Усилитель d класса для сабвуфера своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Есть у меня саб на двух 12ти дюймовых динамиках, и 300 ваттного усилителя ему явно не хватает для того, чтобы показать на что он способен. Решено было собрать новый усилитель с определенными характеристиками.
Требования:
1. Минимальные габариты, чтобы помещался под сиденьем.
2. Класс D - экономичность, малый нагрев.
3. 800w RMS 4 Ohm - для двух 8ми омных динамиков по 400w
4. Сабсоник 30Hz 12dB/oct - для исключения превышения x-max.
5. LPF 60-155Hz 24dB/oct, для исключение локализации саба.
6. Никаких бассбустов, переключения фаз и прочих ненужных функций.

Сначала ищем нужные схемы и печатные платы. Нашел плату преобразователя напряжения с самой грамотной разводкойhttps://drive.google.com/file/d/0B1A. ew?usp=sharing. В качестве усилителя был выбран мною уже проверенный "палник королькова" класса D. Кольцо обматываем лейкопластырем кольцо PC40

мотаем первичку 3+3 витка

Поверх мотаем вотричку 20+20 витков

Собираем преобразователь напряжения:

Обратная сторона, по два irf3205 в плечо

Тестируем: подключаемые 2 аккумулятора и зарядник, в качестве нагрузки- утюг и обогреватель в параллель общим сопротивление 20 Ом . При просадах 11.6в преобразователь на нагрузке выдал 128в
(-+64в), итого: 128*128/20=820ватт, довольно неплохо, холостой ход +-85в. Но больше нагрузку побоялся цеплять. так как идёт сильный просад аккумов, за 10 секунд просаживаются до 11 вольт.
Тест преобразователя

Собираем плату самого усилителя:http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=97582
Плата усилителя "Палник"

Раскачивают мощные полевики irfp250n

Первое включение через резисторы в питании, чтобы не бабахнуло, нагрузка - мощный про саб))
Проверка усилителя

Рассчитываем в программе Microcap фильтр, получается вот что:

У меня уже была китайская плата, пришлось только заменить номиналы деталей.

Собираем все вместе, проверяем еще раз, корпус сделан из алюминиевых профилей и барабана от старой стиральной машины.

Вот так выглядит после сборки, ничего лишнего.

Передняя панель gain и lpf 60-155Hz, RCA

клемники , залазит 16мм

Совсем кроха получился

Ставим в машину и даем просраться сабу), питание 16 кв.мм, масса с кузова,просады не сильные
Подключаем в машине, и кладем под сиденье

После старого уся разница ощутима теперь грудак пробивает не по-детски, из-за низкого внутреннего сопротивления преобразователя демпфирование отличное, импульсы отрабатывает хорошо. К сожалению номинальную мощность не стал замерять, так как нету мощного резистора 4 ом, а динамики жалко. Через получаса работы на большой громкости корпус нагрелся совсем немного.Для себя я понял одно, больше 500 ватт для машины это уже перебор, но запас мощности - это всегда хорошо. Усилитель почти готов, не хватает только защиты( от постоянки на выходе и перегрева).
На детали и алюминиевую трубу ушло чуть больше 2000р, терпение бесценно.

Для тех, кто заинтересовался, могу более подробно расписать процесс постройки, расчеты трансформатора и фильтра.

Если Вы впервые на нашем Форуме:

Авторитет Начальник кадров

Молодец!
Пиши, однозначно будет полезно.

А предохранителя нет в блоке питания усилителя или я не увидел?

Он есть, реализован ввиде короткого участка из медной проволоки диаметром 0,91мм(примерно 70А), которая впаяна в разрыве плюсового питающего провода. Съёмные не стал городить, заняли бы место, да и лишний контакт ни к чему.

Преобразователь напряжения.
Самым важным элементом усилителя является преобразователь напряжения, от него в большей степени зависит выходная мощность. Из 12-14 вольт бортовой сети больше 24 Вт на 4 ома получить нельзя, выше головы не перепрыгнешь. Для бо'льших мощностей в усилителях делают преобразователь напряжения, в основном двухполярный. В моем случае, чтобы получить 800вт, нужно на нагрузку 4ом подать 56в действующего напряжения. Чтобы усилитель мог выдать такое напряжение, нам необходим двухполярный блок питания +-80в(56*1,41=80), но это без учета потерь на транзисторах, и КПД. В реальности же под нагрузкой напряжение проседает, и нужен запас.

Плата.
Выбрана самая грамотная печатная плата "Старичка", которую я встречал в интернете, отличается она от заводских тем, что силовые дорожки 12 в небольшой длины и имеют максимальную толщину. Также удачно расположены транзисторы и выпрямительные диоды, укорочены ножки, конденсаторы расположены максимально близко к ключам и зашунтированы керамикой.

Трансформатор.
Для трансформатора выбрано кольцо 56*30*20 марки PC40. Его габаритная мощность больше киловатта - с запасом. Мощность преобразователя будет зависеть и от намотки, т.е. насколько тесно связаны будут первичная и вторичная обмотки. Обмотки нужно мотать лакированным проводом в несколько жил как можно плотнее друг к другу, чтобы магнитная связь была сильнее. Сечение жил будет зависеть от тока и частоты преобразования ПН(преобразователь напряжения), так как на высоких частотах действует "скин эффект" - сопротивление толстого провода увеличивается с повышением частоты, поэтому лучше брать несколько жил меньшего сечения, да и мотать будет легче.

Намотка.
Самое сложное дело. Тут главное не торопиться, подготовить колечко, обмотав его неплавящимся изолирующим материалом, я применил обычный лейкопластырь. Подготавливаем провода, длину можно узнать намотав одной жилой 3 витка + небольшой запас. Режем одинаковые 11 проводов, с одной стороны счищаем лак, скручиваем плотно нитками в пучек и залуживаем, на трансформаторе это будет делать намного сложнее. Теперь фиксируем теми же нитками начало первичной обмотки, плотно приматываем залуженный конец пучка к колечку и начинаем аккуратно по 1-2 проводу намотку, это легче, чем мотать сразу все 11 жил. Намотав все жилы, конец первички также зачищаем, фиксируем нитками и залуживаем(запаиваем). Аналогично мотается вторая первичка.
Перед намоткой первички нужен слой изоляции. Вторичка мотается аналогично, но легче, главное не допускать перекосов жил, мотать нужно плотно.
Перед впаиванием на плату трансформатора желательно проверить правильность намотки. Для этого нужно замерить индуктивность обмоток, они должны быть одинаковыми. Также при соединении обмоток индуктивность должна значительно возрастать. При неправилной намотке или коротком зымыкании индуктивность будет разной.

Сборка.
Намного удобнее сначала намотать трансформатор, а потом уже под него рисовать печатку. Силовые дорожки для надёжности усилил медным проводом 2,5мм². Ножки транзисторов и диодов максимально укоротил. Подача питания на плату осуществляется с двух сторон медным проводом 6мм². В качестве предохранителя в разрыв питающего провода +12в впаяна медная жила диаметром 0,91 мм, что соответствует плавкой вставке 70А. Ввжно. Нужно поставить шунтирующие резисторы на выходе преобразователя, так как без них на холостом ходу происходит накачка напряжения, и оно может превысить 100 вольт, что опасно для выходных конденсаторов. Достаточно поставить по одноватному резистору в плечо, номинал будет зависеть от напряжения питания 90²в/1вт=8100ом берем 10кОм.

Выходные дроссели также рассчитываются в программе, мотаются тем же проводом что и вторичка на трансформаторе, применил жёлтые кольца от блока питания компьютера.

Автомобильный усилитель сабвуфера состоит из трех схем, которые смонтированы на одной печатной плате. Тем самым, усилитель сабвуфера представляет собой моноблок, что очень удобно при встраивании в небольшой корпус.

Сигнал, поступающий на вход усилителя мощности необходимо отфильтровать таким образом, чтобы его частота не была выше 60-200Гц. Для этого в составе усилителя сабвуфера включен фильтр низких частот (ФНЧ). Помимо ФНЧ на плате есть усилитель мощности звуковой частоты и повышающий преобразователь напряжения.

Сейчас я опишу немного подробнее каждый блок автомобильного усилителя сабвуфера.

Повышающий преобразователь

Преобразователь необходим данному усилителю для обеспечения развития мощности большей, чем развил бы усилитель с однополярным питанием от бортовой сети автомобиля +12В. Таким образом, преобразователь позволяет организовать двухполярное напряжение питания ±25В.

Схема двухтактная, построенная на ШИМ-контроллере TL494. За частоту генерации отвечают элементы R3 и C4. С их номиналами, указанными на схеме, внутренний генератор TL494 работает на частоте 100кГц, частота на выходе контроллера делится на два и на трансформаторе присутствует прямоугольный импульс, образованный силовыми ключами VT3 и VT4 уже с частотой 50кГц. На частоту 50кГц и был рассчитан трансформатор Tr1.

Схема не имеет защиты от короткого замыкания и имеет постоянную ширину импульсов.

На печатной плате усилителя сабвуфера есть незначительные отличия: отсутствует предохранитель F1, предусматривается, что он будет установлен либо на корпусе устройства, либо в колодке автомобиля. Отсутствуют конденсаторы C5, C11 и C12. Присутствуют выходные дроссели. Вместо четырех отдельных диодов Шоттки VD3-VD6 применена диодная сборка и два отдельных диода.

Импульсный трансформатор

Наибольшее затруднение при сборке достается при намотке трансформатора. Попробую объяснить принцип его изготовления.

Я применил в качестве сердечника трансформатора ферритовое кольцо с маркировкой 2000HM и размерами 32?16?12мм.

Первым делом кладем несколько слоев изоляции.

Первичная обмотка

Первичная обмотка делится на две половинки. Каждая половинка содержит 5 витков. Так как токи в первичной цепи велики, то необходимо обеспечить хорошее сечение обмоточного провода. Для этого нужно мотать каждую половину 4 жилами провода ПЭТВ-2 диаметром 0.63мм. Я мотал 5 жилами (но это не обязательно и более трудно).

Да, кстати, если ваш сердечник имеет другие габариты и марку материала, то необходимо произвести пересчет минимального количества витков первичной обмотки в программе Lite-CalcIT.

Есть два способа намотки. При первом способе мотается 5 витков в один слой, равномерно распределенных по всей длине кольца. Далее делается отвод (это будет средняя точка) и от него мотается еще аналогичный слой с 5 витками, в том же самом направлении. Стоит не забывать про изоляцию между слоями проводов. В итоге мы должны получить две половинки, у которых конец одной соединен с началом другой. Обратите внимание, что соединение средней точки выполняется на печатной плате.

Я воспользовался вторым способом. Он заключается в намотке 5 витков в один слой сразу всеми жилами, в моем случае 10 жилами. Дальше нужно разделить (расщепить, вызвонить) по 5 жил и соединить общую точку так, чтобы конец одной половины соединялся с началом другой половины. Ошибкой будет соединение начала одной половинки с ее же концом, то есть образование короткозамкнутого витка.

Вторичная обмотка

Мотается аналогично первичной обмотке, одним из описанных выше способов. Число витков 10+10, двумя жилами провода ПЭТВ-2 диаметром 0.63мм. При таком количестве витков, на холостом ходу повышающего преобразователя, на его выходе присутствует напряжение ±25В, под нагрузкой усилителя сабвуфера оно будет немного проседать. Также выходное напряжение зависит от входного напряжения. При работающем генераторе автомобиля, в моем случае, напряжение на борту составляло +13.5В, а выходное напряжение преобразователя ±26В.

Соединение выводов вторичной обмотки на плате.

Соединение выводов первичной обмотки на плате.

Дроссели

Через входной дроссель L1 протекает достаточно сильный ток, который может достигать 10 Ампер на пиках, поэтому диаметр провода должен быть не менее 1мм. Мотается дроссель на ферритовом стержне диаметром 5-6мм и имеет 10-20 витков. Также его можно выполнить на кольце из распыленного железа желтого цвета.

Выходные дроссели аналогичные, диаметр провода может быть меньше (0.7-0.8мм и более) из-за меньшего тока, протекающего через них.

Я применил стержневые дроссели, от старых импульсных блоков питания.

Компоненты и охлаждение

Все номиналы указаны в схеме.

Все резисторы мощностью 0.25Вт за исключением R4, R9 и R10, их мощность 2Вт.

Неполярные конденсаторы могут быть керамическими.

В качестве диодной сборки необходимо применить Шоттки с током 2?5А и напряжением 100В, например MBR10100CT.

VD4 и VD5 должны быть также диодами Шоттки, либо очень быстрыми импульсными диодами на ток не менее 3А и напряжение не менее 100В. Подойдут SR5100, SF56, UF5408 и им подобные.

На силовые ключи VT3 и VT4 необходимо установить небольшую алюминиевую пластинку через изоляционные втулки и прокладки. После установки теплоотвода нужно проверить сопротивление между фланцами ключей и радиатором, сопротивление должно быть бесконечным.

Фильтр низких частот

Активный фильтр НЧ собран на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) широкого применения NJM4558D. Нет необходимости в автомобильном усилителе сабвуфера применять дорогостоящие малошумящие ОУ.

Напряжение питания ФНЧ однополярное, поэтому он запитан от одного плеча преобразователя. Ограничительный резистор R8 и стабилитрон VD1 стабилизируют напряжение на уровне +15В. Резистор R8 может быть мощностью 0.25Вт, так как на нем рассеивается малое количество мощности (на плате я установил резистор 2Вт – ошибочно).

Канал U1.1 включен в инвертирующем режиме с ООС. На неинвертирующий вход подано напряжение смещения, равное половине напряжения питания (+15В), тем самым давая возможность работать, как с отрицательной полуволной, так и положительной полуволной.

Коэффициент усиления фильтра равен 3. Частота среза ФНЧ находится в районе 60Гц. Ток потребления NJM4558D всего 3.5мА.

Для увеличения частоты среза необходимо уменьшить одновременно емкости C4, C6 и C8.

Резистором R11 можно установить необходимую амплитуду сигнала, поступающего на вход усилителя мощности звуковой частоты. Также он частично изменяет частоту среза, так как совместно с конденсатором C8 образует ФНЧ.

Усилитель мощности звуковой частоты

Все номиналы компонентов представлены на схеме, дефицитных элементов в ней нет. Резистор R11 мощностью 1Вт, остальные резисторы мощностью 0.25Вт.

Неполярные конденсаторы могут быть керамическими, разницы в качестве звука при прослушивании вы не увидите, тем более в автомобиле и на низких частотах.

Транзисторы необходимо установить на радиатор через изоляционные прокладки и втулки. Площадь теплоотвода должна быть 600см 2 . Для проверки я использовал алюминиевую пластинку с площадью охлаждаемой поверхности 70см 2 .

Печатная плата

Печатная плата автомобильного сабвуфера разведена известным в сети радиолюбителем под ником DTS.

Печатная плата кому-то может показаться неудобной, но DTS разводил ее под свои нужды, параметры и габариты. В любом случае, можно развести свой вариант. Я лично использовал печатную плату от DTS, мне нравится ее компоновка и размеры.

Хочу заметить, что плата имеет множество перемычек, поэтому будьте внимательны при повторении схемы, не забывайте их впаять.

После монтажа обязательно нужно смыть остатки флюса (канифоли).

Рекомендации по сборке

Сборку автомобильного усилителя сабвуфера необходимо начинать с повышающего преобразователя. Выполнив монтаж компонентов, необходимо проверить его, нагрузив выход резистором с сопротивлением 50-70Ом.

Убедившись в исправной работе преобразователя, приступаем к сборке фильтра НЧ и усилителя мощности.

Наладка усилителя мощности осуществляется установкой напряжения постоянного тока на базах VT1 и VT2 относительно общей точки (GND) в районе 0.4-0.5В. Более подробно о наладке рассказано в указанной выше статье.

Вот принципиальная электрическая схема проекта усилителя мощности звука, работающего в импульсном классе D, которая в отличии от этой конструкции не содержит дорогих специализированных микросхем. Всё собирается на распространённых деталях. Схема представляет интерес не только как сам УМЗЧ, а как наглядная демонстрация всех узлов и процессов, происходящих в УНЧ этого типа: генератор, модулятор, буферный каскад, усилитель и так далее.

Схема УНЧ класса D

Принципиальная схема. Клик для увеличения.

Максимальная мощность выхода не указана, так как всё зависит от напряжения питания и типа используемых транзисторов. При желании – раскачать выход до 100 Вт на 4-х Омах не проблема.

Список деталей

1х 3.5 мм аудиовыход
1х потенциометр 10K
1х компаратор LM393
1х Таймер TLC555
1х Инвертор 74HC04
1х IR2113 драйвер МОСФЕТ
2х IRLZ44N транзистор
1х 7805 регулятор напряжения
1х 7812 регулятор напряжения
3х 47 мкФ, 1х 22 мкФ, 7х
220 нФ конденсатор3х UF4007 диод
2х 10к, 2х 10, 1х 2к резистор
2х 33 мкГн дроссель

Печатную плату для простоты сборки можно не разрабатывать, а спаять детали на макетной – смотрите фото.

Видео

А это видео даст всю информацию, нужную для постройки своего аудио усилителя Д класса.

Истинные аудиофилы всегда мечтали сконструировать идеальный усилитель, абсолютно достоверно воспроизводящий каждый звук, записанный на студии. Возможно, они начали мечтать об этом, когда, получив первые уроки электроники, узнали, что топология класса A дает великолепные результаты с точки зрения линейности. Иногда горячие студенты, невзирая на предупреждения своих учителей, пытались изобрести велосипед, посвятив себя созданию усилителя класса A с выходной мощностью 150 Вт на канал, чтобы поразить всех друзей мощным и совершенным звуком. И каждый раз, когда разработка подходила к финальной стадии, выяснялось, что усилитель, по большому счету, представляет собой мощный обогреватель, а его корпус является раскаленным радиатором для транзисторов выходного каскада.

Затем эти студенты начинали увлекаться вопросами снижения энергопотребления, и делали усилители класса B или AB, а наиболее усердные, исследовав все топологии, останавливались на классе D. Для новичков в конструировании усилителей сообщим. В усилителе класса A выходной транзистор усиливает весь сигнал, т.е., 360°. В системах класса B каждый транзистор усиливает только одну полуволну сигнала, или 180°.

Рисунок 1.

Слева направо: типичные базовые схемы усилителей классов A, B или A/B, и полномостового усилителя класса D.

Усилители класса D известны более 25 лет, но настоящую популярность приобрели лишь 10-15 лет назад, или около того. Из за их высокого КПД, они использовались, главным образом, на низких частотах при больших уровнях мощности, т.е., для управления сабвуферами, и очень редко – в средне- и высокочастотных приложениях, вследствие значительных искажений, связанных с несовершенством технологии переключающих схем того времени.

Чтобы сделать усилитель класса D с приличным звучанием, необходимо учесть множество параметров, не пропустив ни одного элемента в цепи прохождения сигнала. Без этого не удастся добиться хороших звуковых характеристик во всем диапазоне частот. На Рисунке 2 изображена простая блок-схема типичного цифрового усилителя. Каждый прямоугольник этой блок-схемы должен быть тщательно выверен и согласован с остальными. Лишь в этом случае можно достичь определенного баланса и создать усилитель, отвечающий требованиям нашего уха.

Рисунок 2.

Путь прохождения сигнала в усилителе класса D.

Каскад ШИМ-модулятора

ШИМ сигнал можно получить с помощью как аналоговой, так и цифровой схемы, точно так же, как аналоговым или цифровым может быть источник звука. Проще всего получить сигнал ШИМ сравнением треугольного напряжения со звуковым сигналом, как это показано на Рисунке 3. Если источник сигнала цифровой, превратить импульсно-кодовую модуляцию в ШИМ можно, используя цифровой сигнальный процессор. В любом случае, первостепенное значение для формирования ШИМ сигнала имеют величина джиттера и стабильность всех генераторов, так как несколько пикосекунд среднеквадратичного значения джиттера навсегда похоронят мечты о создании усилителя c отношением сигнал/шум лучше 100 дБ. В цифровых ШИМ системах добавляется ошибка квантования, порождаемая конечным числом уровней ШИМ.

Рисунок 3.

Простой ШИМ-модулятор.

Методы формирования шумов совершенствовались на протяжении многих лет, в результате чего появились новые технологии, такие, как PDM (pulse-density modulation – плотностно-импульсная модуляция) и дельта-сигма модуляция, которые, теоретически, позволяют сместить спектр шумов дискретизации далеко за область полезных частот, где они могут быть эффективно подавлены фильтрами.

Несимметричный или дифференциальный?

Прежде чем выбирать, каким будет выходной каскад, – несимметричным или дифференциальным, – очень важно понять влияние этого выбора на характеристики конструкции. Несимметричный режим выгоднее с точки зрения количества и цены компонентов, но для предотвращения постоянного смещения выхода потребуется развязывающий конденсатор. Кроме того, все колебания напряжения питания неизбежно передаются прямо на выход, еще более увеличивая уровень искажений. Поэтому использовать несимметричную схему без обратной связи невозможно.

Дифференциальный режим затратнее, но дает много преимуществ, таких как меньший уровень четных гармоник, улучшенная устойчивость к колебаниям питающего напряжения, меньшая мощность, рассеиваемая каждым транзистором, и более простое решение задачи устранения постоянного смещения, не требующее развязывающих конденсаторов. Обратная связь может улучшить выходной сигнал, однако дифференциальная топология без обратной связи искажает сигнал намного меньше, чем несимметричная.

Выходной MOSFET каскад и драйвер

В схеме, изображенной на Рисунке 2, важны все элементы, но два из них оказывают наибольшее влияние на искажения выходного сигнала. Это MOSFET транзисторы и их драйвер. Качество звука очень зависит от формы импульсной последовательности, и любое отклонение ШИМ сигнала от идеального ухудшает его качество.

Для этого каскада важны, и должны быть рассмотрены, многие характеристики MOSFET транзисторов:

ток управления и входная емкость;
мертвое время (что важно для исключения сквозных токов);
сопротивление открытого канала;
время включения/выключения.

Ток управления затвором MOSFET транзистора должен соответствовать его емкости, чтобы иметь малые времена нарастания и спада импульсов на входе транзистора, которые, в свою очередь, обеспечат крутые фронты в выходном сигнале. В свою очередь, источник питания должен быть способен отдавать большие импульсные токи.

Мощность рассеивания и правильный выбор MOSFET транзистора

Транзисторы в переключающих каскадах класса D преобладающую часть времени полностью открыты или полностью закрыты, и рассеиваемая ими мощность минимальна. Как видно из Рисунка 1, в системах класса D используются двухтактные, каскады, в полу- или полномостовой конфигурации, выходными сигналами которых являются прямоугольные импульсы. При этом поочередно, равное время, открыт то один MOSFET транзистор, подключенный к положительной шине питания, то другой, подключенный к отрицательной шине. Теоретически, это могут быть два разных транзистора, с каналами N и P типа, но практически предпочтительнее использовать сдвоенные N-канальные транзисторы, обеспечивающие повышенную симметрию и лучшее мертвое время. Включенный MOSFET транзистор рассеивает очень небольшую мощность, являющуюся функцией прямого падения напряжения, зависящего, в свою очередь, от сопротивления открытого канала R_DS(ON). Это имеет огромное значение, не только с точки зрения экономии энергии, но, прежде всего, с точки зрения габаритов схемы. К примеру, выходной каскад 100-ваттного усилителя класса A рассеивает в виде тепла мощность 300 Вт и требует очень больших транзисторов и теплоотводов, усилитель класса AB вполне можно сделать, используя транзисторы в корпусах TO3 и радиаторы традиционных размеров, а для усилителя класса D будет достаточно транзисторов в корпусах SOT223 или TO89. А это означает, что хороший усилитель мощности может иметь относительно небольшие размеры, которые, по мере развития технологии, будут постоянно уменьшаться, благодаря росту эффективности и снижению габаритов используемых приборов.

Одна из распространенных ошибок заключается в том, что, стремясь к наивысшей эффективности, разработчики выбирают MOSFET транзисторы с наименьшим значением R_DS(ON) и ожидают, что транзисторы будут совершенно холодными. В реальности все может быть совершенно по-другому.

Транзисторы с самым низким сопротивлением R_DS(ON) имеют большую входную паразитную емкость. Управлять затвором транзисторов с большой емкостью намного труднее, приходится ограничивать частоту переключения, а это, в свою очередь, увеличивает время нарастания и спада импульсов. Поэтому нужно пытаться выбирать транзисторы с небольшой входной емкостью, чтобы облегчить управление транзистором. В общем случае, для MOSFET транзисторов с низким сопротивлением R_DS(ON) характерна прямая связь входной емкости с пробивным напряжением сток-исток, т.е., при уменьшении емкости уменьшается и напряжение. Выбор оптимального транзистора должен начинаться с сопоставления пробивного напряжения V_DSS и требуемых характеристик схемы. Далее следует убедиться, что транзистор имеет приемлемую, с точки зрения потерь мощности, величину R_DS(ON), но основным критерием должна быть минимальная входная емкость, которая позволяла бы упростить управление транзистором и облегчить режим работы драйвера затвора.

Разработчик не должен пренебрегать коммутационными потерями, обусловленными паразитными емкостями дискретных элементов. Полная мощность, рассеиваемая MOSFET транзистором, выражается следующей формулой:

I_LOAD – ток нагрузки
C_RSS – емкость затвора
V – размах напряжения на нагрузке
F_SW – частота переключения
I_GATE – ток затвора

К примеру, давайте представим, что для выходного каскада мощностью 100 Вт мы выбрали замечательный транзистор FDP047N10 фирмы Fairchild Semiconductor, имеющий R_DS(ON) = 3.9 мОм и C_RSS = 455 пФ, который управляется MOSFET драйвером с выходным током 1 А. Каскад нагружен сопротивлением 8 Ом, размах напряжения на нагрузке 50 В при частоте сигнала 100 кГц. Рассеиваемая транзисторами мощность не превысит:

P_D = 0.0039×5 А + (455×10 –12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А) / 1 А = 0.0195 + 0.568 = 0.588 Вт

Если же выбрать транзистор FDP3651U, той же фирмы, с параметрами R_DS(ON) = 18 мОм и C_RSS = 89 пФ, рассеиваемая мощность будет равна:

P_D = 0.018×5 А + (89×10 –12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А)/1 А = 0.09 + 0.111 = 0.201 Вт

Из приведенного примера несложно сделать заключение, что выбор MOSFET транзистора должен основываться не просто на величине сопротивления канала в открытом состоянии, а на оптимизации совокупности характеристик.

Выходной фильтр

С завершением создания выходного каскада тяжелая работа еще не заканчивается. Очередной критический каскад, требующих серьезных усилий от разработчика – выходной фильтр. Фильтр должен убрать импульсы из выходного сигнала и сузить полосу сигнала, оставив лишь полезную, слышимую часть до 20 кГц. Некоторые конструкторы полагаются на естественную способность громкоговорителей отфильтровывать высокочастотные составляющие сигнала, но это делает результирующую передаточную функцию сильно зависящей от громкоговорителя. Серьезный разработчик, скорее всего, будет использовать пассивный фильтр с тщательно подобранными компонентами. Как правило, желательно иметь передаточную функцию с двумя полюсами, которую имеют, скажем, фильтры Баттерворта, Бесселя или Гаусса. Идеальная передаточная функция аудио фильтра в полосе звуковых частот должна иметь линейную фазовую характеристику, постоянную групповую задержку и эффективно ослаблять частоту ШИМ.

Через выходной фильтр протекают большие токи с большой скоростью нарастания dI/dt. Это необходимо учитывать при выборе катушки, чтобы минимизировать искажения звука, обусловленные нелинейными эффектами, проявляющимися, когда сердечник катушки близок к насыщению. Для эффективного подавления частоты ШИМ и предотвращения паразитного авторезонанса частота собственного резонанса катушки должны быть выше частоты коммутации и нескольких ее гармоник. Использовать алюминиевые электролитические конденсаторы крайне нежелательно. Нужно выбирать из фторопластовых, полистирольных, поликарбонатных, или, даже, из полипропиленовых или майларовых конденсаторов. Некоторые из этих экзотических пленок достаточно дороги, зато предотвратят неприятную окраску звука, вносимую алюминиевыми конденсаторами.

Печатная плата

Еще один критический момент в конструировании усилителя – распределение питания, фильтрация и развязки. Это важно для поддержания малозашумленного, постоянно стабильного напряжения на шинах питания, в особенности, в несимметричной конфигурации с полумостовым выходом, когда любые возмущения с частотой ниже частоты среза фильтра передаются на громкоговоритель.

Есть еще множество параметров, мимо рассмотрения которых нельзя пройти при конструировании усилителя, но того, о чем рассказано в этой статье, должно быть достаточно, чтобы заложить добротную основу для разработки. Хорошая аудиосистема – это всегда продукт многомесячной работы, движения по пути, полному препятствий и компромиссов, движения, в которое вовлекаются ваши чувства и эмоции, в конце которого вас ожидает незабываемый момент.

Читайте также: