Sari la conținut


Notiuni elementare despre amplificatorul clasic in clasa D



Publicat de Marian78 , 20 februarie 2017 · 378 Vizualizari
* * - - - 3 voturi
Salutari tuturor.

Va prezint un mod mai diferit de a privi amplificatorul in clasa D, niste informatii care sper eu vor lamuri unele chestii de baza despre functionarea clasei D la amplificatoare, subiect care am observat ca inca este putin cunoscut multora si genereaza multe confuzii. Puteti trata acest articol fix cum poftiti voi, cei care considera ca stiu deja prea multe pentru a-si mai pierde timpul cu acest articol, n-au decat sa ma ignore, cei care sunt dispusi insa, sa incerce sa priveasca lucrurile dintr-un alt punct de vedere sunt invitati sa citeasca articolul meu si apoi eventual sa lase si ceva comentarii cu pareri/obiectii/observatii/critici sau nelamuriri, voi incerca sa raspund tuturor in masura in care sta in competenta mea sa fac asta.

Acest articol nu se vrea a fi "reinventarea rotii", nu se doreste a fi nu stiu ce tutorial despre cum se proiecteaza un amplificator clasa D sau cum se optimizeaza performantele sale, nici macar alegerea valorii componentelor de baza nu va fi dezbatuta decat cel mult sumar, nu sunt eu in masura sa dau lectii nici macar teoretice despre matematica avansata a clasei D de amplificator, si a diferitelor solutii constructive optime ale acesteia, in schimb doresc sa ofer un punct de vedere usor diferit asupra proceselor electrice elementare ce au loc in acest tip de amplificator, un mod mai simplificat de a privi lucrurile care sa faca accesibila intelegerea lor macar la nivel sumar, si incepatorilor, si de ce nu sa lamureasca unele detalii sau sa schimbe anumite puncte de vedere si celor cu o oarecare experienta.

Asa cum multe documentatii sugereaza, configuratia clasica de amplif clasa D se aseamana izbitor de mult cu buck sincron, deci haidem sa elaboram putin regulatorul buck, si pentru simplitate renuntam la ideea de buck cu redresare sincronizata, ci ne axam strict pe configuratia elementara buck, si iata o serie de simulari insotite de explicatii care sper sa va ajute, inainte de toate configuratia de baza buck ( click pe imagini pentru marirea rezolutiei ) :
Imagine postată

Avem o sursa de tensiune care ofera un tren de impulsuri dreptunghiulare cu amplitudine de 30V, la o perioada de 20uS si Ton de 10uS, adica umplere 50%.

Cum se obtine tensiunea stabilizata la iesire?
Simplu, inductanta face asta reactionand la umplerea trenului de implulsuri cu care este alimentata, simplist spus umplerea este Uies/Uint, adica tensiunea de la iesire impartita la tensiunea de alimentare, adica tocmai amplitudinea impulsurilor cu care se alimenteaza inductanta, si invers putem spune deci ca tensiunea de la iesire este Uint*d, unde am denumit "d" umplerea, si umplerea este d=Ton/P, unde P este perioada ciclului, de aici putem usor determina care va fi tensiunea de la iesire, daca d=Ton/P=10uS/20uS=0,5 ( 50% ), si Uies=Uint*d, atunci Uies=30*0,5=15V. Hai sa verificam asta ruland simularea:
Imagine postată

Avem 15V la iesire, avem perioada de 20uS indicata de osciloscop care citeste impulsurile cu care inductanta este alimentata, avem 30V amplitudine a impulsurilor, asadar pana aici totul este in regula si confirmat.

Dar ce face inductanta mai exact?
La Ton inductanta se incarca cu un anumit curent de la acele impulsuri cu care este alimentata, iar la Toff se descarca in condensator si deci catre sarcina, la Ton capatul dispre alimentare al inductantei are plus si capatul dinspre iesire e dus catre masa de condensator si sarcina, la Toff apare tensiunea de autoinductie care evident este de polaritate inversa, in acest moment dioda se deschide si pune capatul dinspre alimentare la masa iar capatul dinspre iesire al inductantei are evident plus, se incarca astfel condensatorul si implicit se alimenteaza si sarcina cu energia stocata in inductanta. Acea tensiune de autoinductie de la Toff este si iesirea dorita, in cazul de fata 15V. Toate astea ne indica faptul ca prin inductanta exista o variatie de curent la frecventa impulsurilor de alimentare, este important sa retineti asta.

Acuma formula de calcul a inductantei pe care o folosesc eu pentru regulatoarele buck ( si orice alt stabilizator cu conversie directa ), este (Uies*Toff)/dI, adica tensiunea de la iesire ( care am aratat mai sus ca este cea de autoinductie de la Toff ) inmultita tocmai cu Toff exprimat in uS, si rezultatul impartit la dI care este variatia de curent aleasa in inductanta, acest dI este chiar acea variatie despre care vorbeam in paragraful de mai sus, si la calculul inductantei o alegem noi la o valoare dorita si obtinem astfel inductanta minim necesara care in formula de mai sus se exprima in uH.

Asadar teoretic in schema din simularea de mai sus avem o variatie de curent prin inductanta de (Uies*Toff)/L=(15*10)/500=0,3A, aceasta variatie de curent ( care reamintesc ca este un curent alternativ la frecventa impulsurilor de alimentare ) se suprapune peste un curent mediu care este totodata si curentul de sarcina, deci daca inseriem un shunt intre condensator si inductanta pentru a vizualiza curentul, ar trebui sa putem observa o unda trunghiulara care sa ne indice variatia de curent. In cazul de fata curentul de sarcina este de cca 1,5A, si avem o variatie de 0,3A care se suprapune peste el, deci curentul alternativ prin inductanta variaza cu +/-150mA peste acel curent de sarcina, adica varful va fi pe la 1,65A si minimul pe la 1,35A, hai sa vedem simularea:
Imagine postată

Uitati-va la indicatiile celor 2 markeri pozitionati pe canalul B ( care canal B citeste shuntul ). Imaginea demonstreaza tot ce am scris mai sus, nu are rost sa insist. Ar mai fi de subliniat o chestie, condensatorul are rol de rezervor de energie, el se incarca din inductanta la Toff, si la Ton asigura el insusi energia catre sarcina, de aici si notiunea de "rezervor" de energie, pentru ca la Ton el singur alimenteaza sarcina, fara el sarcina ar primi o serie de impulsuri trunghiulare precum cele aratate deja mai sus, inutil sa spun cat de zgomotoasa ar fi acea iesire.

Ok si care e legatura cu clasa D de amplificator?
Pai voi raspunde tot cu o intrebare, in lumina celor spuse deja mai sus, ce se intampla daca la prima schema se modifica umplerea? pai simplu, se modifica si tensiunea de la iesire, daca spre exemplu in loc de 50% marim umplerea la 80% atunci iesire va fi 30*0,8=24V, daca reducem umplerea la 10% atunci iesirea va fi 30*0,1=3V. Deci o variatie a umplerii a dus la o variatie a tensiunii de la iesire, iata simularea ce confirma, intai Ton 16uS care la perioada de 20uS inseamna umplere de 80%:
Imagine postată

Acum Ton 2uS care la aceeasi perioada de 20uS presupune umplere de 10%:
Imagine postată

Ce se intampla daca variem umplerea sub o forma sinusoidala?
Avem sa zicem un potentiometru al carui cursor controleaza cumva direct umplerea, miscam de el spre minus si spre plus si realizam astfel o variatie de umplere care se va reflecta intr-o variatie de tensiune la iesire identica ca si forma cu variatia produsa de acel potentiometru. Adica la iesire avem o tensiune controlata direct de acel potentiometru si de felul cum afecteaza el umplerea. Asadar un amplificator clasa D este nimic mai mult decat un regulator buck care reproduce la iesire o tensiune in functie de umplere, mai exact in functie de felul cum este ea controlata si variata de semnalul audio aplicat.

Cum se obtine variatia umplerii?
Pentru a raspunde la aceasta intrebare trebuie sa analizam putin notiunea de modulatie a latimii impulsurilor, adica mai pe intelesul tuturor Pulse Width Modulation, initialele formeaza insasi expresia PWM. Asta la modul cel mai simplist de a privi lucrurile se face de catre un comparator numit PWM Comparator. Este un comparator de tensiune, la una din intrari ii este aplicat o forma de unda triunghiulara ( de fapt una rampa, sau pe engleza sawtooth ) la o frecventa aleasa, de obicei aceasta vine de la un oscilator a carui frecventa este stabilita de combinatii RC sau uneori doar C, depinde de configuratie. Ei bine frecventa acestei forme de unda aplicata la intrarea comparatorului PWM ( de obicei IN- ) decide frecventa PWM cu care comutatoarele de putere sunt comandate. La cealalta intrare a comparatorului PWM se aplica o tensiune fixa, de obicei la integratele de control PWM aceasta este iesirea unui amplificator de eroare, si este una logica, adica este HI sau LO, pentru a simplifica insa putin lucrurile si a face legatura dintre Buck si Amplificator clasa D vom interpreta tensiunea aceasta de la intrarea neinversoare a comparatorului PWM ca fiind un semnal analogic. Iata o schema ilustrativa:
Imagine postată

La intrarea de sus avem un generator de tensiune sub forma triunghiulara cu o perioada de 10uS ceea ce presupune frecventa de 100khz, si o amplitudine de 5V. La intrarea de jos avem o sursa de tensiune continua de 5Vcc care ofera semnalul analogic la IN+ prin intermediul unui potentiometru ( veti vedea indata scopul sau ). Ideea este simpla, se compara cele 2 intrari si iesirea este comandata in consecinta, atunci cand IN+ este mai pozitiv decat IN-, iesirea este pe HI, atunci cand IN- este mai pozitiv decat IN+ iesirea este pe LO, creeandu-se astfel o unda dreptunghiulara la iesire, cu frecventa semnalului triunghiular aplicat la IN-. Acuma haidem sa analizam putin pe osciloscop insasi intrarile pentru a intelege cum se controleaza latimea impulsurilor:
Imagine postată

Canalul A este trasa cu albastru si monitorizeaza IN-, respectiv unda triunghiulara; iar canalul B este trasa rosie si monitorizeaza IN+, respectiv semnalul analogic care este in cazul de fata provenita de la acea sursa de 5Vcc. Sa dam un pic zoom cu 2 imagini:
Imagine postată
Imagine postată

In prima imagine pe timpul dintre T1 si T2 ( makerii aia verticali ) canalul B este mai pozitiv decat canalul A, adica IN+ este mai pozitiva decat IN-, asta dupa cum stim face ca iesirea comparatorului sa fie pe HI. Acest timp este indicat in imagine ca fiind 984nS, mai exact este vorba de 1uS dar nu am reusit eu sa pozitionez marker-ul fix unde vroiam, deci 1uS dintr-o perioada a rampei de 10uS, adica 10% din timp IN+ este mai pozitiva, si deci 10% din timp iesirea comparatorului este pe HI, cu alte cuvinte Ton este 10% din perioada T => umplere 10%.

In cea de-a 2-a imagine observam ca pe timpul dintre T1 si T2 ( repozitionate ) canalul/IN- A este mai pozitiv decat canalul B/IN+, asta face ca iesirea comparatorului sa stea pe LO in acest timp, adica asta este Toff, si este asa cum lesne se subantelege reastul de 90% din T, adica 9uS. Iata si forma de unda corespondenta la iesire:
Imagine postată

Daca semnalul analogic in loc de 0,5V va avea 4,5V atunci situatia se inverseaza:
Imagine postată

10% din timp IN- este mai pozitiva si restul de 90% IN+, deci Ton este 90% si 10% Toff, => umplere 90%, iata forma de unda:
Imagine postată

Pana aici totul este sper eu clar, deci hai sa revenim la configuratia buck, punand inductanta, condensatorul si o sarcina:
Imagine postată

Canalul A monitorizeaza semnalul PWM cu care inductanta este alimentata, iar canalul B monitorizeaza iesirea, am setat eu amplitudinea iesirii comparatorului la 20V si cu 10% umplere, iesirea este la 2V asa cum swe poate observa, asadar pana aici totul in regula. Acum se va observa scopul principal al potentiometrului, valorificam prezenta sa si in timpul simularii am variat pozitia cursorului sau si iata ce a reiesit pe osciloscop:
Imagine postată

Reamintesc faptul ca trasa albastra monitorizeaza forma semnalului PWM iar trasa rosie indica forma iesirii. Si uite cum s-a obtinut un semnal analogic pe sarcina recuperat dintr-o asazisa purtatoare PWM. Acuma e simplu sa aplicam un generator de functii sinus in locul sursei de 5Vcc si iata ce obtinem ( 2 imagini pe cate o baza de timp diferita ):
Imagine postată
Imagine postată

Se obtine astfel pe iesire ( si implicit pe sarcina ) o reflexie a semnalului analogic aplicat la intrare, se face asta modulandu-se in latimea impulsului o unda asazis purtatoare si recuperandu-se de catre LC semnalul de interes din acea purtatoare, ceea ce am incercat eu sa lamuresc cu acest articol este si cum se face acest lucru ( si este modul de functionare al stabilizarii efectuate de inductanta valabil si la orice sursa in comutatie stabilizata cu conversie directa ). Simplist spus ansamblul LC de la iesirea unui amplificator in clasa D se poate denumi si filtru, pana la urma el inlatura purtatoarea de inalta frecventa, deci o "filtreaza" dar este important sa intelegem corect cum anume se face asta si sa facem distinctia clara intre un banal filtru LC aplicat pe o tensiune continua cu eventual zgomot pe care dorim sa-l inlaturam, si acest ansamblu LC de pe iesirea unui amplificator in clasa D, si evident inductanta de stabilizare pentru sursele in comutatie stabilizate.

Este poate cel mai simplist mod de a privi aceasta configuratie dar cred suficient de elocvent astfel incat sa fie inteles de catre toti principiul elementar care sta la baza fenomenelor ce se produc la un amplificator audio clasa D. Inductanta suporta o componenta de curent alternativ la frecventa mare a PWM-ului dar aceasta este in mod normal mult mai mica decat componenta continua ( sau in cazul de fata cea de frecventa audio ) de aceea efectul pelicular nu este atat de pronuntat incat sa necesite bobinare cu litz ( e o risipa inexplicabila sa folosesti litz in atare aplicatie ), de multe ori o singura sarma poate face fata acestei variatii de curent tocmai pentru ca este de intensitate redusa, astfel incat rezistenta conductorului in curent alternativ sa fie suficient de redusa. de cat de mica este variatia de curent la frecventa PWM depinde tocmai valoarea inductantei, o inductanta mai mare inseamna si o variatie mai mica si deci o rezistenta CA mai mica, dar o inductanta mai mare inseamna si o inductie in miez mai mare ceea ce pe langa riscul saturatiei poate duce si la pierderi mai mari in miez, mai ales ca nici componenta predominanta nu este tocmai continua.

Inchei spunand ca fiecare intelege si trateaza fix cum pofteste postarea asta a mea, eu am incercat sa lamuresc unele chestii, daca am reusit este bine, daca nu... macar am incercat.

Bafta.
Marian.
  • donpetru și gsabac like this



@Marian ai reuşit, felicitări pentru aceasta postare documentată, realistă si completă pentru o introducere în amplificatoarele clasa D.

Pentru unii useri care nu cunosc sau nu înteleg noţiunea de spectru în frecventă al semnalelor, fac precizarea că semnalul

 este modulat în durată cu polarităţi pozitive şi negative şi conţine componentă continuă. Ca rezultat, acest semnal este deformat

 iremediabil atunci cînd trece printr-un transformator sau condensator şi nu mai poate fi reconstituit.

 

@gsabac

    • Marian78 ii(le) place mesajul asta

Va multumesc pentru apreciere D-le Gsabac, conteaza mult venind de la dvs.

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc