Мощный усилитель класса D

В последние годы всё чаще на страницах журналов и форумах в Интернете, где обсуждают современные конструкции УМЗЧ, появляются усилители класса D с различными схемотехническими решениями. Журнал "Радио", 2011, № 1, с. 16—19 познакомил читателей с особенностями высококачественного транзисторного усилителя класса D с автогенерацией переключательного режима и ООС с выхода фильтра.

Предлагаемая в публикуемой статье любительская конструкция, выполненная в основном на микросхемах с применением элементов поверхностного монтажа, имеет сходную структуру и качественные показатели, поэтому ориентирована на работу в широкой полосе 34. Мощность этого усилителя (100 Вт) может быть существенно увеличена при повышении напряжения питания.

Интерес к проектированию усилителя мощности (УМ) класса D появился у меня после разработки нескольких импульсных блоков питания. Возникла идея собрать простой и экономичный УМ. Эта тема не имела своего развития, пока на глаза не попался доклад Бруно Путзейса [1], инженера-разработчика фирмы Philips. Тогда же я прочитал статью Сергея Кузнецова [2] на ту же тему. Много информации и ценных советов мной получено на форуме сайта vegalab.ru в теме "D class для саба".

Естественно, предлагаемая конструкция не претендует на законченность или выдающиеся параметры, так как является полностью любительской. Но с уверенностью можно утверждать, что она проверена и не требует изготовления многослойной печатной платы.

Главными критериями проекта были повторяемость, малая номенклатура использованных деталей, их доступность, возможность сборки в домашних условиях. В этой конструкции использованы в основном резисторы и конденсаторы типоразмеров 1206 и 0805 для поверхностного монтажа, а все комплектующие доступны для заказа через Интернет.

Кроме того, после испытаний предыдущих версий такого УМ был введён узел защиты от КЗ, так как кратковременное замыкание или другое нештатное событие выводили из строя выходные транзисторы и микросхему драйвера, цена которых составляет существенную долю стоимости всего УМ.


 
На рис. 1 показана структурная схема УМ класса D. Входной каскад с симметричной (балансной) схемой передачи сигнала обеспечивает высокую помехоустойчивость к наводкам со стороны источника сигнала и способствует балансировке цепи ООС с выхода усилителя в широкой полосе частот. Далее звуковой сигнал проходит по каскадам, работающим в переключательном режиме, обеспечиваемом цепью положительной обратной связи. Эти каскады содержат компаратор, фазоинвертор и драйвер, управляющий двухтактным выходным каскадом на мощных полевых транзисторах (ПТ). Устройство содержит ещё узлы стабилизации напряжения питания и смещения ПТ, а также узлы задержки включения и защиты от перегрузки.


Рис. 2. Принципиальная схема усилителя класса D (увеличить схему)

Свойства и особенности структуры усилителя целесообразно рассмотреть по принципиальной схеме, представленной на рис. 2. Здесь на микросхеме DA1 собран входной усилитель напряжения с балансным входом, отличающийся способностью компенсации синфазных наводок. УМ с балансным входом можно использовать в любом варианте — как инвертирующий входной сигнал, так и не инвертирующий. Коэффициент усиления плеч задаётся соотношением сопротивления резисторов R5 и R6, R7 и при использовании указанных номиналов равен 16 дБ. Элементами С2, R2, R4, С4 и С1, R1, R3, СЗ формируется АЧХ УМ. Симметричные сигналы с выходов ОУ DA1 (выводы 1 и 7) через резисторы R8, R9 поступают на входы компаратора DA2 (LM31 IP), куда поступает сигнал обратной связи через ucd-цепь ОС [1]. Элементы DA2, VT3— VT5, DA3, VT7, VT8 и некоторые другие образуют усилитель класса D, коэффициент усиления которого в полосе звуковых частот равен отношению сопротивления резисторов R15, R16 к R8, R9 соответственно. Для сохранения баланса (и равного коэффициента передачи в симметричных цепях) сопротивления резисторов R8 и R9, а также R15 и R16 должны быть попарно равны. Как указано в [1], коэффициент усиления 13 дБ (4,5 раза) является оптимальным.

Так как драйвер DA3 (IR2110) имеет раздельные входы управления верхним и нижним плечами выходного каскада, сигнал с выхода компаратора, который, по сути, является последовательностью импульсов, модулированных по длительности звуковым сигналом, поступает на фазоинвертор на транзисторах VT3, VT5, включённых по схеме дифференциального каскада. Для обеспечения его работы собран источник тока (1,2 мА) на элементах VT4, VD3. Ток задаётся резисторами R22, R23. Для облегчения теплового режима транзистора VT4 в цепь коллектора включён гасящий резистор R20. Кроме инвертирования сигнала, транзисторы VT3, VT5 выполняют важную функцию сдвига уровня напряжения. Так как вывод Vss (общий сигнальный провод) микросхемы драйвера подключён к минусовому выводу блока питания, необходимо привести сигнал ШИМ от DA2 относительно общего провода устройства к уровню относительно -Vcc. Сопротивления резисторов R21, R24 выбраны такими, чтобы напряжение управления на входах DA3 не превышало 6 В (1,2 мА х 4,7 кОм). Микросхема DA3 включена по стандартной схеме [3].

Для исключения сквозного тока через транзисторы VT7, VT8 в цепи затворов установлены VR-цепи (VD7R40, VD8R41), ограничивающие ток зарядки ёмкости затворов. В данном устройстве применены полевые транзисторы (ПТ) IRF540Z. При применении в устройстве стабилитрона VD4 на 12 В напряжение управления для ПТ (VT8) будет составлять 12-1,5= 10,5 В (транзистор VT6 — составной). Сопротивление резисторов R40, R41 выбрано равным 10 Ом, потому что при меньшем значении происходит разогрев выходных транзисторов из-за возникновения сквозного тока. Время переключения мощных транзисторов равно 40 не, а средняя мощность сигнала переключения на частоте 300 кГц равна 132 мВт.

Согласно документации на микросхемы DA3—DA5, суммарный ток потребления от стабилизатора на транзисторе VT6 составит около 0,15 А. Соответственно, при напряжении питания УМ +/-30 В на этом транзисторе при напряжении питания драйвера 10,5В рассеивается мощность около 3 Вт.

Первоначально устройство защиты было построено с датчиком тока в цепи стока одного из транзисторов. При превышении тока через датчик вырабатывался сигнал на отключение устройства. Но для контроля тока в десятки ампер сопротивление и мощность резистора датчика тока оказываются неприемлемыми. Лучшее решение — контроль падения напряжения на канале ПТ в то время, когда он открыт.

В интервале времени, когда транзистор VT8 открыт, напряжение на стоке близко к напряжению на минусовом проводе питания. Так, при токе Iс=15 А на стоке напряжение выше -Vcc на lc*Rк = 15 А х 0,027 Ом = = 0,405 В, где R, — сопротивление открытого канала. Для отключения цепи измерения при закрывании транзистора VT8 использован быстродействующий диод VD6. Напряжение +10,5 В с затвора ПТ подаётся через токоограничивающий резистор R37 на диод VD6, в таком случае напряжение на инвертирующем входе компаратора DA4.1 составит сумму падения напряжения на диоде VD6 плюс падение напряжения на транзисторе VT8. То есть при токе 15 А оно примерно равно 0,4 + 0,4 = 0,8 В.

Для сглаживания пульсаций этого напряжения использован конденсатор С24, а для разрядки конденсатора — резистор R38. Далее это напряжение компаратор DA4.1 сравнивает с образцовым, которое формирует делитель напряжения R31R34. Оно может быть изменено с помощью подстроечного резистора R31. В том случае, если напряжение с датчика больше образцового, выходной транзистор микросхемы DA5 с открытым коллектором (вывод 7) закрыт. Конденсатор С25 заряжается через резистор R39 до напряжения, достаточного для запуска таймера DA5 (NE555), на выходе которого (вывод 3) устанавливается напряжение 10,5 В (относительно -Uпит). Это напряжение через светодиод HL1 поступает на вход SD (вывод 11) DA3 и запрещает генерацию. Так как ток этого входа недостаточен для свечения светодиода, добавлен резистор R25.

Второй компаратор (DA4.2) следит за напряжением питания нижнего плеча. При этом подразумевается, что оба плеча питания симметричны При напряжении питания нижнего плеча ниже -20 В компаратор переключается и, аналогично устройству защиты от превышения тока через ПТ, блокирует работу драйвера DA3 и выходного каскада. Это сделано для исключения неприятного свиста  при включении и выключении УМ, который связан с разной скоростью зарядки и разрядки конденсаторов плеч питания, а также при использовании БП с плавным пуском.

Запуску возбуждения УМ сразу после подачи питания препятствует задержка (2 с), формируемая таймером DA5. При кратковременном срабатывании защиты УМ также будет выключаться на 2 с. Кроме того, у устройства защиты есть ещё одно полезное свойство. Так как сопротивление открытого канала полевого транзистора увеличивается с ростом температуры (а максимальный допустимый ток уменьшается) то, соответственно, при равных токах на разогретом транзисторе падение напряжения будет выше, чем на холодном. Таким образом, порог срабатывания защиты смещается в безопасную зону при перегреве.

Для питания ОУ DA1 и компаратора DA2 собраны два параметрических стабилизатора наVT1, VD1 и VT2, VD2. Для подавления ВЧ помех установлены дроссели L1, L2 (BLM21BD102SN1), которые совместно с конденсаторами С15, С17 и С16, С18 образуют LC-фильтры. При отсутствии дросселей их допустимо заменить резисторами сопротивлением 100...220 Ом.

Для питания драйвера DA3 IR2110 и устройства защиты собран ещё один параметрический стабилизатор на элементах VT6, VD4, R31, С20. Здесь применён составной транзистор TIP112. Для него нужен теплоотвод, способный рассеивать мощность не менее 3 Вт.

Дроссель на выходе усилителя класса D — едва ли не самый важный элемент. При его неправильном изготовлении будут перегреваться либо транзисторы, либо сам дроссель, также могут появляться неприятные призвуки на НЧ. Я использовал дроссель с кольцевым магнитопроводом EPCOS 25,3x14,8x10 N87 с зазором около 1,1 мм. Этот зазор аккуратно прорезан "болгаркой" с отрезным кругом толщиной 1 мм. При резке нужно соблюдать крайнюю осторожность! В крайнем случае зазор можно сделать из бумаги, пропитанной клеем, при склеивании разломанного ферритового кольца. Индуктивность дросселя с зазором можно вычислить, воспользовавшись данными из [4]. Для получения индуктивности 30 мкГн на кольце, обёрнутом изоляционным материалом, равномерно намотаны 24 витка проводом диаметром не менее 0,8 мм.

Конденсатор С28 выходного фильтра должен выдерживать большие токи и напряжения, соответствующие техническим параметрам. Нужно использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее чем на 100 В, например, плёночные из группы К78 (К78-2, К78-6), К73-16 или аналогичные импортные. Вполне допустимо использовать конденсатор ёмкостью до 1 мкФ, частота переключения при этом снизится незначительно (на 30 кГц). При использовании конденсатора ёмкостью 0,1 мкФ частота повышается до 418 кГц. Все оксидные конденсаторы ёмкостью 1 мкФ — танталовые, типоразмера А (1206). Все конденсаторы ёмкостью 1000 пф, кроме С24, — блокировочные, того же типоразмера. Конденсаторы СЗО. С32 — керамические многослойные на напряжение 25 В, а СЗЗ, С34 — на напряжение 50—100 В, например, из групп NP0, X5R или X7R компании Murata. Другие оксидные конденсаторы — импортные, например, фирмы Jamicon. В сигнальных цепях (С9—С12, С24) нужно использовать керамические конденсаторы только группы NPO.
На фото рис. 3 представлены печатная плата (один из вариантов) и узел УМ в сборе.

 

Рис. 3. Усилитель класса D в сборе и печатная плата

Чертёж печатной платы и расположение элементов на ней показаны на рис. 4

 Рис. 4a

 Рис. 4б

Рис. 4в

 
Здесь маломощные транзисторы установлены со стороны монтажа SMD-деталей. В плате есть семь отверстий, в том числе три из них на месте отверстий в фланцах транзисторов. Поэтому и мощные транзисторы (VT6—VT8) могут быть закреплены через изолирующие прокладки на общем теплоотводе со стороны монтажа SMD-деталей.

На чертеже показан вариант размещения мощных транзисторов на теплоотводах промышленного производства, например, HS-123-40(см. рис. 3). В таком случае теплоотвод размерами 10x4x30 мм для транзистора VT6 можно изготовить из алюминия.

Слой фольги со стороны установки элементов с выводами оставлен как общий провод, с которым печатные проводники, соединяющие соответствующие элементы поверхностного монтажа, объединяют дополнительными перемычками (если нет металлизации в отверстиях, обозначенных GND на чертежах рис. 4,б), а в местах отверстий под элементы, не соединяемые с общим проводом, фольга снята небольшим сверлом. На плате также предусмотрена возможность экранирования входного ОУ и компаратора DA2. Для этого вокруг них симметрично расположены экранные площадки и переходные отверстия. Однако, как оказалось, в этом нет необходимости.

О последовательности монтажа. Прежде всего, в плате без металлизации отверстий нужно сделать проволочные перемычки участков печатного монтажа общего провода с экранным слоем фольги. Затем следует установить перемычку в цепи питания +12 В, а также соединить цепь обратной связи с выходом усилителя (перемычка а-а изолированным проводом). Далее на плату устанавливают разъёмы Х1—ХЗ (фирмы Dagson): входной разъём типа DG300-5.02P12, выходной — DG129-5.0-02Р. Разъём питания на плате — 2EDGRC-5.0-03P-14, ответная часть — 2EDGK-5.0-O3P-14.

Для упрощения проверки узлов устройства целесообразно сначала установить детали, относящиеся к параметрическим стабилизаторам, цепям источника тока (транзистор VT4) и фазоинвертора (VT3, VT5), чтобы проверить наличие напряжений на выходах стабилизаторов и падение напряжения на резисторе R20. Оно должно быть около 6 В. Затем монтируют таймер NE555 с "обвязкой". Проверяют работу узла задержки запуска при включении. Светодиод должен включаться на 1 ...3 с после подачи питания, а затем гаснуть.

После этого монтируют компаратор КА393 с "обвязкой". Подстроенным резистором R31 устанавливают на выводе 3 этого компаратора напряжение равным 0,9... 1 В (относительно -ипит) и проверяют работу узла контроля напряжения питания. Это удобно делать с помощью регулируемого Б П. При понижении напряжения питания менее 15...20 В должен светиться светодиод.

После этих проверок устанавливают остальные детали. Сначала следует правильно смонтировать все элементы для поверхностного монтажа, затем и остальные: микросхемы, оксидные конденсаторы, теплоотводы и дроссель L3. Мелкие детали монтируют в порядке уменьшения размера. Особое внимание нужно уделить правильной полярности при установке полярных конденсаторов и диодов VD5—VD8.

На плате дополнительные блокировочные конденсаторы могут быть напаяны поверх уже установленных SMD-конденсаторов.

По окончании монтажа нужно тщательно промыть печатную плату.

Первое включение лучше осуществлять от маломощного БП. Для этих целей я использовал DC/DC преобразователь напряжения с 12 на +/-35 В с регулировкой выходного напряжения, подключённый к маломощному источнику напряжения 12 В (до 1 ...2 А), или от иного БП через лампу мощностью 20...25 Вт (220 В). При первом включении целесообразно к выходу УМ вместо акустической системы подключить резистор сопротивлением 20... 100 Ом (10 Вт). При отсутствии осциллографа наличие несущей проверяют маломощной лампой накаливания на 27 В, подключив её к выходу УМ (до дросселя L3), а с помощью лампы на 2,5 В можно оценить реальное напряжение ВЧ (с частотой автогенерации) на выходе УМ с нагрузкой. Что касается постоянного напряжения на выходе, то у трёх изготовленных УМ оно оказалось в интервале 26...40 мВ, но и с этим можно бороться введением цепи коррекции нуля компаратора DA2. Однако мне это показалось излишним.

Осциллограммы, приведённые далее для пояснения работы узлов, сняты с контрольных точек платы, на которой все установленные детали соответствуют схеме, выходные транзисторы — IRF540. Блок питания — импульсный, нестабилизированный номинальной мощностью 100 Вт. Нагрузка — резистор сопротивлением 3,9 Ом. Масштаб по вертикали и горизонтали указан под осциллограммами.



Ниже показаны некоторые полезные осциллограммы (картинки кликабельны). Так, на рис. 5 показана осциллограмма напряжения на выходе УМ без входного сигнала (после фильтра — жёлтым и до фильтра — голубым). На рис. 6 показано напряжение сигнала на выходе УМ перед ограничением. Мощность — 88 Вт, напряжение питания — +/-28 В. Теоретически возможное напряжение на выходе равно 28 В/1,41 = 19,8 В эфф. При снижении напряжения питания до +/-26 В на осциллограмме рис. 7 заметно ограничение амплитуды. Выходной LC-фильтр настроен на частоту среза 20 кГц (по уровню -3 дБ).

Рис. 5	Рис. 6
Рис. 7	Рис. 8
Рис. 9а	Рис. 9б
Рис. 10	Рис. 11
Рис. 12

 
На рис. 8 видна задержка импульса сигнала (жёлтым цветом) с выходного каскада после появления импульса на входе драйвера IR2110 (голубым цветом). Переключение мощных транзисторов, которое является источником помех, происходит, когда переходные процессы на входе драйвера заканчиваются.

На рис. 9,а, б показаны фронт и спад импульсов, действующих на выходе мощного каскада (до выходного фильтра).

На рис. 10 показан импульсный сигнал на выходе компаратора LM311 Р.

На рис. 11 отражена задержка реакции на смену полярности сигнала на входе дифференциального каскада (на выходе LM311P). Жёлтым цветом — выход LM311F; голубым — сигнал на входе драйвера.

На рис. 12 показана общая задержка распространения сигнала. Голубым — выход компаратора, жёлтым — напряжение в средней точке ПТ.

Описываемый усилитель при использовании указанных компонентов и напряжении питания +/-31 В может выдать 100 Вт долговременной мощности на нагрузке сопротивлением 4 Ом. Температура теплоотвода транзистора VT6 после 30 мин работы в таком режиме достигает 65 °С, микросхемы DA3 — 60 °С и теплоотвода выходных транзисторов — 55°С. На музыкальном сигнале средней мощности нагрев выходных транзисторов не наблюдается и основным источником тепла становится транзистор VT6. При увеличении напряжения питания до +/-45 В следует применить обдув теплоотвода, тогда максимальная выходная мощность возрастёт до 200...240 Вт. Необходимо понимать, что максимальное выходное напряжение будет меньше, чем напряжение питания,  на величину размаха несущей на выходе.

Усилитель легко модернизировать. Собственно, при разработке платы учитывалась возможная необходимость в будущем использовать входную часть с модулятором и в более мощной конструкции. В этом случае необходимо применить транзисторы на максимально допустимое напряжение 150 или даже 200 В, увеличить напряжение питания и переделать выходную часть устройства. В стабилизаторах питания ОУ и компаратора установлены транзисторы, способные рассеивать значительную мощность. При питании напряжением не более +/-25 В вполне можно вместо дросселей L1, L2 ограничиться гасящими резисторами сопротивлением 100...180 Ом (0,125 Вт), так как ток потребления ОУ и компаратора не превышает 20...25 мА. Вообще, собранный правильно УМ надёжен и неприхотлив, не реагирует на существенные отклонения в номиналах резисторов по "цифровым" цепям.
Оптимальная частота работы УМ — около 300 кГц. При указанных в статье номиналах элементов УМ функционирует на частоте 250 кГц. Частота зависит от параметров выходного фильтра, сопротивления нагрузки, цепей ОС, а также скорости переключения ПТ.
УМ включается и выключается без щелчков и шумов и не боится замыканий на выходе. При питании от одного импульсного источника питания без стабилизации взаимовлияния каналов мной не замечены. При мостовом включении нужно шунтировать выходы разных усилителей конденсаторами ёмкостью 0,1 мкФ. Работоспособность в мостовом включении проверена. Что касается численных объективных показателей качества, судить не берусь, нет необходимого инструментария. Субъективно же — звук приятный и как минимум "интересный".



ЛИТЕРАТУРА
1. Pulzeys В. Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with Full Output Filter Control. // AES Convention:118 (May 2005) Paper Number 6453. — http://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=13169
2. Кузнецов С. Первый прототип усилителя UcD версии 1.2. — http://classd.fromru.com/circuits/ucd1.html
3. IR2110 — HIGH AND LOW SIDE DRIVER. Datasheet. — /uploads/datasheets/ir/ir2110.pdf
4. Сайт компании TDK EPCOS  — http://www.epcos.com/web/

 Радио 2013 №1 (стр.15-17), №2(стр.13-14)   Ю. ИГНАТЬЕВ, г. Ивано-Франковск, Украина