Меню

Устройство усилителя «DL Audio Gryphon Lite 1.1500». Усилитель мощности класса D.

Продолжение материала по устройству автомобильного усилителя DL Audio Gryphon Lite 1.1500 класса D.

Предыдущие части:

Как известно, усилитель класса D имеет несколько основных блоков: генератор, компаратор и выходной усилительный каскад. Генератор и компаратор называют широтно-импульсным модулятором (ШИ-модулятор, PWM-modulator). С помощью этих двух блоков из аналогового звукового сигнала формируется модулированный импульсный сигнал, который потом усиливается выходным каскадом.

Генератор формирует прямоугольные импульсы со скважностью равной двум (меандр). Затем прямоугольные импульсы преобразуются в пилообразные.

На один из входов компаратора поступают импульсы от генератора, а на другой аналоговый звуковой сигнал, который подаётся с блока предварительного усилителя и фильтров.

На выходе компаратора получаются модулированные сигналом импульсы одинаковой амплитуды, но разной длительности, которые затем поступают на инвертор. Инвертор необходим для того, чтобы сформировать два противофазных сигнала, так как выходной каскад собран по полумостовой схеме.

ШИ-модулятор

Основное преимущество усилителей класса D заключается в том, что выходной каскад работает в ключевом режиме. Выходные транзисторы либо открыты, либо закрыты. Но, звуковой сигнал заметно отличается от импульсного, поэтому для преобразования входного аудиосигнала в последовательность импульсов требуется модулятор.

В данном усилителе ШИ-модулятор выполнен не на отдельной плате-субмодуле, как это обычно бывает у усилителей Kicx, а на основной. Его элементы располагаются рядом с элементами предусилителя и фильтров входного сигнала.

Элементы ШИ-модулятора, предусилителя, кроссовера и драйверов усилителя на плате

На следующем изображении показана схема ШИ-модулятора (по клику откроется в максимальном разрешении).

Схема ШИ-модулятора усилителя Gryphon Lite 1.1500
Принципиальная схема ШИ-модулятора усилителя класса D

На плате установлены следующие элементы:

  • Генератор. Собран на микросхеме LM393 (на схеме обозначена, как IC10 LM292). Он формирует ту самую частоту дискретизации, которая подаётся на один из входов компаратора;

  • Компаратор. Микросхема LM319 содержит два быстродействующих компаратора. Её аналогами являются LM119 и LM219, которые отличаются только тем, что рассчитаны для работы в более широком диапазоне температур. На схеме от Kicx компаратор обозначен, как IC11 и выполнен на аналогичной LM319 микросхеме LM6172;

  • Инвертор на микросхеме SN74HC00D. Состоит из 4-ёх логических элементов 2И-НЕ (2-input NAND). Он формирует из поступающего два противофазных модулированных сигнала, которые подаются на верхнюю (High side) и нижнюю секцию (Low side) драйверов усилителя класса D.

Элементы ШИ-модулятора на плате усилителя Gryphon Lite 1.1500

Компаратор LM319 (слева), генератор на LM393 (внизу).

Микросхемы генератора и компаратора ШИ-модулятора усилителя класса D

Несколько пояснений к схеме модулятора. Данный блок питается сразу несколькими напряжениями.

Микросхемы LM393 и LM319 питаются двухполярным напряжением ±12V, которое поступает с дополнительной обмотки (Ⅴ) трансформатора T2 и соответствующих выпрямителей.

Инвертор на микросхеме IC12 (SN74HC00D) питается напряжением +5V, поступающим от интегрального стабилизатора U10 (78L05).

На 1 вывод SN74HC00D (74HC00) поступает модулированный импульсный сигнал с выхода компаратора IC11 (LM6172).

С выходов 6 и 8 инвертора на SN74HC00D снимаются противофазные модулированные импульсные сигналы (L_DRV и H_DRV), которые впоследствии подаются на драйверы усилителя класса D.

Блокировка звука «MUTE».

На транзисторе Q95 (MMBT4401) реализована схема блокировки работы инвертора. По сути блокируется работа ШИ-модулятора и, как следствие, работа всего усилителя. Он переходит в "тихий" режим MUTE ("выключение звука, приглушение").

При поступлении сигнала «MUTE» положительной полярности транзистор Q95 открывается и подключает вывод 2 и 13 микросхемы IC12 (74HC00D) к общему проводу. Тем самым на входы 1B (2 вывод) и 4B (13 вывод) логических элементов 2И-НЕ подаётся логический «0». При этом на выводах 6 и 8 микросхемы 74HC00D будет низкий уровень («0»), даже если на вывод 1 будет поступать последовательность модулированных импульсов.

Таком образом на драйверы верхнего и нижнего плеча усилителя не будут поступать импульсы, а выходной усилительный каскад перестанет работать.

Блокировка звука будет включена до тех пор, пока на транзистор Q95 поступает сигнал «MUTE» и он будет открыт. Как только сигнал пропадёт, транзистор Q95 закроется и на выводы 2 и 13 поступить напряжение (лог. «1»), сформированное резистором R351 и закрытым переходом транзистора.

Аудиосигнал MODU_IN приходит с микросхемы U3 (TL072), которая является частью цепи отрицательной обратной связи усилителя. Это как раз тот самый звуковой сигнал, которым будет промодулирован импульсный сигнал от генератора.

Обращу внимание на то, что для питающих цепей двухполярного напряжения ±12V имеется свой общий провод, а для напряжения +5V свой, так как это разные источники питания.

Драйвер усилителя и выходной каскад

Выходной каскад усилителя мощности класса D выполнен по полумостовой схеме и состоит из двух плеч: верхнего (High side) и нижнего (Low side). По составу верхнее и нижнее плечо одинаково, но усиливает свою фазу модулированного сигнала. Одна часть усиливает положительную составляющую, другая отрицательную. Вот фрагмент схемы.

Схема выходного каскада усилителя Gryphon Lite 1.1500
Принципиальная схема выходного каскада усилителя класса D

Драйвер усилителя.

Предварительный каскад усиления состоит из двух оптопар U14 и U6 (6N137), а также транзисторов драйвера верхнего и нижнего плеча. Оптопары выступают в роли преобразователей уровня (Level conversion). На 2 вывод оптопары 6N137 поступает сигнал с инвертора ШИ-модулятора. Далее с 6 вывода сигнал подаётся на транзистор Q74 и Q16, а затем на промежуточный каскад-драйвер.

Основная сложность в управлении выходным ключевым каскадом на MOSFET-транзисторах заключается в обеспечении заряда входной ёмкости транзисторов (включения, открытия транзистора) и быстром её разряде (выключения, закрытия транзистора).

Элементы предусилителя: Gate Driver и оптопара

Для этого и необходим промежуточный каскад-драйвер. Его ещё называют Gate driver.

Драйвер выполнен на биполярных транзисторах Q12, Q15, Q70, Q72. Эмиттеры этих транзисторов соединены с затворами MOSFET-транзисторов IRF640N.

При наличии импульса через транзистор Q70 проходит ток заряда входной ёмкости затвора MOSFET-транзисторов Q3, Q4, Q5, Q6 (IRF640N), а при его отсутствии транзистор Q72 (MMBT4403) разряжает ёмкость затворов и помогает транзисторам быстрее закрыться.

Процесс похож на тот, что происходит в преобразователе напряжения. Также, как и там необходимо обеспечить паузу ("мёртвое время") между переключением транзисторов верхнего и нижнего плеча, чтобы предотвратить сквозной ток.

Длительность этой паузы должна быть как можно меньше, так как она напрямую влияет на качество звука.

Выходной каскад.

Выходной каскад выполнен на MOSFET-транзисторах IRF640N: верхнее плечо Q3, Q4, Q5, Q6; нижнее плечо Q8, Q9, Q10, Q11. Для увеличения выходной мощности транзисторы включены параллельно по четыре штуки в каждом плече.

MOSFET-транзисторы IRF640N выходного каскада

Низкоомные SMD-резисторы (R35, R36, R37, R40, R41, R42, R43, R128) в цепях затворов ограничивают импульс тока при заряде входной ёмкости мосфетов. В случае ремонта, при замене транзисторов выходного каскада, следует обязательно проверять исправность этих резисторов, а также транзисторы предварительного каскада-драйвера.

Низкоомный SMD-резистор в цепи затвора

Во время работы транзисторы IRF640N коммутируют значительные импульсы тока, и, несмотря на малое сопротивление открытого канала RDS(on) греются. Поэтому они установлены на охлаждающий радиатор, в роли которого выступает алюминиевый корпус усилителя.

Выходной LC-фильтр.

После модуляции частотный спектр сигнала имеет как звуковую составляющую (полезную), так и высокочастотную (нежелательную). Чтобы убрать высокочастотную компоненту из спектра в усилителях класса D между выходным каскадом и громкоговорителем ставится фильтр низких частот.

В данном усилителе применяется LC-фильтр (Single ended), который состоит из дросселя L1 и конденсаторов C23, C24, C25.

Элементы предварительного каскада усиления и LC-фильтр

Как известно, любой усилитель класса D из-за наличия модулятора является источником электромагнитных помех (ЭМП), которые излучаются, как в пространство, так и распространяются по цепям питания, а также проводам, соединяющим усилитель с громкоговорителем.

Рекомендуется соединительные провода от выхода усилителя к сабвуферу делать как можно короче. Это снизит уровень ЭМП и уменьшит потери мощности.

Дроссель L1 намотан на кольцевых магнитопроводах. Тороидальный сердечник хорошо концентрирует магнитное поле и тем самым уменьшается электромагнитное излучение.

Дроссель LC-фильтра усилителя класса D

Конденсаторы C24 и C25 (ELUM YULU NP 105°C PET 10μF(G) 250V) электролитические неполярные ёмкостью 10μF и на рабочее напряжение 250V.

Можно встретить рекомендации, что в выходном фильтре нежелательно использовать алюминиевые электролитические конденсаторы. Здесь же установлены именно они, но неполярные.

Неполярные конденсаторы НЧ-фильтра

В процессе ремонта решил проверить эти неполярные конденсаторы универсальным тестером. Вот результаты проверки.

Результаты проверки неполярных алюминиевых конденсаторов НЧ-фильтра

SMD-конденсаторы C22, C26 и одноваттный резистор R38 являются цепочкой Буше-Цобеля («Zobel network» или «Boucherot cell»). На печатной плате резистор R38 выделяется своими размерами на фоне остальных SMD-элементов.

Резистор цепочки Цобеля на печатной плате моноблока

Также на печатной плате можно встретить два диода серии 1N400x. На схеме от Kicx'а их не было.

Первый...

Дополнительный шунтирующий диод

Второй.

Диод параллельный выводам исток-сток выходных мосфетов

Поначалу я принял их за диоды одного из дополнительных выпрямителей, но смущала маркировка 1N400x. «х» – потому, что поленился выпаять и считать полную маркировку. Ремонт усилителя и так затянулся.

Но, потом, когда стал детально разбираться с устройством усилителя определил, что эти диоды включены между выходом усилителя и шинами питания PV+ и PV-. Как раз между стоком и истоком выходных мосфетов IRF640N обоих плеч выходного каскада, параллельно их внутренним паразитным диодам, которые и так есть в любом MOSFET-транзисторе.

Во время простоя ("мёртвое время" или dead time), когда выходные MOSFET-транзисторы обоих плеч закрыты, возникают индуктивные токи из-за громкоговорителя (катушки НЧ-динамика) или дросселя LC-фильтра. Эти токи могут открыть в прямом направлении паразитные диоды внутри транзисторов. При их закрытии, когда выходные мосфеты вновь начинают работать, возникают выбросы тока, порождающие ЭМП.

Чтобы отвести эти токи и не допустить открытие внутренних паразитных диодов применяются эти дополнительные диоды. Удивляет только то, что используются рядовые выпрямительные диоды серии 1N400x, а не диоды Шоттки.

Цепь отрицательной обратной связи (ООС).

Наличие отрицательной обратной связи (ООС) делает работу усилителя более стабильным, уменьшает вероятность самовозбуждения, снижает уровень шумов. Это кратко.

В усилителях класса D применяется несколько решений по организации отрицательной обратной связи. Сигнал может сниматься сразу после переключательного каскада перед дросселем LC-фильтра, после него, а также до и после.

Фрагмент схемы с цепью обратной связи.

Схема цепи отрицательной обратной связи усилителя
Схема цепи отрицательной обратной связи

По схеме сигнал обратной связи снимается после дросселя L1 (SPK_OUT FEEDBACK) и поступает на микросхему U3 (TL072). На эту же микросхему приходит аудиосигнал с блока предусилителя и фильтров (SIG_IN). С вывода 1 микросхемы U3 сигнал через резистор R21 (680 Ом) поступает в блок ШИ-модулятора (MODU_IN). Микросхема TL072C питается двухполярным напряжением ±12V.

Сигнал SIG_MODU поступает на лимитер (автоматическую схему ограничения входного сигнала, «CLIP LIMIT»), который смонтирован на плате блока предусилителя и фильтров усилителя Kicx QS 1.900/1.1000. В усилителе Gryphon Lite 1.1500 такого лимитера нет.

На плате усилителя Gryphon Lite 1.1500 микросхема U3 TL072C (072C) расположена рядом с элементами ШИ-модулятора.

Микросхема TL072C рядом с элементами ШИ-модулятора

На этом рассказ об устройстве автомобильного усилителя класса D завершён.

Другие материалы по тематике устройства и ремонта автомобильных усилителей класса D:

ГлавнаяМастерская → Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Copyright © Go-Radio.ru