изходния ток
В аудио системите изходните етапи обикновено се използват от клас A, B или AB
В сравнение с изходното стъпало, което работи в клас D, разсейването на мощността в линейните стъпала е голямо дори при най-идеалното изпълнение.
Субуфер клас d усилвателима осезаемо предимство в много отношения поради малко отделяне на топлина, забележимо намаляване на размера, цената и теглото на продуктите, увеличаване на времето за работа на устройствата
Полученият сигнал се дигитализира и влиза в аудио процесора, процесорът управлява полупроводниковите превключватели на мощността, използвайки модулация с широчина на импулса
Виждам, че PWM сигналът се получава без аналогово-цифрово преобразуване, с помощта на генератор и компаратор, например трионен сигнал
Този метод също се използва широко в усилвател за субуфер клас d, но поради широкото развитие на цифровите технологии постепенно се отдалечава.Аналогово-цифровото аудио преобразуване предоставя много допълнителни възможности при обработката на звука - от възможността за регулиране на тона и силата на звука до допълнителни цифрови ефекти, като реверберация, намаляване на шума и много други
Сигналът, преминал през усилвателя за субуфер от клас d, за разлика от други аналогови усилватели, се преобразува в импулси с правоъгълна вълна.Амплитудата на импулсите е постоянна, а продължителността ("ширината") варира в зависимост от амплитудата на входящия аналогов сигнал
Честотата на дискретизация е постоянна и може да варира от десетки до стотици килохерца, всичко зависи от това какви изисквания са наложени на усилвателя
Импулсите след тяхното формиране се усилват с помощта на терминални транзистори, работещи в ключов режим
Преобразуването на такъв импулсен сигнал обратно в аналогов се извършва вътре в нискочестотния филтър, разположен на изхода или в товара

Зависимостта на ефективността на усилвателите от тяхната изходна мощност

Като цяло клас d усилвател за субуфер работи на принципа на импулсно захранване
Разликата на изхода след широчинно-импулсна модулация е променливо напрежение, а в захранването - постоянно
И по форма съответства на входния сигнал
Чисто теоретично ефективността трябва да достигне 100 процента, но за съжаление съпротивлението на транзистора, макар и малко, не е нула
Следователно, в зависимост от тяхната устойчивост на натоварване, ефективността на този тип усилвател може да достигне до 90-95%
Въпреки това, с такава добра ефективност, изходните транзистори практически не се нагряват, което прави възможно създаването на компактни и доста икономични ефективни усилватели.
Коефициентът на изкривяване, ако изходният филтър е правилно изграден, може да достигне до 0,01%, това е отличен резултат.
Изкривяването се увеличава с увеличаване на честотата на сигнала, както и с намаляване на честотата на семплиране.
Изходната мощност косвено зависи и от честотата на дискретизация на сигнала - с увеличаване на честотата индуктивността на намотките намалява и загубите на изходния филтър намаляват
Подобно на аналоговите усилватели, импулсните усилватели също са разделени на специфични подкласове BD и AD и техните предимства и недостатъци също са подобни.
В клас AD, при липса на входен сигнал, изходният етап все още работи, произвеждайки импулси с различна полярност със същата продължителност
От една страна, това подобрява качеството на предаване на слаби сигнали, от друга страна, това значително намалява ефективността, освен това създава технически проблеми.
Например, трябва да се борите срещу пропускащия ток, който възниква, когато транзисторите на изходния блок се превключват едновременно
За да се елиминира преминаващият ток в изходния етап, се прилага мъртво време, разликата между затварянето на първия транзистор иотваряне на втория
На практика се използват по-прости конструкции - BD усилватели, в изходното стъпало на които при липса на сигнал се генерират импулси с изключително малка продължителност или обикновено са в покой.
Този тип има ясен основен недостатък - това е пряка зависимост на нивото на изкривяване от честотата на сигнала и честотата на дискретизация
И освен това, изкривяването все още се увеличава с малки входящи сигнали.
Звукови усилватели от клас D, AB се произвеждат в интегрална конструкция
Използват се в радиоразпръскване и системи за озвучаване, в които не се обръща особено внимание на постигането на специално качество на звука
Тук в професионалните системи за възпроизвеждане на звук от клас D се използват като усилватели за субуфери, именно при ниските честоти ухото ни е практически нечувствително към изкривяване на сигнала
В миналото от усилвателите на звука се изискваше да работят надеждно и да имат добро качество на звука, но съвременните модели днес се допълват от редица сервизни функции, като компютърно управление, наличие на цифров вход и програмиране на вградения ограничител.
С нарастващата цена на цифровите интерфейси, предаващи аудио сигнали, можем да очакваме увеличаване на броя на звуковите усилватели, управлявани дистанционно и с автоматична диагностика, което, разбира се, разширява възможностите при създаването на звукоусилващи комплекси
Предвид бързото развитие на цифровите технологии и научната база е трудно да си представим до какво ще доведе по-нататъшното развитие на усилвателите на мощност.