Класс D — химера или панацея? — Обзоры и статьи
Первый ламповый усилитель появился на свет еще в самом начале XX века, это стало возможным после того, как Ли де Форест изобрел так называемый аудион, а проще говоря — электровакуумный триод. Естественно, что этот усилитель был однотактным и работал в классе А, то есть один усилительный элемент усиливал весь сигнал и никогда не закрывался, ток покоя всегда превышал отдаваемый в нагрузку. Очевидно, что КПД подобного устройства был крайне низок, в лучшем случае порядка 20%, но фактически полагаю вдвое меньше. Тем не менее, с тех самых пор и по настоящее время это скажем так наиболее эффективный с точки зрения сохранения качества способ усиления исходного аналогового аудиосигнала.
После триодов настала очередь тетродов и пентодов, а следом за ними появился и класс B, то есть двухтактный способ усиления сигнала, когда один из элементов усиливает положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную.
Это гораздо более экономичный и эффективный способ, но для него характерен так называемый эффект отсечки, когда сигнал проходит через нулевую точку и одно из плечей заканчивает свою работу, а другое начинает.
Когда в середине XX века появились первые транзисторы — разработчики с целью увеличения мощности проектировали транзисторные усилители практически в чистом классе B, что делало эффект отсечки особенно слышимым, что и породило рассказы о транзисторном и ламповом звуке. Чтобы избежать этого, необходимо задавать не нулевой ток покоя, а хотя бы на уровне нескольких процентов от максимального. Такой вариант получил название АВ, как совмещающий в себе свойства обоих классов.
Собственно говоря, примерно в это же время появились и первые образцы усилителей класса D, в которых исходный сигнал используется для модуляции мощного ключа и хотя результирующий сигнал нельзя назвать цифровым, определенная дискретность в нем имеет место быть.
В 1978 году компания Sony представила первый относительно успешный усилитель класса D, модель TA-N88, в которой использовались полевые транзисторы и импульсный блок питания. В 1996 году компания Tripath продемонстрировала первый усилитель класса D на интегральной схеме.
На выходе такого усилителя формируется последовательность прямоугольных импульсов, варьируя ширину и скорость следования которых, воспроизводится форма исходного аналогового сигнала. Более того, на вход можно подавать и цифровой сигнал, синхронизируя его с внутренним генератором, таким образом, получая нечто вроде мощного цифро-аналогового преобразователя. Поскольку выходной транзистор находится в одном из двух состояний, включенном либо выключенном, он тратит минимум энергии на тепло.
Пожалуй идеальное сочетание с точки зрения логики и минимизации конвертации сигнала — это ШИМ-усилитель с импульсным блоком питания и цифровым входом, таким образом, аналоговый сигнал появляется в нем только на клеммах для подключения колонок. При этом теоретический КПД такого усилителя составляет 100%, впрочем и на практике он чаще всего не опускается ниже 90%, даже с учетом несовершенства элементной базы.
Безусловно, такие его свойства делают этот класс усилителей исключительно удобными в целом ряде сценариев использования, но при этом, если мы ставим во главу угла именно качество звучания, без оглядки на стоимость и массо-габаритные характеристики, то грамотно спроектированные и изготовленные модели класса А по-прежнему вне конкуренции.
ЧИТАТЬ ДРУГИЕ СТАТЬИ
Поделитесь статьей с друзьями
Усилитель класса D | Микросхема
Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.
Преимущества усилителей D класса
Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).
Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.
Цифровой или все-таки импульсный?!
Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями.
Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.
Кратко о принципе работы усилителя
Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.
Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы.
В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.
Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.
Ключевые рекомендации
При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.
Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:
Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.
При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств.
Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.
Практическая часть: схема усилителя класса D
В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.
Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей.
Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.
КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.
Метки: УНЧ
Радиолюбителей интересуют электрические схемы:
УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель
Полупроводниковые и системные решения — Infineon Technologies
Итоги четвертого финансового квартала и финансового года за 2022 год
15 ноября 2022 года
Дополнительная информация
Водородные электролизеры становятся зелеными
Получите представление о применении электролизеров переменного и постоянного тока и о преимуществах наших лучших в своем классе мощных полупроводниковых решений.
Смотреть видео
electronica 2022
Посетите нас на выставке electronica в этом году — живите в Мюнхене или в цифровом формате!
Учить больше
Присоединяйтесь к нам на TRUSTECH 2022
Погрузитесь в самое сердце безопасности на выставке TRUSTECH этого года с семейством универсальных решений Infineon SECORA™.
Узнать больше
Тяговые инверторы для электрифицированных транспортных средств
Высокая эффективность увеличивает дальность действия и снижает затраты на охлаждение, пространство и вес.
Учить больше
Очеловечивание энергии: технологии и обезуглероживание
Можете ли вы представить, что электронный чип толщиной с волос может изменить ситуацию, когда речь идет о достойном будущем?
Смотреть видео
Производительность GiGaNtic в адаптерах/зарядных устройствах USB-C
Первая в отрасли комбинированная ИС с коррекцией коэффициента мощности и гибридной обратной связью для конструкций сверхвысокой плотности. Узнай одним из первых!
Скачать техническое описание
Tech for — события о влиянии технологий
Присоединяйтесь к нашей прямой трансляции «Технологии для устойчивого будущего»! Следите за нашими панельными дискуссиями о роли и потенциале технологий для создания будущего, достойного жизни
Присоединяйтесь к нашей прямой трансляции
Новости
14 ноября 2022 г.
| Ежеквартальный отчет
После рекордного 2022 финансового года Infineon значительно увеличивает свои долгосрочные финансовые цели и планирует крупные инвестиции в новый завод в Дрездене; позитивный прогноз на 2023 год
14 ноября 2022 г. | Business & Financial Press
Infineon и Stellantis договорились о меморандуме о взаимопонимании по многолетней поставке чипов из карбида кремния (SiC)
Новости рынка
17 ноября 2022 г. | Новости рынка
Новое семейство аудиоусилителей Infineon мощностью 2 x 37 Вт основано на технологии многоуровневого коммутационного усилителя MERUS™ второго поколения
Посетите Infineon в Twitter
Все, что вам нужно знать об усилителях класса D — блог
Обновлено 16.
02.2022
Являются ли усилители класса AB лучше, чем усилители класса D? Если мы говорим о широкой полосе пропускания музыки через ваши громкоговорители, ответ, скорее всего, будет простым и окончательным: «Да». Но когда дело доходит до питания сабвуферов, ответ менее однозначен.
Как работают усилители класса D?
Усилители класса D, также известные как «цифровые» усилители, работают за счет смещения частоты дискретизации, на которой они работают, до чрезвычайно высоких частот. При этом они используют НАМНОГО меньшие силовые трансформаторы, которые занимают на , что на меньше внутреннего пространства — то, что всегда в большом почете в сабвуферах. В некоторых случаях это экономит почти 10% внутреннего объема, пространство, которое можно использовать для создания более глубоких басов и более высокой производительности.
В чем разница между усилителями класса D и класса AB?
Таким образом, там, где «обычный» усилитель класса AB работает на частоте 60 Гц в Северной Америке и 50 Гц в Европе и большей части Азии, класс D может работать на частотах до 500 000 циклов; чем выше частота, тем эффективнее усилитель может работать на холостом ходу и тем меньше трансформатор.
Усилители с более низким нагревом означают, что они могут, особенно мощные (более 300 Вт), потреблять меньше энергии, когда они не работают. Вот почему мы можем поставить усилитель мощностью 550 Вт, который потребляет всего 22 Вт в режиме ожидания.
Совет для профессионалов:
В то время как многие сабвуферы REL предлагают схемы в режиме ожидания, в наших собственных студиях мы всегда выбираем режим «Всегда включен», потому что любой усилитель предпочитает работать в устойчивом непрерывном режиме, когда он не подвержен ударам. многократного включения с холода. Это абсолютно самый надежный и щадящий способ эксплуатации REL. А поскольку мы разработали высокоэффективные усилители, которые не расходуют энергию впустую, когда сигнал не воспроизводится, вы так или иначе не сэкономите намного больше энергии. Усилитель мощностью 200 Вт в нашем T/7x потребляет всего 7 Вт, примерно столько же потребляет детский ночник. Мы всегда так делали, задолго до того, как стало модно заботиться об энергопотреблении и окружающей среде, мы делали так, потому что это была хорошая инженерная практика.
Усилители класса D в сабвуферах
Те самые проблемы, которые многие опытные слушатели слышат и против которых возражают в усилителях класса D, полностью игнорируются при использовании сабвуферов. Класс D известен яркостью, своего рода резким заусенцем, который заражает верхние средние и нижние высокие частоты музыки.
Но посмотрите, как это используется в REL. Во многих системах на основе REL пользователи нередко пересекаются в диапазоне 30–40 Гц, а иногда даже в диапазоне 20–30 Гц. Так почему же мы безразличны? Потому что То, что многие из нас могут слышать и против чего возражать в усилителях класса D, лежит на 6-7 октав выше, чем то, что мы просим сабвуфер REL воспроизвести . Музыка состоит из 10 октав, и REL находятся почти исключительно в нижней октаве (20–40 Гц), поэтому проблемы, связанные с классом D, существуют примерно на 70% выше музыкального диапазона, в котором работает REL. Это настолько далеко за пределами области интереса, что мы можем спокойно игнорировать его эффект.
Типы усилителей в сабвуферах REL
Разве REL не использует класс AB в своем более доступном ассортименте И в некоторых своих эталонных продуктах?
Да, и вот наш подход и почему нам действительно наплевать, относится ли усилитель, тщательно разработанный для того или иного диапазона, к классу AB или к классу D. Мы хотим использовать самые лучшие усилители для применения и цена. «Лучший» означает лучшее звучание в данном ценовом диапазоне, самый надежный и с более чем достаточной мощностью для достижения наших инженерных целей со здоровым дополнительным запасом прочности.
Совет для профессионалов:
Мы заявляем номинальную мощность нашего усилителя в устойчивом состоянии в частотном диапазоне с центром в нижней октаве музыки, в то время как усилители некоторых конкурентов способны достигать своих номинальных характеристик только в течение коротких периодов времени и на частотах, лежащих высокие за пределами рабочего диапазона сабвуфера.
Собственно, какой смысл в этом? Усилитель сабвуфера, протестированный на частоте 100 Гц, подобен школьному автобусу, который хорошо справляется со скоростью 200 миль в час; интересно, но не имеет отношения к работе.
Как REL выбирает между усилителями класса D и AB?
Суть в том, что мы стремимся производить самые надежные усилители, которые предлагают наилучшие характеристики, которые мы можем извлечь, независимо от того, к какой классификации относится усилитель. Когда мы предлагаем класс D в нашей серии S, это потому, что эти усилители обеспечивают гораздо более быструю реакцию, более глубокое звучание с удивительной четкостью бритвы, чем усилители класса AB, используемые в нашей более доступной серии T/x.
Так почему бы не использовать класс D везде?
Поскольку при выходной мощности Серии T/x класс D менее привлекателен и еще не имеет подтвержденного послужного списка этих усилителей класса AB. Мы произвели более 100 000 единиц с использованием различных разработок наших усилителей серии T/x с уровнем надежности, который является не чем иным, как невероятным, и эта надежность с отличным звуком по разумной цене является чем-то исключительно редким для сабвуферов по доступной цене.
