Широтно імпульсна модуляція в звуці. Основи конструювання підсилювачів класу D. Що таке ШІМ-сигнал

обзавівся дуже сильною дискусією дуже грамотних фахівців, які ..
..которие розжували все до такої міри, що описали всю суть практично до рівня електронів в провідниках.
Висловлюю їм ВЕЛИЧЕЗНУ і щиру подяку і вдячність.

=========================

Отже.
Хочеш щось - зроби це САМ ...
В інтернеті, дійсно, є все - треба тільки знайти.
Знайти та ..
..и систематизувати все в одному місці. Оскільки в інтернеті вся ця інформація присутня, але вона розмазана по різних місцях по маленьких шматочках - в одному місці згадується одне, в іншому інше, а загальної картини немає. АЛЕ .. Але якщо зібрати всі ці шматочки в одному місці (фото) і потім відредагувати в єдиний інформаційний потік, то
, То можна зібрати з них повну картину (як пазл / puzzle),
що я, власне, і збираюся зробити.

Отже. забивши в пошуку "повністю цифровий підсилювач" відразу отримую практично повноцінну відповідь:

"Повністю цифровий підсилювач" посилання 1 \u003d http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic\u003d4078.0
цитата
:
Повністю цифровий підсилювач
«06 Августа 2014 , 11:47:55 »

Мучу на макеті повністю цифровий підсилювач на техаському чіпсеті.
Модулятор TAS5548, вихідний каскад TAS5612LA.
Вхід багатоканальний I2S,
джерело - комп'ютер,
USB інтерфейс - Фламенко.
Управління модулятором поки від Arduino.
Як РГ - енкодер.
Харчування за все 12В, вихідна мікруля гріється не сильно, навіть не став ставити радіатор.
Потужності для акустики 84 Дб - за очі.
"" "" "" "" "" "" "" "" "Кінець цитати" "" "" "" "" "" "" "" "" "

===================================

Перше що кидається в очі - це, а що таке «I2S»

"" "" "" "" "" "" "" Цитата "" "" "" "" "" "" "" "
Універсальний пристрій на sc4392
призначене для
прийому аудіоданньіх по SPDIF і перетворенню в i2s
і комутацію декількох джерел ціфровьіх аудіоданньіх.
На борту
4 входи:
3 SPDIF з них один розлучений під TOSLink,
1 кв.шіна, максимальна частота семплірованія 192кГц
2 вьіхода:
Кв.шіна і повторює її SPDIF вьіход.
"" "" "" "" "" "" "" Кінець цитати "" "" "" "" "

Далі я збережу в цьому ж файлі свою переписку 2015 року з людиною, який .. здавався мені великим докою в цифрових підсилювачах.
"Мене звуть Костяной Сергій Олександрович. Зараз живу в глибинці в Воронезької області."

"" "" "" "" "" "" "" Цитата "" "" "" "" "" "" "" "

Вітання!

Іноді пишуть як IIS

На вхід TAS5548 потрібен i2s.

"" "" "" "" "" "" "" Кінець цитати "" "" "" "" "

переписка цілком
Вітання!

Чесно кажучи у мене зараз мало часу.

З першим девайсом:

З усієї начинки, там позна: Блок живлення, модулятор, і вихідний каскад.

5.1 - 6 каналів. Тобі потрібно не i2s, а i6s :)

Це чудо підключаємо до модулятору. Модулятором можна управляти через USB-i2C перехідник.
Ну звичайно потрібен буде якийсь софт, якщо потрібно щось крутити на апаратному рівні.
Краще все робити софтом, на компі.

Звукова карта не потрібна. У ній є сенс, якщо є апаратна доопрацювання звуку або мегакруто ЦАП для аналогового підсилювача.

У Tomson можна прибрати АЦП, і приліпити замість нього більш простий i2s інтерфейс наприклад CM6631A
Канали крутити через вбудоване MCU.

З приводу виведення i2s з компа. У теорії це можна зробити. Навіть з вбудованого кодека.
Але невже вбудований в міст контролер звуку такий хороший?
Знову ж CM6631A або XMOS - більш правильний напрямок.

Взагалі я сенсу не бачу, хіба що, при наявності Creative x-fi з апаратним улучшайзеров ...

Безпосередній висновок i2s Дуже не далекобійний. Максимум 30 см до модулятора, або почнуться збої.
Краще посадити чіп модулятора прямо над старим ЦАП. PWM можна вже буде подовжити на великі відстані, без особливих проблем.

Але проц зараз такі потужні, що і Софтова аудіоплагін можна юзати.
Знову ж CM6631A або XMOS - більш правильний напрямок, ніж колупати звуковухи тим більше на материнке.
Наприклад це https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer

З приводу ручок.
Аналогова ручка ні про що не говорить. Сигнал з регулятора може бути оцифрований MCU і даватися по i2c в модулятор.
Може не по шині, а на керований атенюатор. Загалом потрібно розбирати і дивитися.

З приводу TOSHIBA SD-530 E - так, там може бути крутий ЦАП в маркетингових цілях. Швидше за все в нього заводиться i2s.

Щоб дістати звідти i2s потрібен перехідник на парафазного лінію через спеціальний драйвер. Потім в RJ-45.
Потім в приймальному пристрої RJ-45. Приймач парафазного сигналу. Потім отримуємо дискретний i2s. Його можна подати в ЦАП або модулятор.

Це все дуже не просто, чи не вдячно і не вигідно. У мене мало часу, щоб боротися з буржуазним маркетингом.

Ніяких крутих DVD і блюреев. Тільки HTPC з потужним проц, щоб 4К крутив, з запасом на обробку звуку та інших повій.

Звукові карти не потрібні. Потрібен крутий аудіо-інтерфейс з достатньою кількістю каналів.

Наприклад це https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer
10 x OUT multi-channel USB audio interface (8 x I2S)
Можна зробити окремо многополоску і налаштовувати все програмно, прямо на компі. І без маркетингових кровопивців.

Питання?

У листі від 8 червня 2016 1:44:14 Ви написали:
\u003e Вітаю !!! про Сергій :)
>
\u003e Знову потрібна допомога професіонала.
>
\u003e Знайшов тут DVD домашній кінотеатр в одному - Tomson (модель уточню)
\u003e Суть в тому, що вихід не в вигляді лінійних виходів 5.1
\u003e А на виході 5.1 цифровий підсилювач - 5.1 виходи відразу на колонки включаючи навіть РАБОТА сабвуфер.
>
\u003e Ми колись хотіли замовляти у Китаї таку плату. так вона грошей коштує .... не копійчана. А тут вона ж сама, мабуть.
>
>
\u003e Але за законами запланованого застарівання у моделі НІ входів.
\u003e Тобто
\u003e Лазер від часу став читати погано, часто заїкається. Та й час болванок "пішло безповоротно".
>
\u003e А використовувати ВНУТРІШНІЙ ПОТЕНЦІАЛ \u003d повноцінний цифровий підсилювач 5.1 - НІ можливості.
>
\u003e Зроблено 2.0 АНАЛОГОВИЙ вхід. і той звучить не погано. Але це ж скільки перетворень
\u003e Спершу з цифри в аналог, що б подати на аналоговий же вхід, після якого знову АЦП що б подати на цифровий підсилювач цифру .... 3 перетворення з вихідної ЦИФРИ в ту ж ЦИФРУ ....
>
\u003e Кому я чого пояснюю :)) - ти сам мені це пояснював в минулому листі.
>
>
>
\u003e Питання.
>
\u003e Розкажи як вивести з компютера - з звукової карти цей самий I2S?
>
>
\u003e Скільки б ти взяв (рублів) за таку роботу ?! - ось тільки як би тобі переслати апарат ... (ну це, в принципі, можна вирішити)
>
>
>
\u003e Є ця ж модель Тоmson, але більш старша, у неї вже зроблений хоча б ОПТИЧЕСКИЙ вхід.
>
\u003e Секундочку у мене ж є документація
>
\u003e THOMSON DPL913VD.pdf
> http://vk.com/doc5542158_437445096
>
\u003e Це здається той що у мене
>
>
\u003e А ось більш старша модель 950:
> http://vk.com/doc5542158_437451143
>
>
\u003e А ось той перетворювач який ....
> http://vk.com/doc5542158_437451125
>
\u003e На який мабуть і треба заводити I2S зі звукової карти.
>
>
\u003e Якщо освоїти це, то можна робити бізнес,
\u003e Тому народ зараз тупо викидати такі апарати
\u003e Тому вікідивают і все диски ... а він крім як з диска інакше ... ну хіба що СТЕРЕО підсилювач ... але людям НЕ треба.
\u003e Я знайшов на смітнику ....
>
> ===========================
> ===========================
>
>
\u003e Питання 2
>
\u003e Подарував мені друг систему
>
\u003e Cambrige DTT 2500
\u003e Фотка \u003d http://vk.com/photo5542158_416539186
>
\u003e По Coaxial він має внутрішній AC3 Dolby Digital деккодер. До жалю немає DTS - ось виродки ....
\u003e DTS розкодувати нині не проблема - і я прикупив собі топову Creative ZxR
>
\u003e Але ці "розумні люди" передбачали це і крім отсутсвии DTS
\u003e Вони ще передбачили і отсутсвии 5.1 входів.
\u003e Є тільки вхід 4.0, при тому що підсилювач 5.1
>
\u003e "Висить груша - не можна з'їсти"
>
\u003e Є підсилювач 5.1 вже ДРУГИЙ, але я не можу їм скористатися.
>
>
\u003e Але на цьому DTT2500
\u003e Є аналоговий ручка регулювання рівня гучності ЦЕНТРАЛЬНОГО каналу
\u003e При тому що немає для нього аналогового входу
>
\u003e І це наводить мене на думку, що
\u003e Раз ручка аналогові,
\u003e То вона може регулювати лише аналоговий сигнал,
\u003e Тобто можна підпали до неї і подавати зовнішній вхід ЦЕНТРАЛЬНИЙ прямо безпосередньо на неї ...
>
\u003e Але там же ще десь схема обрізання БАСОВ, тому що колоночки лише СЧ / ВЧ, весь бас обрізається в САБ.
\u003e А тут вже швидше за все обрізання аналоговий сигнал.
>
\u003e Тобто завести то сигнал я може так і зможу, але ...
\u003e Але таким чином я ризикую перевантажити колоночку і підсилювач НЕ обрізаними басами.
>
\u003e Колончкі в силу свого мікро розміру ДУЖЕ НРАВЯТСЯ
\u003e Я розставив їх навколо себе
\u003e В безпосередній близькості
\u003e І абсолютно симетрично
\u003e Ніж досяг колосальні ефект від симетрії.
\u003e Все 5.1 ефекти передаються максимально 100% (ну з поправкою на обрізку басів в єдиний саб.)
>
\u003e Але ось я не можу подати центральний канал ....
>
\u003e І здається навіть якщо подам безпосередньо на регулятор,
\u003e То я повинен буду якось сам кудись заздалегідь обрізати з його БАС.
>
\u003e Але ж апарат Cambrige - і звучить ... ну мені для будинку вистачає.
>
\u003e Як би мені навчитися подавати центральний канал.
\u003e Адже по SpDif Coaxial він розуміє все 5.1 - але там по цифри ...
\u003e А тут мені треба подати АНАЛОГОВІ 5.1
>
> =============
> =============
> =============
>
>
\u003e І третє завдання.
>
\u003e Є DVD Player TOSHIBA SD-530 E
>
\u003e http://www.stereo-journal.ru/149491-toshiba_sd_530e.html
>
>
\u003e На борту якого написано, що в ньому встановлений якийсь 192 kHz 24 bit ЦАП / DAC
\u003e Знову ж хотілося б його використовувати в якості СТЕРЕО ЦАП
>
\u003e Сам я врядли зможу зробити - я математик. я резистор від транзистора з працею відрізню.
>
\u003e А ось за завдання з Tomson я готовий заплатити, обгрунтованість ціну.
>
\u003e Ну або й справді спробувати знайти якісь дроти треба шукати (за якими ознаками?)
\u003e По ідеї треба з'єднати I2S зі звукової карти
>
\u003e Мабуть з його внутрішнього ЛАЗЕРА йде та ж сама I2S, як і на звуковій карті.
\u003e Але ці стандарти на жаль не мають обукновенія виводитися назовні,
\u003e Хоча з появою ЦИФРОВИХ підсилювачів
\u003e Приходить саме їх пора.
>
>
> =========================
> =========================
> =========================
>
>
>
>
>
\u003e\u003e Середа, 6 листопада 2015 року, 0:36 +03: 00 від Сергій Костяной :
> >
\u003e\u003e Привіт!
\u003e\u003e Вибирай http://kostyanoysa.ru/?p\u003d154
> >
\u003e\u003e Чесному цифровому усілякими потрібен цифровий звук! i2s!
\u003e\u003e Https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/I2SBUS.pdf
\u003e\u003e Іноді пишуть як IIS
> >
\u003e\u003e Ці послідовні i2s дані можуть бути перетворені в аналог мага-дорогою мікросхемою ЦАП, і посилені мегадорогім усілякими.
\u003e\u003e Або!
\u003e\u003e Ці дані надходять в модулятор (наприклад TAS5548), який переведе їх в точну тривалість відкриття ключових транзисторів, а звук в аналоговий перетворюється вже на вихідному фільтрі.
> >
\u003e\u003e У першому випадку ми отримуємо шуми і спотворення ЦАП, а потім їх ще й посилюємо, зі сторонніми перешкодами, та й втрачаємо на ККД АВ підсилювача.
\u003e\u003e У другому випадку отримуємо ідеальний вихідний сигнал. Якість звучання у багато залежить від узгодження вихідного фільтра з АС.
> >
\u003e\u003e Так щоб обійтися без аналога, треба мати звукову карту з цифровим виходом або SPDIF який потім опеньків перетворюється в I2s
\u003e\u003e SPDIF і I2s - цифрові інтерфейси але протоколи різні.
\u003e\u003e На вхід TAS5548 потрібен i2s.
\u003e\u003e На виході TAS5548 повчає ШІМ і подаємо на вихідний чіп. Якщо хочеш - можна взяти не чіп, а драйвер затвора (типу IR2110) і потужні польові транзистори (типу IRFP4321). Буде "дубово"!
> >
\u003e\u003e У листі від 6 листопада 2015 00:11:39 Ви написали:
\u003e \u003e\u003e вітає Сергій.
> >>
\u003e \u003e\u003e Хочу розібратися в одній звуко .. інженерної задачі
\u003e \u003e\u003e впевнений тобі буде цікаво,
\u003e \u003e\u003e а можливо, ти "сто років в обід" знаєш про це.
> >>
> >>

Коефіцієнт корисної дії є основним параметром для підсилювачів потужності звукової частоти. Особливо це важливо для портативної апаратури, такий як радіоприймачі, стільникові телефони. Підсилювачі з високим ККД застосовуються і в стаціонарних пристроях, таких як комп'ютери або телевізори. Підсилювачі класу C дозволяє отримати досить великі значення к.к.д. але їх неможливо використовувати для посилення звукових сигналів.

Основним параметром, що визначає споживання енергії вихідним підсилювальним каскадом, є потужність, що розсіюється на його транзисторах. При цьому потужність не буде розсіюватися в двох випадках:

1. струм через транзистор при ненулевом напрузі дорівнює нулю;
2. напруга на транзисторі при ненулевом струмі дорівнює нулю.

Ці умови виконуються при роботі транзистора в ключовому режимі. Перша умова буде виконана, якщо транзистор повністю закрити (режим відсічення). Друга умова буде виконана, якщо транзистор повністю відкрити (режим насичення). Так працюють транзистори в цифрових мікросхемах, наприклад КМОП логіки.

Але ж в цьому випадку амплітуда сигналу на виході буде мати тільки два рівня. Для того щоб можна було отримати амплітуду сигналу, відповідну вхідний, на виході підсилювача звуку, в ключовому режимі використовується широтно-імпульсна модуляція - ШІМ.

Широтно-імпульсна модуляція реалізується за допомогою компаратора, на входи якого подаються корисний сигнал і Пікоподібне напруга. В результаті ширина імпульсу на його виході буде пропорційна амплітуді корисного сигналу. Даний процес ілюструється малюнком 1.

Малюнок 1. Процес формування ШІМ

Як видно з малюнка 1, середній рівень сигналу залежить від ширини імпульсів. Чим вона менша - тим менше буде середній рівень сигналу, чим більше - тим більше. В спектрі широтно-імпульсної модуляції присутній вихідний низькочастотний звуковий сигнал, тому зворотне перетворення ШІМ в аналоговий сигнал здійснюється будь-яким фільтром низької частоти. Досить відфільтрувати високочастотні складові дворівневого сигналу і посилений початковий сигнал можна подавати на гучномовець. Спектр широтно-імпульсної модуляції синусоїдального сигналу наведено на малюнку 2.

Малюнок 2. Спектр сигналу ШІМ

Так як потужність на виході підсилювача потужності зазвичай становить значення від одиниць до сотень ват, то зазвичай застосовуються LC фільтри. Завдання фільтра полягає в придушенні частоти пилкоподібної сигналу, модульованого корисним сигналом і його гармонік. Для того, щоб можна було застосувати найпростіший фільтр другого порядку, частоту пилкоподібної сигналу вибирають в межах двох мегагерц. Так як частота модулюючого сигналу перевищує верхню частоту звукового спектра в 100 раз, то фільтр другого порядку, що складається з індуктивності і конденсатора, здатний придушити заважають сигнали на 80 дБ (при відповідному конструктивному виконанні).

Підсилювача низької частоти, що працює в режимі класу D, наведена на малюнку 3

Малюнок 3. Типова структурна схема підсилювача класу D

Дана схема складається з вхідного підсилювача, що забезпечує потрібний вхідний опір, компаратора напруги, на другий вхід якого подається Пікоподібне напруга і вихідного каскаду, зібраного на комплементарних польових транзисторах. Саме ці транзистори і забезпечують необхідну вихідну потужність. Їх швидкодія визначає к.к.д. підсилювача. Для оцінки коефіцієнта корисної дії можна скористатися залежністю розсіюється від вихідної потужності. На малюнку 4 наведено характеристики мікросхем підсилювача класу D фірми Texas Instruments TPA2012D2.

Малюнок 4. Порівняння розсіюється підсилювачів класу AB і D

Мікросхеми подібного класу призначені для застосування в портативній апаратурі. У таблиці 1 наведені деякі з таких мікросхем. Зверніть увагу на дуже низькі цих мікросхем.

Найменування	опис	Стерео / моно	Pвих, Вт	Rнагр. (Min), Ом	Напруга живлення, B		Нелін. искаж. на мощн. P / 2 THD + N * (%), f \u003d 1 кГц	Переходи. подавл. перешкод по ланцюгах харчування дБ	корпус
					(Min)	(Max)
TPA2017D2	SmartGain, AGC / DRC, GPIO інтерфейс	стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
TPA2000D2	підсилювач середньої потужності	стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
TPA2000D4	підсилювач для стерео телефонів	стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
TPA2012D2	підсилювач в корпусі WCSP 2 x 2 мм	стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2	SmartGain, AGC / DRC, I2C інтерфейс	стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
TPA2001D2	підсилювач низької потужності	стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
TPA2100P1	для пьзокерам. випромінювача	моно	19 Vpp	1,5 мкФ (пьезо)	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
TPA2035D1	дифф. вхід, 1,5 х 1,5 мм	моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9

Дещо інший підхід для побудови підсилювачів класу D використовує фірма Analog devices. В її мікросхемах замість ШІМ модулятора використовується сигма-дельта модулятор. Це дозволяє підняти внутрішню частоту до такого значення, що зовнішній фільтр низької частоти не потрібно. Його функції виконує динамік. Внутрішня схема подібної мікросхеми наведена на малюнку 5.

Малюнок 5. Внутрішня схема мікросхеми SSM2317

В даний час випускається досить велика кількість мікросхем підсилювачів класу D великої потужності. Як приклад можна назвати розробки фірм MPS (Monolithic Power Systems) і Texas Instruments

Найменування	опис	Pвих, Вт	Rнагр. (Min), Ом	Напруга живлення, B		Нелінійні спотворення на половинній потужності THD + N * (%), f \u003d 1 кГц	Коефіцієнт придушення перешкод по ланцюгах харчування дБ	корпус
				(Min)	(Max)
TAS5630B	300 Вт підсилювач (стерео) з ОС	400	2	25	52,5	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
TAS5615A	160 Вт підсилювач (стерео) з ОС	300	2	18	38	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
MP7720	20 Вт підсилювач (моно)	20	4	9,5	24	0,04	60	SOIC-8
MP7781	80 Вт підсилювач	80	4	18	38	0,1	60	SOIC-24

Слід зазначити, що подібні схеми практично не вимагають громіздких радіаторів, які розсіюють надлишкове тепло. На малюнку 6 приведена типова принципова схема підсилювача звукових частот класу D.

Малюнок 6. Принципова схема звукового підсилювача потужності класу D на мікросхемі МР7720

В даній схемі резистори R4 і R1 визначають глибину негативного зворотного зв'язку, яка впливає на коефіцієнт підсилення підсилювача і його нелінійні спотворення. Резистори R3 і R2 задають режим роботи на вході мікросхеми по постійному струму (половина харчування). Діоди D1 і D2 захищають вихідний каскад від перенапруги. Фільтр, що виділяє з ШІМ звуковий сигнал зібраний на індуктивності L1 і конденсаторі C8. Ємності C1 і C9 є розділовими.

література:

Разом зі статтею "Підсилювач класу D" читають:

http: // сайт / Sxemoteh / RejRab /

http: // сайт / Sxemoteh / RejRab / A /

http: // сайт / Sxemoteh / RejRab / Berg /

http: // сайт / Sxemoteh / RejRab / B /

Принцип ШІМ - широтно-імпульсна модуляція полягає в зміні ширини імпульсу при сталості частоти проходження імпульсу. Амплітуда імпульсів при цьому незмінна.

Широтно-імпульсне регулювання знаходить застосування там, де потрібно регулювати що подається до навантаження потужність. Наприклад, в схемах управління електродвигунами постійного струму, в імпульсних перетворювачах, для регулювання яскравості світлодіодних світильників, екранів РК-моніторів, дисплеїв в смартфонах і планшетах і т.п.

Більшість вторинних джерел живлення електронних пристроїв в даний час будуються на основі імпульсних перетворювачів, застосовується широтно-імпульсна модуляція і в підсилювачах низької (звукової) частоти класу D, зварювальних апаратах, пристроях зарядки автомобільних акумуляторів, инверторах тощо. ШІМ дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії ( ККД) вторинних джерел живлення в порівнянні з низьким ККД аналогових пристроїв.

Широтно-імпульсна модуляція буває аналогової і цифрової.

Аналогова широтно-імпульсна модуляція

Як уже згадувалося вище, частота сигналу і його амплітуда при ШІМ завжди постійні. Один з найважливіших параметрів сигналу ШІМ - це коефіцієнт заповнення, рівний відношенню тривалості імпульсу t до періоду імпульсу T. D \u003d t / T . Так, якщо маємо сигнал ШІМ з тривалістю імпульсу 300 мкс і періодом імпульсу 1000 мкс, коефіцієнт заповнення складе 300/1000 \u003d 0,3. Коефіцієнт заповнення також виражається у відсотках, для чого коефіцієнт заповнення множиться на 100%. За прикладом вище процентний коефіцієнт заповнення становить 0,3 х 100% \u003d 30%.

Шпаруватість імпульсу - це відношення періоду імпульсів до їх тривалості, тобто величина, зворотна коефіцієнту заповнення. S \u003d T / t .

Частота сигналу визначається як величина, зворотна періоду імпульсу, і являє собою кількість повних імпульсів за 1 секунду. Для прикладу вище при періоді тисячу мкс \u003d 0,001 с, частота становить F \u003d 1 / 0,001 - 1000 (Гц).

Сенс ШІМ полягає в регулюванні середнього значення напруги шляхом зміни коефіцієнта заповнення. Середнє значення напруги дорівнює добутку коефіцієнта заповнення і амплітуди напруги. Так, при коефіцієнті заповнення 0,3 і амплітуді напруги 12 В середнє значення напруги складе 0,3 х 12 \u003d 3,6 (В). При зміні коефіцієнта заповнення в теоретично можливих межах від 0% до 100% напруга буде змінюватися від 0 до 12 В, тобто Широтно-імпульсна модуляція дозволяє регулювати напругу в межах від 0 до амплітуди сигналу. Що і використовується для регулювання швидкості обертання електродвигуна постійного струму або яскравості світіння світильника.

Сигнал ШІМ формується мікро контролером або аналогової схемою. Цей сигнал зазвичай керує потужної навантаженням, яка підключається до джерела живлення через ключову схему на біполярному або польовому транзисторі. У ключовому режимі напівпровідниковий прилад або розімкнути, або замкнутий, проміжний стан виключається. В обох випадках на ключі розсіюється незначна теплова потужність. Оскільки ця потужність дорівнює добутку струму через ключ на падіння напруги на ньому, а в першому випадку до нуля близький ток через ключ, а в другому напруга.

У перехідних станах на ключі присутня значна напруга з проходженням значного струму, тобто значна і розсіюється теплова потужність. Тому в якості ключа необхідно застосування малоінерційних напівпровідникових приладів з швидким часом перемикання, порядку десятків наносекунд.

Якщо ключова схема управляє світлодіодом, то при малій частоті сигналу світлодіод буде блимати в такт зі зміною напруги сигналу ШІМ. При частоті сигналу вище 50 Гц миготіння зливаються внаслідок інерції людського зору. Загальна яскравість світіння світлодіода починає залежати від коефіцієнта заповнення - чим нижче коефіцієнт заповнення, тим слабкіше світиться світлодіод.

При управлінні за допомогою ШІМ швидкості обертання двигуна постійного струму частота ШІМ повинна бути дуже високою, і лежати за межами чутних звукових частот, тобто перевищувати 15-20 кГц, в іншому випадку двигун буде «звучати», видаючи дратівливий слух писк з частотою ШІМ. Від частоти залежить і стабільність роботи двигуна. Низькочастотний сигнал ШІМ з невисоким коефіцієнтом заповнення призведе до нестабільної роботи двигуна і навіть можливої \u200b\u200bйого зупинці.

Тим самим, при управлінні двигуном бажано підвищувати частоту сигналу ШІМ, але і тут існує межа, який визначається інерційними властивостями напівпровідникового ключа. Якщо ключ буде переключатися з запізнюваннями, схема управління почне працювати з помилками. Щоб уникнути втрат енергії і домогтися високого коефіцієнта корисної дії імпульсного перетворювача, напівпровідниковий ключ повинен володіти високою швидкодією і низьким опором провідності.

Сигнал з виходу ШІМ можна також усереднювати за допомогою найпростішого фільтра низьких частот. Іноді можна обійтися і без цього, оскільки володіє певною електричної індуктивністю і механічною інерцією. Згладжування сигналів ШІМ відбувається природним шляхом в тому випадку, коли частота ШІМ перевершує час реакції регульованого пристрою.

Реалізувати ШІМ можна за допомогою з двома входами, на один з яких подається періодичний пилкоподібний або трикутний сигнал від допоміжного генератора, а на інший сигнал, що модулює управління. Тривалість позитивної частини імпульсу ШІМ визначається часом, протягом якого рівень сигналу, що управляє, подається на один вхід компаратора, перевищує рівень сигналу допоміжного генератора, що подається на другий вхід компаратора.

При напрузі допоміжного генератора вище напруги керуючого сигналу на виході компаратора буде негативна частина імпульсу.

Коефіцієнт заповнення періодичних прямокутних сигналів на виході компаратора, а тим самим і середня напруга регулятора, залежить від рівня сигналу, що модулює, а частота визначається частотою сигналу допоміжного генератора.

Цифрова широтно-імпульсна модуляція

Існує різновид ШІМ, звана цифровий ШІМ. У цьому випадку період сигналу заповнюється прямокутними подимпульсамі, і регулюється вже кількість подимпульсов в періоді, що і визначає середню величину сигналу за період.

У цифровій ШІМ заповнюють період подимпульси (або «одинички») можуть стояти в будь-якому місці періоду. Середнє значення напруги за період визначається тільки їх кількістю, при цьому подимпульси можуть слідувати один за іншим і зливатися. Окремо стоять подимпульси призводять до посилення режиму роботи ключа.

Як джерело сигналу цифрового ШІМ можна використовувати COM-порт комп'ютера з 10-бітовим сигналом на виході. З урахуванням 8 інформаційних бітів і 2 бітів старт / стоп, в сигналі COM-порту присутній від 1 до 9 «одиничок», що дозволяє регулювати напругу в межах 10-90% напруги харчування з кроком в 10%.

ШІМ контролер. Синхронізація. Зворотній зв'язок. Завдання частоти. (10+)

Широтно-імпульсна модуляція - ШІМ контролер. Частота. Підсилювач помилки

Резистор і конденсатор, що задають частоту роботи контролера (RT, CT). Контролер працює на певній частоті. Імпульси йдуть з цією частотою. Контролер змінює тривалість імпульсів, але не частоту. Це означає, що чим коротше імпульс, тим довше пауза і навпаки, а частота проходження залишається постійною. Конденсатор, підключений між CT і загальним проводом, і резистор, підключений між RT і загальним проводом, задають частоту роботи контролера.

Імпульси синхронізації (CLOCK). Іноді необхідно змусити працювати кілька контролерів синхронно. Тоді до одного контролера (ведучому) підключають частотозадающіх конденсатор і резистор. На ніжці CLOCK головного контролера з'являються короткі імпульси напруги. Ці імпульси подаються на ніжки CLOCK інших контролерів (ведених). Ніжки RT ведених контролерів з'єднуються з VREF цих контролерів, а ніжки CT - із загальним проводом.

Напруга для порівняння (RAMP). На цю ніжку потрібно подати пилкоподібна напруга. У момент виникнення імпульсу синхронізації на виході контролера з'являється відкриває керуюча напруга. Далі, як тільки напруга на RAMP перевищує напругу на виході підсилювача помилки на певну величину, на виході виникає закриває напруга. Так що імпульс триває від моменту синхронізаційних імпульсу до моменту перевищення напруги на RAMP над напругою виходу підсилювача помилки. Цим і досягається ШІМ. У класичній схемі на RAMP подається напруга з CT. Там якраз відмінна пила. Є й інші варіанти включення.

На жаль в статтях періодично зустрічаються помилки, вони виправляються, статті доповнюються, розвиваються, готуються нові. Підпишіться, на новини, щоб бути в курсі.

Якщо щось незрозуміло, обов'язково запитайте!
Задати питання. Обговорення статті. повідомлень.

Яка мінімальна довжина імпульсу можлива в шим контролерах (мінімальний коеф фициент заповнення)? На практиці виходить що, наприклад, sg3525 запускається з мінімальною шириною приблизно 1 мікросекунда. Чи є методика розрахунку цього параметра? Дуже актуально при розробці імпульсних блоків живлення з регулюванням напруги від нуля вольт.

Фотореле. Автоматичне управління освітленням. Світлове реле. Автомат ...
Автоматичне управління освітленням. Включення вручну або при зниженні освітлений ...

Металошукач саморобний. Зробити, зібрати самому, своїми руками. З ...
Схема металошукача з високою роздільною здатністю. Опис збірки і нала ...

Полумостовой імпульсний стабілізований перетворювач напруги, ...
Полумостовой перетворювач напруги мережі. Схема, онлайн розрахунок. Форма для ви ...

Розповісти в:
Часи нині такі, що впору відкривати призабуту рубрику «Зроби сам» епохи соцдефіціта. Девальвація рубля призвела до подорожчання імпортної електроніки, купувати новий підсилювач потужності стало накладно. Та ще класичні Hi-Fi-пристрої, що працюють в класах А і А-В, мають сумно малим ККД - це при недешевої електроенергії. Тому «цифрове» посилення в класі D - це в чомусь антикризове рішення. При управлінні гучністю в мікшері аудіокарти зібрати цифровий підсилювач можна, навіть якщо паяльник тримаєш в руках перший раз. Головне - роздобути «правильну» мікросхему ...

Фірма NXP, не так давно випустила на ринок рекордно потужну TDA8950E класу D, була заснована вельмишановне Philips з орієнтацією на виробництво напівпровідників. Так що сумніватися не доводиться - черговий продукт буде неординарним.Амплітудно-частотна характеристика «акустичних» виходів мікросхеми, як і слід було очікувати, залежить від опору навантаження. Просідати на високих частотах мікросхема починає з навантаженням 8 Ом. Тоді як 4 і 6 Ом даної мікросхемі просто в радість. Завал на низьких частотах несуттєвий, причому величина навантаження не позначається. Підключення по бруківці схемою в монорежиме рівномірно піднімає АЧХ акурат на 6 дБ. У міру підйому рівня потужності гармонійні спотворення на різних частотах поводяться по-різному. На середніх частотах спотворення типово підвищені майже у всьому діапазоні потужностей. На 10 Вт для 1 кГц спотворення в 0,1% все-таки маленькими не назвеш. Мінімальні спотворення на 100 Гц при 10 Вт: 0,007%. З навантаженням 4 Ом глобальний стрибок спотворень відбувається на рубежі 100 Вт. Проникнення каналів невелика, мінімальне - на частоті 100 Гц (-68 дБ). Показова АЧХ, знята в режимі «заглушки» (Mute): залежність від навантаження неактуальна, а ось експоненціальне зростання рівня фону в ультразвукової області частот насторожує.

У роздробі знайти мікросхеми серії TDA не складає труднощів. Продаються і готові плати, до яких залишається лише докупити блок живлення. До нас на тест надійшла новітня мікросхема TDA8950E, розміщена на мініатюрній «демонстраційної» платі з відповідної обв'язкою. На мікросхему начеплені (підібганий накидною скобою) невеликий металевий радіатор з розвиненим оре грязивом для природного тепловідведення. Щоб протестувати це пристрій, нічого не залишалося, як швиденько зробити підсилювач своїми руками.

Чим менше напруга підводиться харчування мікросхеми, тим менше видається на виході потужність. Електрично 150 Вт на канал досягається при ± 37 В полярного харчування. В цьому випадку трансформатор знадобиться міцненький, щоб струм 2 А тримав, що не прогинаючись. В ідеалі - тороидальний, причому з двома вихідними обмотками, щоб отримати полярне харчування без проблем. Діодний міст краще взяти готовий, у якого все в одному корпусі, стирчать лише чотири ніжки - до двох внутрішнім підводимо змінну напругу, з двох зовнішніх знімаємо постійне. Потім беремо пару полярних конденсаторів ємністю от 2000 мкФ на напругу 50-60 В (з запасом) (10 000 мкФ - то, що доктор прописав) і, строго дотримуючись полярності (інакше «кондер» хана), включаємо паралельно із загальною точкою, утвореної середньої житлової вихідних обмоток трансформатора. Один «кондер» ємністю 10 000 мкФ обійдеться рублів в 150. Ніхто не забороняє набрати бажану сумарну ємність, Запаралеленими недорогі по 2000 мкФ.

Щоб згладити високочастотні імпульси, в тому числі проникаючі з розетки, упаюємо (також паралельно) по керамічному конденсатору ємністю близько 0,1 мкФ (полярність не важлива). Для забезпечення безпеки обов'язковий тумблер, що відключає як «фазу», так і «землю». Запобіжник бажаний (на ток 1-2 А, відповідно споживання). Ще не завадить відразу за запобіжником (який упаюється послідовно, тобто в розрив однієї з жил) увіткнути паралельно вилці один конденсатор десь на 630 В ємністю 0,047 мкФ. Пояснимо: конденсатор, упаяний паралельно навантаженні, являє собою фільтр першого порядку, що пригнічує всі складові вище певної частоти, обумовленою ємністю цього конденсатора. Чим більше ємність, тим нижче частота «відсічення». Негативний провід полярного харчування підводимо до клеми плати підсилювача, поміченої як Vss, а позитивний - до клеми Vdd. Провід, що відходить від загальної точки, закидаємо на клему «землі» (Gnd). Усе! Підсилювач готовий.

Перед подачею 220 В розумно пройтися по пайку, «продзвонивши» тестером на предмет слу- чайного короткого замикання. Перший раз 220 В подати на кілька секунд, в ідеалі підключити не колонки, а потужні резистори не менше 4,7 Ом на 10-15 Вт. Кволі (до ~ 5 Вт) швидко або взагалі відразу здохнуть. Спочатку варто подавати слабкий сигнал, прибравши рівень гучності в аудіокарті мало не до нуля. Якщо жоден з елементів не буде занадто швидко грітися, трансформатора не буде зловісно гудіти і т.п., підсилювач можна експлуатувати. Саму мікросхему спалити практично неможливо завдяки електричної захисту від короткого замикання, термічної захисту від перегріву, захист від заряду статичної електрики і іншим блокувань «від дурня». Пасивні акустичні системи підключаються з дотриманням фази: одна колонка на Out1 з клемами «+» і «-», інша на Out2 з дотриманням тих же «+» і «-». Якщо переплутати місцями на одній з колонок «+» і «-» (полярність), то нічого не згорить, але чесних стереоефектів не одержати.


Провести вимірювання параметрів підсилювача класу D за допомогою популярної програми RMAA і доступною звукової карти, не маючи якісного (більше 40 дБ) аналогового фільтра, що відтинає весь ультразвукової сміття, - марна справа. Горезвісна несуча частота ШІМ (для TDA8950E це 345 кГц) - це тільки верхівка айсберга. Звичайно, придушення даної частоти, пролізає на виходи мікросхеми, вимагає потужних фільтрів. Чи не зіпсувати при цьому корисний сигнал не так просто, як здається. Завдання ускладнюється активністю імпульсів, коротких у часі, але неслабих по амплітуді. Тому в даному випадку паритися з вимірами в домашніх умовах явно не варто.


Експертне прослуховування відбувалося в порівнянні з інтегральним Hi-Fi-Стереопідси-Літел Harman-Kardon HK970 потужністю 120 Вт на 4 Ом (0,3% THD), які мають класичну схему на неслабих польових транзисторах і споживають під 410 Вт. Як пасивних акустичних систем виступала Hi-Fi-стереопара (ретельно підібрана виробником за технологічним розкиду параметрів) DALI Suite, зроблена в Данії. Це вдала зв'язка, що можуть підтвердити багато аудіофіли. Акустика функціонує подібно неупередженого студійного монітора, що не прощаючи найменших огріхів записи. Спотворення будь-якого блоку посилення, якщо такі будуть критичними, також легко помітні на слух.

Потужність, що видається застосованої TDA8950E, відверто здивувала. У приміщенні площадью12 кв. м затремтіли скла вже на «малих обертах». Викручувати рівень гучності в мікшері аудіокарти не знадобилося. Лівий і правий канали вийшли, правда, не зовсім ідентичними, відтворюється стереокартіна може розмазуватися. Однак при відтворенні стислих форматів на зразок МР3 це некритично. У порівнянні з істинно Hi-Fi-ним підсилювачем в зв'язці з чутливою акустикою вноситься нашим «цифровиком» спотворення не пройдуть непоміченими для досвідченого аудиофила.

Отже, «цифровий» стереопідсилювач, зроблений на основі TDA8950E, вийшов потужним і економічним. Якщо не зловживати екстремальної гучністю, то якість звуку забезпечується в цілому прийнятне (за мірками мультимедійної акустики). Особливу увагу слід звернути на вихідні фільтри - на «китової» платі вони реалізовані не кращим чином. Найбільш оптимальний варіант застосування мікросхеми TDA8950E - монорежим з підключенням по бруківці схемою, тобто в активних сабвуферах. Похвально, що підсилювач не пасує перед низкоомной навантаженням і не затискає низькі частоти на малій гучності.

Принцип роботи підсилювачів класу D

Технологія широтно-імпульсного (ШІМ) посилення звуку, що породила так званий клас D, стала впроваджуватися більш десяти років тому, хоча сама ідея зародилася раніше. Останнім часом підсилювачі класу D проникли не тільки в портативні цифрові аудіо. У телевізорах, музичних центрах, коробкових домашніх театрах, автомобільних аудіопристроїв і в багатьох мультимедійних акустичних системах влаштувалися досить мініатюрні мікросхеми, які виділяють на диво мало тепла. Ефективність сучасних схем швидко зростає з потужністю, досягаючи 90% вже на половині від її максимуму. При цьому ефективність транзисторних підсилювачів ще недавно найпоширенішого класу A-B не дотягує до 40%. На повній потужності порівнювати безглуздо, оскільки будь-який підсилювач вже на підході до заповітного максимуму зривається в кліппірованіе, виплоджуючи високочастотні гармоніки. Клас А в стані похвалитися тільки 25% ефективності, а чистий клас В - 78% (теоретично, при потужності умовно близькій до максимальної).

Топологія класу А, що забезпечує найбільш якісний звук, має на увазі використання кожного транзистора як джерела постійного струму, здатного забезпечити динамік необхідним струмом як при позитивній напівхвилі, так і при негативній (звуковий сигнал від природи полярен). Такому підсилювача, грубо кажучи, доводиться висаджувати половину потужності на підтримку постійної складової струму «нейтрального рівня», тобто навіть тоді, коли вхідний сигнал відсутній. У топології класу В підтримка постійної складової струму ігнорується за рахунок того, що транзистори змушують працювати на манер тянітолкая для позитивної та негативної напівхвиль відповідно. Розплата неминуча: мінімізація спотворень виливається в серйозну технічну задачу. Гібридна топологія класу А-В допускає постійну складову струму на виході транзисторів, але набагато менші за розміром, ніж в класі А, щоб не смикати транзистори хоча б на малій потужності (на відміну відласса В). Тобто підсилювачі класу А-В на малій потужності працюють в класі А, а на середній і максимальної - в класі В. Природно, на малій потужності ефективність посилення в класі А-В виходить низькою, зате з спотвореннями немає проблем.

Фішка ж топології класу D в тому, що завдяки попередньому широтно-им-пульсної перетворенню звукового сигналу транзистори функціонують в імпульсному режимі на високій частоті, перебуваючи весь час у відкритому стані. Образно кажучи, не встигають «зав'язнути» на постійному струмі, а необхідність в будь-якому управлінні відпадає - тактирование автоматично задається частотою модуляції.

Підсилювачі класу D часто називають цифровими. Справа в тому, що ядру мікросхеми в общем-то «по барабану» з яким сигналом працювати: з аналоговим ШІМ (зовні сильно нагадує DSD-кодування для SACD) або з суто цифровим однобітний (з передіскретізаціей). По суті, і там і там - кодова модуляція, а кодований сигнал має постійні в часі пікові амплітуди (або нулик, або одиничка). Посилювати такий сигнал простіше простого. Правда, результат подібного посилення доведеться піддавати специфічною «зачистці», але це вже окрема історія.


Розділ: [Підсилювачі потужності низької частоти (лампові)]
Збережи статтю в: