Усилитель класса D 100 Вт

Интерес к усилителям мощности (УМ) класса D появился после разработки первых Импульсных Источников Питания. Стояла задача собрать простой и экономичный УМ. Тема эта не имела своего развития, пока на глаза не попался патент, на то время ведущего инженера-разработчика фирмы Филипс, Бруно Путзейса [1]. Одновременно прочитал статью Сергея Кузнецова [2] на ту же тему.  Много информации и ценных советов получены на vegalab.ru, в теме «класс Д для саба» [3]. Естественно, выбранная конструкция не претендует на законченность или выдающиеся параметры, так-так является на 100% любительской. Но с уверенностью можно утверждать, что конструкция является проверенной и повторяемой, не требует изготовления многослойной ПП. Во время проектирование главным критерием была как раз повторяемость, малая номенклатура использованных запчастей, их доступность, и возможность сборки в любых домашних условиях. В отличие от многих подобных схем использованы smd резисторы и конденсаторы одного типоразмера - 1206 и 0805 соответственно, а все комплектующие доступны для заказа через интернет.

Кроме того, после сборки предыдущих версий УМ была осознана острая необходимость включения в схему узла защиты от КЗ, так как кратковременное замыкание, или другое нештатное событие выводит из строя выходные ключи и, часто, микросхему драйвер, которые как раз и составляют львиную долю стоимости УМ.

Схему на дискретных элементах была отброшена из-за необходимости настройки каждого экземпляра устройства и склонности к нежелательным самовозбуждениям. Аналогичная схема на ИМС настройки не требуют и не столь  критична к замене типов  транзисторов и смене напряжения питания.

Рис.1. Блок-схема УМ класса Д

На микросхеме IC1 собран входной балансный усилитель напряжения. Такая схема выбрана в связи с необходимостью взаимокомпенсации влияния наводок. Коэффициент усиления плеч задается соотношением резисторов R2R5 R7R5, и при использование указанных номиналов составляет примерно 16дБ (6 раз). На элементах С2R2R4C4 и C1R1R3C3 сформирована АЧХ сигнала, поступающего на ОУ и развязка по постоянному току. Симметричные сигналы с выходов 1 и 7 IC1, через резисторы R8, R9 поступают на входы компаратора IC2 LM311, куда поступает сигнал обратной связи, через патентованную цепь ОС из [1]. IC2, VT3-VT5, IC3, VT8,VT9 и другие элементы объединяются в усилитель класса «Д», коэффициент усиления которого в звуковом диапазоне частот равен отношению R8, R9 к R15, R16 соответственно, для сохранения баланса R8 должен быть равен R9, а R15 - равен R16. Кроме того, как указано в [1] коэффициент усиления 13дБ (4,5 раза) является оптимальным для такого устройства.

Рис.2. Принципиальная схема УМ класса Д

Так-так драйвер IR2110 IC3 имеет раздельные входы управления верхним и нижним плечом, сигнал с вывода компаратора, который, по сути, является ШИМ модулированным звуковым сигналом, поступает на инвертор VT3, VT5, включенных по схеме дифференциального каскада. На VT4VD3 собран источник тока 1,2мА для обеспечения его работы. Ток задается равенством падения напряжения на составном сопротивлении R22, R23 и стабилитрона VD4. Для облегчения режима работы VT4 в цепи эмиттера включен дополнительный гасящий резистор R20. Кроме инвертирования сигнала VT3, VT4 выполняют еще одну важную функцию - функцию «левелшифтера». Так-так вывод Vss (сигнальная земля) микросхемы драйвера подключен к отрицательному выводу питания, необходимо «привести» сигнал ШИМ IC2 относительно земли устройства к уровню относительно «–Vcc». Номиналы резисторов R21, R24 выбраны таким образом, чтобы напряжение управления на входах IC3 не превышало ≈ 6В (1,2мА*4,7кОм).  Микросхема IC3 включена по стандартной схеме. [4].

Во избежание сквозного тока через транзисторы VT8, VT9 в зарядной цепи установлены ассиметричные схемы ограничивающие ток заряда емкости затворов VD7R36, VD8R37. Время переключения можно рассчитать, пользуясь [5]. В данном устройстве применены полевые транзисторы (ПТ) IRF 540Z как доступные, не дорогие и приемлемые по параметрам. При применение в устройстве стабилитронов на 12В напряжение управления на затворах ПТ будет составлять 12В-1,5В=10,5В (так-так транзистор VT7 составной). При R36=R37<10 Ом начинается разогрев выходных транзисторов, потому использованы резисторы 15 Ом. В этом случае время переключения, согласно [5] будет равно 42нК/(10,5В/15Ом)=60нС (при 10 Ом 40нС) Для примера, при напряжении питания IC3 равному 13В, из-за увеличения полного заряда затвора, время переключения в той же схеме будет 54нК/(13В/15Ом)=62,3нС. Отсюда средняя мощность запуска на частоте 300кГц будет равна 42нК*10,5В*300кГц=132мВт, тогда как при напряжении 13В – 54нК*13В*300кГц=210мВт. При этом, средний ток переключения, будет в первом случае 0,132Вт/10,5В=0,0125А, а во втором 0,21Вт/13В=0,0161А. Согласно документации на микросхемы IC3,IC4,IC5 можно определить суммарный ток потребления источника питания на VT7. Он составит 0,125ic3+0,0015ic4+0,01Аic5+0,0125Aig=0,149А. Соответственно, при напряжении питания УМ +/-30В на транзисторе VT7 выделится (30В-10,5В)*0,149А=2,9Вт, при напряжении питания драйвера 13В, упуская подсчет выделится 0,2416А*17В=4,1Вт. (Данные взяты из графиков потребления токов от напряжений питания микросхем). Обобщая вышесказанное, можно отметить, что только правильным выбором напряжения питания драйвера можно при построении 100Вт УМ повысить КПД устройства на 1-2%!

Первоначально схема защиты была устроена на датчике тока, который включался в цепь стока одного из транзисторов. Таким образом, при превышении тока через датчик вырабатывался сигнал на отключение устройства. Но для контроля тока в десятки ампер сопротивление и мощность резистора датчика тока, а также занимаемое им место на ПП становиться неприемлемыми. Лучшим решением есть «считывание» падения напряжения с самого перехода ПТ, в то время, когда он открыт, тем более, что такая схема легко реализуется. Так, в период времени, когда VT9 открыт, точка соединения ПТ-ов через переход сток/исток нижнего транзистора соединяется с отрицательным входом питания. Напряжение в этой точке равняется –Vcc+Ik*Rdson. Так, при токе в 15А через ключ, на истоке будет напряжение, которое больше –Vcc на 15А*0,027 Ом=0,405В. Для развязки от напряжения +Vcc использован быстрый диод VD6. Напряжение «+10,5В» c затвора ПТ подается через ограничивающий резистор R40 на VD6, в таком случае, напряжение в точке соединения R40 и VD6 составит сумму падения напряжения на переходе VD6 плюс напряжения падения на ПТ. То есть, при токе в 15А будет составлять около 0,4В+0,4В=0,8В. Для сглаживания пульсаций этого напряжения использован конденсатор С22, а для его разрядки R36. Далее напряжение с датчика тока сравнивается с опорным, которое формируется с помощью делителя напряжения R34R32. Причем опорное напряжение можно подстраиваться помощью подстроечного R32. В том случае, если напряжение с датчика больше, чем опорное -  выходной транзистор микросхемы IC5 с открытым коллектором закрывается. На выходе 1,7 IC5 благодаря R35 появляется напряжение +12В, открывается транзистор VT9, который в свою очередь быстро разряжает емкость  С26 и запускает таймер NE555 IC4, на его выходе 3 устанавливается логический уровень «1» - напряжение 10,5В относительно –Vcc. Это напряжение через светодиод HL1 поступает на вход 11 «Sd» IC3 и запрещает генерацию. Так как входной ток по этому входу недостаточен, для засвечивания светодиода, а так же для исключения ложного срабатывания защиты, по входу «Sd» подключен шунтирующий резистор R26.

Для контроля тока через ПТ был применен сдвоенный компаратор КА393. Его вторая половина следит за напряжением питания нижнего плеча. При этом подразумевается, что оба плеча питания симметричны. При напряжении питания отрицательного плеча ниже уровня примерно «-20В» компаратор срабатывает, и аналогично схеме защиты от превышения тока через ПТ, блокирует работу IC3 и выходного каскада. Это сделано для исключения неприятного свиста при выключении УМ. Кроме этого, схема на таймере 555 IC5 задерживает включение УМ при подключении питания на 2с. Соответственно, при кратковременном срабатывании защиты УМ будет выключаться на 2с. Схема включения IC5 стандартная. Кроме этого, у схемы защиты есть еще одно полезное свойство. Так-так сопротивление канала полевого транзистора растет с температурой (а максимальный допустимый ток уменьшается) и, соответственно, при равных токах на разогретом транзисторе падение будет выше, чем на холодном. Таким образом, порог срабатывания защиты смещается в безопасную зону при перегреве.

В схеме для питания ОУ и компаратора собраны два параметрических стабилизатора на VT1VD1С13R17 и VT2VD2С14R18. Для развязки от ВЧ помех установлены дроссели L1,L2, которые совместно с С15,С17 и С16,С18 составляют LC фильтр. При отсутствии  дросселей такого типа допустимо использовать резисторы 100-220 Ом. Для питания драйвера IR2110 IC3 и схемы защиты собран еще один параметрический стабилизатор на VT7VD4R33C20. Применен составной транзистор TIP112. Для него нужен радиатор, который может отводить не менее 3Вт тепла. Основную часть мощности потребляет IC3.

Рис 3. ПП УМ класса Д

Печатная плата представлена на рис.3. Как уже указывалось, ПП не претендует не какой-либо профессионализм, но лишь является работоспособной и легко повторяемой в любительских условиях.

Рис. 4. Монтажная схема УМ верх

Верхний слой фольги оставлен под землю, в местах отверстий под элементы фольга снята небольшим сверлом. Монтажная схема представлена на рис.4.

Рис. 5. Монтажная схема УМ низ

На плате предусмотрена возможность экранирования входного ОУ и компаратора. Для этого вокруг них симметрично расположены земляные полигоны и переходные отверстия. Однако, как оказалось, в этом нет необходимости.

Во время сборки сначала устанавливаются детали параметрических стабилизаторов и цепь источника тока инвертора. Проверяется наличие выходных напряжений на стабилизаторах и падение напряжения на R20. Оно должно быть около 6В. Затем монтируется микросхема-таймер NE555 c обвязкой, R33 не устанавливается. Производится проверка работы узла задержки запуска при включении. Светодиод должен загораться на 1-3с. после включения питания, а затем тухнуть. Затем монтируется компаратор LM393 с обвязкой, в том числе R33 и  VT6. Путем регулировки подстрочного резистора R30 устанавливается напряжение на 3 ноге LM393 равным 0,9-1В, проверяется работа схемы контроля напряжения питания. Удобно это делать с помощью регулируемого БП. При понижении напряжения питания менее 15-20В должен загораться светодиод. После проделывания этих проверок устанавливают остальные детали. Сначала правильно смонтировать все смд детали, потом остальные микросхемы, разъемы и радиаторы, дроссель. Обязательно тщательно промыть ПП. Особое внимание нужно уделить правильной полярности установки танталовых конденсаторов и полярности установки VD5-VD8. Не забывайте, что у танталовых конденсаторов полосой обозначен «+». Выходные транзисторы нужно установить на изолирующие прокладки. Перед включением нужно не забыть подключить ОС и установить перемычки. Первое включение лучше осуществлять с помощью маломощного БП. Для этих целей я использовал dc/dc 12 - +/-35В преобразователь с регулировкой выходного напряжения, подключенный от маломощного источника 12В, или через 21Вт лампу. Желательно при первом подключение АС к выходу УМ использовать резистор 20-100 Ом. При отсутствии осциллографа наличие несущей проверяется маломощной лампой накаливания на 27В на выходе дросселя. А с помощью лампы на 2,5В можно оценить реальное напряжение ВЧ на выходе УМ. Что касается постоянного напряжения на выходе, то на моих 3 изготовленных платах оно колебалось от 26мВ до 40мВ, но и с этим можно бороться введением цепей коррекции нуля IC2. Однако мне это показалось излишним.

Дроссель в усилителе едва ли не самый важный элемент. При его неправильном изготовлении либо будут перегреваться транзисторы, либо сам дроссель, либо появятся неприятные призвуки на НЧ. В моем случае я использовал дроссель из тороидального сердечника EPCOS 25,3x14,8x10 N87 c  зазором около 1,1мм. Зазор аккуратно прорезан «болгаркой» отрезным кругом толщиной 1мм. При резке нужно соблюдать крайнюю осторожность!!! Индуктивность сердечника с зазором можно вычислить из [7]. В моем случае для получения 30 мкГн намотано 24 витка. Диаметр провода нужно использовать не менее 0,8-1мм. Шунтирующий конденсатор выходного фильтра С27 должен поддерживать высокие токи и напряжения, некачественные конденсаторы в нем выходят из строя. Нужно использовать конденсатор не менее чем на 100В. Обязательно зашунтировать ВЧ помехи как можно ближе к выводам выходных транзисторов керамическими конденсаторами на 100В. 50В smd конденсаторы по питанию могут выйти из строя и прожечь ПП.

Данное устройство при использовании указанных компонентов может выдать 100Вт среднеквадратической долговременной мощности при напряжении в +/-34В. Температура после 30 мин. работы в таком режиме будет составлять около 65С на радиаторе VT7, 53С на микросхеме IC3 и 50 на радиаторах выходных транзисторов. На музыкальном сигнале средней мощности  нагрев выходных транзисторов не наблюдается и основным источником тепла становится VT7. При применение обдува и увеличении напряжения до +/-47В макс. мощность возрастет до 200Вт и выше. Необходимо понимать, что максимальное выходное напряжение будет меньшим, чем напряжения питания, на величину размаха несущей на выходе.

Усилитель легко модернизировать, собственно при разработке платы учитывалась возможная необходимость в будущем использовать входную часть с модулятором в более мощной конструкции. Для этого необходимо применить 150В, или даже 200В транзисторы, увеличить напряжение питания и переделать выходную часть устройства. Для этого в стабилизаторах питания ОУ и компаратора установлены транзисторы способные рассеивать значительную мощность. При питании не более +/-25В вполне можно ограничиться гасящими резисторами, так-так ток потребление по питанию ОУ и компаратора не превышает 20-25мА. Вообще, собранный правильно УМ надежен и неприхотлив, и не реагирует на ошибки в номиналах резисторов по «цифровым» цепям вплоть до порядка.

Оптимальная частота работы УМ - около 300 кГц. Схема поддерживает работоспособность вплоть до 600 кГц и, наверное, выше, при этом происходит ощутимый нагрев драйвера IC3. Частота зависит от параметров выходного фильтра и цепей ОС

Все конденсаторы емкостью 1мкФ – танталовые, типоразмера А. Все конденсаторы емкостью 1нФ, кроме С22, – фильтрующие, и от их емкости работоспособность не зависит. В качестве выходных транзисторов можно применить аналоги, например IRF540, однако при этом КПД УМ ухудшится. При отсутствии указанных транзисторов лучше всего использовать параметрический поиск на сайтах изготовителей полупроводников. Радиаторы выходных транзисторов обозначаются HS-123-40. Радиатор VT7- алюминиевый, 10х4х30 мм. Его нагрев при напряжении +/-28В около 40С.

 Плата ревизии 4.82 является 100% проверенной, все ошибки исправлены. УМ включается и выключается без щелчков и шумов и не боится короткого замыкания на выходе. При питании от одного источника питания взаимовлияния каналов мной не замечены. Хотя в [3] рекомендуют включать каждый канал УМ от отдельной обмотки трансформатора питания. При мостовом включении нужно шунтировать выходы разных усилителей конденсатором 0,1мкФ. Работоспособность в мостовом включении проверена. Что касается качественных объективных показателей - судить не берусь, нет необходимого инструментария. Субъективно же – звук качественный и как минимум «интересный». Описание звучания ucd УМ описывают в [3].

Стоимость устройства составила около 13$ без учета пересылки, сборки и разработки/наладки.

Подсчет цены в приложенном файле MS Excel.

Дополнение от 16.07.2012:
Осциллограммы, приведенные далее, сняты с платы ревизии 4.82. Все указанные детали соответствую схеме, кроме выходных транзисторов. Применены IRF540. БП импульсный, не стабилизированный. Мощность БП 100Вт. Нагрузка 3.9 Ом резистор. Масштаб по вертикали и горизонтали указан под осциллограммой.

Слева осциллограмма напряжения на выходе УМ без входного сигнала (желтым) и напряжение в средней точке ПТ (голубым). Справа напряжение несущей на выходе.

Напряжение на выходе УМ перед ограничением. Мощность 88Вт. Питание +/-28В.

Теоретически возможное напряжение на выходе равно 28В/1,41=19,8В.

Ограничение. Питание +/-26В. Фильтр 20 кГц.

Сигналы на входе драйвера IR2110

Как видно из осциллограммы, переключение, которое является источником помех, происходит, когда переходные процессы в схеме заканчиваются.

Задержка между появлением импульса на входе драйвера IR2110 и сигналом в средней точке ПТ. Голубым - сигнал управления.

Средняя точка ПТ. Фронт и спад

Выход компаратора LM311

Задержка реакции на смену полярности сигнала на входе диф. каскада (выходе LM311) Желтым – выход LM311, голубым - сигнал на входе драйвера

Общая задержка распространения сигнала. Голубым – выход компаратора, желтым – напряжение в средней точке ПТ

Напряжение датчика тока желтым (фильтр 10Мгц), напряжение средней точки ПТ - голубым

Во время эксплуатации УМ выяснилось, что транзистор VT6 в указанной схеме включения восприимчив к импульсным помехам. Как оказалось, из-за наводок на базу этого транзистора не удается выставить порог защиты выше 100Вт (на 4Ом). Была разработана новая ревизия платы, в которой силовые транзисторы выведены на нижнюю сторону. Изменено также включение схемы защиты, исключен транзистор VT6, радиаторы транзисторов. Уменьшен полигон средней точки ПТ, добавлены цепи подавления «спайков», внесены незначительные изменения в номиналы резисторов. Теперь можно устанавливать плату УМ на пластину-радиатор (дно например). Размер платы уменьшился.

Ссылки:
[1] http://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=%D0%B0%D1%84%D1%82%D0%B0%D1%80%20ucd_aes118_05_2005_putzeys&source=web&cd=2&ved=0CC4QFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.elektroda.pl%2Frtvforum%2Fdownload.php%3Fid%3D303610&ei=-NWGT8W-JMr3sgbGq6XABg&usg=AFQjCNFoc6PsKDQN-Hqxi6xGOF96R_aRqQ&cad=rja
[2] http://www.classd.fromru.com/circuits/ucd1.html
[3] http://www.vegalab.ru/forum/showthread.php/2292-D-class-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%81%D0%B0%D0%B1%D0%B0
[4] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82793/IRF/IR2110.html
[5] http://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=an%0B944a&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.irf.com%2Ftechnical-info%2Fappnotes%2Fan-944.pdf&ei=P9mGT5KGH8fMsgadwL3kBg&usg=AFQjCNHyns6nA5xkH21JgsIVpDiAZcdmQQ&cad=rja
[6] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/104297/IRF/IRF540Z.html
[7] http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/DesignSupport/Tools/Ferrites/Page__License,locale=en.html

Контакты автора: Юрий Игнатьев, Украина, г. Ивано-Франковск, ул. Галицкая, 32, кв 147. (Киевстар)+38 097 577-69-87, sousmen@rambler.ru

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout