Юный техник, 2009 № 06 | страница 38

Окончание. Начало в предыдущем номере.

Ключевые методы усиления класса D

Из первой части статьи мы узнали, что ток, а следовательно, и мощность в нагрузку УЗЧ поставляет источник питания, а транзисторы лишь регулируют этот ток в соответствии с входным звуковым сигналом. Регулировка должна быть строго пропорциональной, чтоб не было искажений. Такие усилители называют аналоговыми, как и всю электронику, основанную на пропорциональном управлении. КПД аналогового усилителя принципиально не может достигать 100 %, поскольку в процессе работы транзистор почти все время открыт лишь частично и на нем выделяется мощность, которая затем превращается в тепло и рассеивается радиатором.

Потери мощности на транзисторе могут отсутствовать при двух условиях: либо транзистор должен быть заперт и ток через него равен нулю, либо полностью открыт и напряжение между коллектором и эмиттером равно нулю (напомним, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, равна току через него, помноженному на напряжение коллектор-эмиттер). Транзистор при этом подобен выключателю, который либо замкнут, либо разомкнут. При этом он может коммутировать огромные мощности, сам нагреваясь мало. Описанный режим работы транзистора назван ключевым.

Известен он очень давно и широко применяется в силовой электронике для управления освещением, электромоторами. Причем управление может быть и плавным, если включать и выключать транзистор с большой частотой, такой, чтобы за период между импульсами включения нити ламп не успевали остыть, а моторы — заметно изменить свою скорость. Регулировка же происходит изменением длительности импульсов, или, как говорят, скважности — отношения периода следования импульсов к их длительности. Процесс изменения длительности (ширины) импульсов называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Принцип ключевого усиления с успехом применим и в УЗЧ, если частоту следования импульсов выбрать ультразвуковой — выше самой верхней частоты звукового спектра, на практике — от 30 кГц и выше. Этот способ усиления и отнесен к классу D.

Структурная схема усилителя класса D приведена на рисунке 1.

Он содержит генератор импульсов, ШИМ-модулятор, ключевой усилитель КУ, выходной фильтр нижних частот ФНЧ и нагрузку — динамическую головку громкоговорителя ГР или АС.

ШИМ обычно получают следующим образом: преобразуют импульсы в треугольные или используют специальный генератор импульсов треугольной (пилообразной) формы — генератор «пилы» и подают его колебания на один вход компаратора (Комп). На другой его вход поступают звуковые колебания (график