Дипломний проект - Проектування підсилювача потужності звукової частоти класу Д (Class D Audio Power Amplifier) потужністю порядку 500 Вт на основі мікросхемного ви - файл n1.doc

Дипломний проект - Проектування підсилювача потужності звукової частоти класу Д (Class D Audio Power Amplifier) потужністю порядку 500 Вт на основі мікросхемного ви
скачать (2963.3 kb.)
Доступные файлы (10):
n1.doc1912kb.08.03.2011 22:38скачать
n2.docскачать
n3.docскачать
n4.docскачать
n5.doc131kb.08.03.2011 22:10скачать
n6.docскачать
n7.docскачать
n8.docскачать
n9.docскачать
n10.doc249kb.08.03.2011 21:54скачать

n1.doc

  1   2   3
ПЕРЕЛІК УМOBHИX ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
ШІМ – широтно-імпульсна модуляція;

АІМ - амплітудноімпульсна модуляція;

ККД – коефіцієнт корисної дії;

СМ – ступінчата модуляція;

ІКМ – імпульсно-кодова модуляція;

ТУ – технічні умови;

АРП – автоматичне регулювання підсилення.


ВСТУП


У сучасній техніці широко використовується принцип керування енергією, що дозволяє за допомогою витрати невеликої кількості енергії управляти енергією, але на багато разів більшою. Форма як керованої, так і керуючої енергії може бути будь-якою: механічною, електричною, світловою, тепловою і т.д.

Окремий випадок керування енергією, при якому процес керування є плавним й однозначним і керована потужність перевищує керуючу, зветься посилення потужності або просто посилення; пристрій, що здійснює таке керування, називають підсилювачем.

Дуже широке застосування в сучасній техніці мають підсилювачі, у яких як керуюча, так і керована енергія являє собою електричну енергію. Такі підсилювачі називають підсилювачами електричних сигналів.

Підсилювачі широко застосовуються в телемеханіці, автоматиці, обчислювальних пристроях, в апаратурах ядерної фізики, хімічного аналізу, геофізичної розвідки, медичної, музичної й у багатьох інших приладах.

Із трьох типів транзисторних каскадів для посилення напруги придатні два: каскади із загальною базою й каскад із загальним емітером. Каскад із загальним колектором може бути застосований у багатокаскадних системах, однак безпосереднього посилення напруги такий каскад не дає й виконує допоміжну роль.

Для посилення напруги звукових частот найбільш придатний каскад із загальним емітером, тому що він має більш високий вхідний й більш низький вихідний опір в порівнянні з каскадом із загальною базою.

Акцентуємо свою увагу на підсилювачах класу Д. Тобто аналогових підсилювачах, головний транзисторний каскад яких працює в режимі ключа. Вхідним сигналом даного підсилювача є послідовність імпульсів, які задіюють головний транзистор, що працює в режимі ключа.

Уперше імпульсний метод посилення звукових сигналів з використанням ШІМ був запропонований в 1953 р. Д. В. Агєєвим [9]. У роботах В. В. Маланова й К. П. Полова імпульсний метод посилення звукових сигналів одержав подальший розвиток. Велика заслуга у виконанні теоретичних досліджень систем із ШІМ належить В. В. Маланову [7]. Їм був запропонований і розроблений цілий ряд різних варіантів ШІМ, що дозволили істотно поліпшити експлуатаційні й енергетичні показники ключових підсилювачів. В. В. Малановим і К.П. Половим уперше була почата спроба створення потужного ключового підсилювача звукових частот для цілей провідного віщання [7].

Метою даної роботи є спроба пов’язати основні втрати, що призводять до зниження загального ККД в підсилювачі, з частотою слідування імпульсів ШІМ-напруги вхідного сигналу, а також вибір ключового транзистора в підсилювачі П2007 на основі International Rectifier High Power Class D Audio Power Amplifier using IR2011S [4].



1 Огляд основних ключових методів підсилення сигналів




1.1 Аналогові підсилювачі звукових сигналів
Робота будь-якого пристрою, призначеного для посилення потужності електричних коливань, основана на використанні принципу регулювання кількості енергії, що надходить у навантаження від джерела живлення з постійною або змінною напругою. Умовою якісного функціонування підсилювального пристрою є забезпечення пропорційності між вхідним і вихідним сигналами у всьому або майже у всьому діапазоні змін вхідного сигналу.

Для більшості застосовуваних на цей час підсилювачів зміна кількості енергії, що надходить у навантаження, здійснюється шляхом перерозподілу енергії джерела живлення між навантаженням і ланкою керування. У якості останнього звичайно застосовується електронна лампа або транзистор. У цей час переважна частина підсилювачів виконується на основі цього принципу, причому активні елементи підсилювачів можуть працювати в режимах класу А або В. Схема одного плеча такого підсилювача і його еквівалентна схема зображені на рис. 1.1 (а), на якому Е — напруга джерела живлення, Rн— опір навантаження, R(t) – опір активного елемента, що виконує функцію керуючої ланки.






Рисунок 1.1 - Схема одного плеча двотактного лінійного (а) і ключового (б) підсилювачів та їхні еквівалентні схеми.
Якщо напруга сигналу на навантаженні є u(t), то за час Т на навантаженні виділиться енергія

. (1.1)

Від джерела живлення за цей же час буде спожита значно більша енергія:

. (1.2)

Різниця зазначених енергій визначає енергію, що розсіюється на керуючому елементі R(t) у вигляді тепла:

. (1.3)

Очевидно, що теплові втрати на керуючому елементі визначаються винятково формою вихідного сигналу й обертаються на нуль тільки в тому випадку, якщо u(t) приймає значення, рівні Е або нулю. Це означає, що максимальний ККД підсилювача може бути досягнутий лише при вихідному сигналі, що представляє собою послідовність прямокутних імпульсів, величина яких дорівнює Е (дане твердження справедливо тільки при активному навантаженні; у загальному випадку при комплексному або реактивному навантаженні форма вихідної напруги може бути інша і тому необхідною умовою ключового режиму є лише мінімальне спадання напруги на активному елементі, коли через нього протікає струм). Керуючий елемент у цьому випадку працює в режимі ключа «включений-виключений» (рис. 1.1, б).

Якщо перший варіант підсилювача з безперервним вхідним сигналом (рис. 1.1, а) можна умовно віднести до категорії аналогових або лінійних підсилювачів, у якого R(t)=f(u), то другий варіант підсилювача з імпульсним вхідним сигналом (рис. 1-1, б) — до класу ключових підсилювачів з дискретним режимом роботи активного елемента, у яких R(uBX)=0 або нескінченно великий.

На жаль, форма звукового сигналу досить далека від прямокутної і його амплітуда змінюється в дуже широких межах, тому використовувати ключовий режим посилення без попереднього спеціального перетворення звукового сигналу не представляється можливим; для посилення ключовим методом звукового сигналу він піддається відповідним перетворенням.
1.2 Ключові підсилювачі звукових сигналів з ШІМ
У підсилювальному пристрої, схема якого показана на рис. 1.1, б, енергія надходить у навантаження дискретними порціями в інтервали часу, що відповідають замкнутому стану ключа. Кількість енергії, що надходить у навантаження за одиницю часу, визначається винятково тимчасовим співвідношенням між замкнутим і розімкнутим станом ключа. Змінюючи це співвідношення за певним законом, можна по тім же законі змінити й кількість енергії, що надходить у навантаження. Очевидно, що в цьому випадку напруга на навантаженні буде мати форму прямокутних імпульсів з амплітудою Е, тривалість (ширина) яким змінюється відповідно до необхідного закону.



Рисунок 1.2 - Принципова схема одного плеча вихідного каскаду підсилювача із ШІМ (а) і форма напруги на навантаженні цього підсилювача (б).
Щоб забезпечити режим безперервної плавної зміни напруги на навантаженні, необхідно між навантаженням і ключем ввести фільтр, що згладжує, утримуючи енергоємні елементи (наприклад, L, С) з діодом VD (рис. 1.2,а), що запобігає порушення шляху проходження струму самоіндукції при розімкнутому стані ключового елемента. У цьому випадку, незважаючи на ключовий режим роботи активного елемента (рис. 1-2,6), має місце безперервна й практично плавна зміна енергії в навантаженні, тобто таким способом можна підсилювати звукові сигнали.

Форма вхідного сигналу для такого підсилювача також повинна мати вигляд прямокутних імпульсів, ширина яких змінюється відповідно до закону зміни звукового сигналу. Таке перетворення звукового сигналу здійснюється в спеціальному блоці М (рис. 1.2,а), що прийнято називати модулятором.

Пристрій за схемою рис. 1-2,а може підсилювати лише однополярні сигнали. Однак якщо вихідний каскад підсилювача виконати за двотактною схемою із двох таких підсилювачів, кожний з яких незалежно від іншого підсилює сигнали відповідної полярності, те такий підсилювач буде придатний для посилення знакозмінних звукових сигналів. Тут доцільно звернути увагу на істотну особливість підсилювачів із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), що полягає в тому, що при використанні в кожному плечі підсилювача тільки одного активного елемента можна здійснити посилення обмеженого по спектру аналогового сигналу з достатнім наперед заданим ступенем точності, збільшуючи кількість відліків на інтервалі часу. Природно, що в кожному плечі підсилювача може бути кілька силових ключових елементів, але їхня наявність не є принципово необхідним. Такі підсилювачі можна умовно віднести до категорії одноключових. Це є досить важливою перевагою таких підсилювачів, оскільки у всіх інших розглянутих нижче підсилювачах для забезпечення малих перекручувань посилюваного сигналу необхідне застосування в кожному плечі підсилювача декількох ланок регулювання.

Можливість використання дискретного режиму роботи підсилювального елемента для досить якісного посилення Безперервного сигналу безпосередньо випливає з теореми відліків [1], відповідно до якої безперервна функція f(t), обмежена по спектру найвищою частотою Qm=2nFm, повністю визначається послідовністю своїх значень (дискрет), узятих з інтервалом l/2Fm, тобто

, (1.4)

де n=1, 2, 3 ...

Відповідно до теореми відліків можливо лише наближене, а не точне відновлення безперервного сигналу по відомим до моменту спостереження його дискретам. У розглянутому підсилювачі інформація про дискрети посилюваного сигналу укладена в ширині імпульсів. Зі зміною миттєвого значення посилюваного сигналу змінюється відповідно й ширина імпульсів (рис. 1.2,б). Ключові підсилювачі цього виду відносять до числа пристроїв із широтно-імпульсною модуляцією, що використовують принцип тимчасової дискретизації посилюваного сигналу.

Розглянутий метод дискретного регулювання кількості енергії, що надходить у навантаження, при наявності одного джерела живлення й однієї ланки регулювання є єдино можливим методом дискретного керування цією енергією.
1.3 Ключеві підсилювачі зі ступінчатою та імпульсно-кодовою модуляцією
У тих випадках, коли є не один, а декілька з'єднаних послідовно або незалежних джерел живлення, то з'являється додаткова можливість керування величиною енергії, що надходить у навантаження. Можна, наприклад, одночасно з використанням ШІМ за заданим законом змінювати амплітуду імпульсів напруги на навантаженні, тобто використовувати додатково режим дискретної амплітудноімпульсної модуляції (АІМ). Через складність технічного виконання ключові підсилювачі зі спільним використанням ШІМ й АІМ поки не знайшли широкого поширення. Однак сама ідея використання декількох джерел живлення для підсилювачів з ШІМ виявилася досить плідною й знайшла широке застосування в підсилювачах з дискретно-аналоговим керуванням.


Рисунок 1.3 - Еквівалентна схема одного плеча підсилювача зі ступінчатою модуляцією (а) і форма вихідної напруги цього підсилювача (б).

При досить великій кількості джерел живлення можна взагалі відмовитися від використання ШІМ і здійснювати зміну кількості енергії, що надходить у навантаження, тільки шляхом підключення до навантаження тієї або іншої кількості джерел живлення (рис. 1.3,а). Такий режим керування енергією в навантаженні будемо називати режимом ступінчатої модуляції (СМ), оскільки в процесі посилення здійснюється перетворення посилюваного сигналу в сигнал ступінчатої форми. Точність відтворення тим вище, чим більше число джерел живлення (рис. 1.3,б). Відзначимо кілька особливостей підсилювача зі ступінчатою модуляцією. При досить великій кількість джерел живлення можна виключити фільтруючі елементи, що згладжують, що не можна зробити в принципі в ШІМ. Іншою особливістю є те, що комутація ключів, а отже, і комутаційні втрати мають місце лише в моменти часу, коли миттєві значення посилюваного сигналу дорівнюють рівням його квантування. На інтервалах часу, коли вхідний сигнал змінюється між рівнями його квантування, підсилювач не змінює свого стану (рис. 1.3,а), тобто втрати на перемикання відсутні. Формування сигналів керування ключами здійснюється тільки лише при зміні вхідного сигналу. Оскільки в підсилювачах з СМ, як й у підсилювачах із ШІМ, використовується принцип дискретизації вхідного сигналу, то для того, щоб підкреслити особливості формування сигналів керування ключами, дискретизацію такого виду будемо називати режимом квантування вхідного сигналу, хоча практично ці терміни рівнозначні [5].

Істотним недоліком підсилювачів зі СМ є необхідність застосування значної кількості ключів (многоключева система) і джерел живлення, причому їхня кількість повинна бути тим більша, чим точніше потрібно відтворити вхідний сигнал. Цей недолік може бути усунутий при використанні режиму квантування із застосуванням імпульсно-кодової модуляції (ІКМ). З цією метою джерела живлення повинні бути не з однаковими значеннями вихідних напруг (як передбачалося раніше), а із прогресуючим убуванням (або зростанням) цих напруг у послідовності



де (n - 1) - кількість джерел живлення.

Неважко помітити, що сполученням джерел із зазначеними напругами можна одержати на навантаженні будь-які градації напруг з точністю до в межах від 0 до . Стосовно до підсилювачів звукових частот досить висока точність відтворення сигналу з порівняно більшим динамічним діапазоном може бути досягнута вже при 5 – 6 джерелах живлення (). Необхідне сполучення джерел живлення залежно від рівня вхідного сигналу забезпечується за допомогою ключових елементів, керованих послідовністю прямокутних імпульсів, що представляють собою двійковий код сигналу, що підлягає посиленню. Перетворення аналогового сигналу у двійковий код здійснюється за допомогою спеціальних перетворювачів аналог-код.

На закінчення необхідно відзначити, що наявність значного числа джерел живлення в практичних схемах таких підсилювачів не завжди є обов'язковим. У багатьох випадках можна обійтися одним джерелом живлення, а необхідні проміжні значення вихідних напруг можуть бути отримані штучно, зокрема застосуванням на виході підсилювача вихідних трансформаторів з різними значеннями коефіцієнта трансформації.
1.4 Спектрально-ключеві підсилювачі
У всіх розглянутих вище ключових методах підсилення основним завданням підсилювача було формування в навантаженні (за допомогою ключових елементів) сигналу, пропорційного вхідному сигналу f(t). Формування самих сигналів керування ключами в описаних методах здійснювалося на основі інформації про значення функції f(t) у заданих відлікових точках. При цьому передбачалося, що вхідний посилюваний сигнал є хоча й обмеженим по спектру, але досить широкополосним, тобто

.

Для таких сигналів зазначені вище варіанти керування ключами для регулювання кількості енергії, що подається в навантаження, є, очевидно, найбільш раціональними, однак далеко не єдиними.

Якщо виходити із припущення, що посилюваний сигнал є сумою досить вузькополосних сигналів

, (1.5)

то теорема відліків для кожного вузькополосного сигналу, як відомо, може бути записана [1] у вигляді (опустивши для простоти запису індекс к)

, (1.6)

де й — амплітуда й фаза сигналу S(t) у п-й відліковій точці.

Таким чином, у кожній відліковій точці фіксується величина і фази . На основі інформації про ці параметри можна також сформувати сигнали керування ключовими елементами для регулювання кількості енергії, що надходить у навантаження. Через те що при такому методі формування сигналів керування ключами принципово необхідне розкладання спектра вхідного сигналу на кінцеве число вузькополосних коливань, підсилювачі такого виду будемо називати спектрально-ключовими.




Рисунок 1.4 - Еквівалентна схема найпростішого спектрально-ключового підсилювача.
Найпростіший спектрально-ключовий підсилювач зображений на рис. 1.4. Для простоти будемо вважати, що сигнал містить усього два спектральних компоненти. Кожен ключ працює на фіксованій частоті (однієї із частот сигналу) і підсилює тільки свою спектральну складову, причому введенням ШІМ для кожного ключа можна змінювати амплітуду спектральних складових сигналу в навантаженні (значення Ak(t)), а зміною моменту замикання ключів можна регулювати фазові співвідношення цих складових (значення ). У загальному випадку за допомогою кожного ключа вдається забезпечити посилення безпосереднє частини спектра вхідного сигналу.

Для забезпечення малого рівня перекручувань посилюваного сигналу єдиною вимогою є вимога його вузькополосності, тобто необхідно, щоб ширина спектра сигналу в кожному каналі була істотно менше середньої частоти цього спектра. Не вдаючись у докладний аналіз такого підсилювача, відзначимо його очевидні особливості. Підсилювач зі спектрально-ключовим керуванням ставиться до класу многоключевих систем, однак робоча частота комутації в такому підсилювачі, як треба з наведеного принципу його роботи, не перевищує найвищої частоти в спектрі посилюваного сигналу. Ця обставина в деяких випадках може бути вирішальною при виборі схеми підсилювача для конкретних умов поставленого завдання.
1.5 Організація дискретно – аналогового керування в підсилювачах




Ряд труднощів технічного характеру, які виникають при створенні високоякісних ключових підсилювачів із ШІМ й ІКМ, призвели до появи так званих лінійно-ключових підсилювачів з дискретно-аналоговим керуванням. У підсилювачах цього виду використовуються спільно лінійний і ключовий режими посилення. Тому такий підсилювач має два канали керування, за допомогою яких регулюється подача енергії в навантаження. Перший канал є ключовим підсилювачем із ШІМ, ІКМ або СМ, другий канал – це лінійний підсилювач, що працює, як правило, у режимі класу В. Цілком очевидно, що для зменшення потужності втрат у лінійній ланці керування основна потужність у навантаженні повинна забезпечуватися за рахунок ключового каналу посилення.

Сполучення двох таких каналів дозволяє не тільки істотно поліпшити ряд параметрів ключових підсилювачів, але й в багатьох випадках значно спростити схемні реалізації останніх через значне зниження вимог до ключового каналу посилення при досить незначному зниженні загального ККД. Ключовий й лінійний канали в таких підсилювачах можуть включатися як паралельно, так і послідовно.

На рис. 1.5, а, б зображені еквівалентні схеми одного плеча лінійно-ключових підсилювачів із ШІМ і СМ при послідовному включенні каналів і графіки напруг і кожного каналу. З наведених малюнків неважко помітити, що лінійно-ключові підсилювачі з послідовним включенням каналів є власне кажучи широко розповсюдженими підсилювачами класу В з плавною (рис. 1.5,а) або дискретною (рис. 1-5,б) зміною напруги живлення. Підсилювачі такого виду, якщо судити по наявних публікаціях [6, 7, 8], досліджені досить повно.









Рисунок 1.5 - Еквівалентна схема й форма вихідної напруги одного плеча лінійно-ключових підсилювачів із широтно-імпульсною й ступінчатою модуляцією з послідовним включенням каналів.
Відзначимо очевидні недоліки підсилювачів з послідовним включенням каналів. По-перше, вся енергія, що надходить від джерела живлення, піддається подвійному почерговому регулюванню в ключовому й лінійному каналах посилення. Це призводить до додаткової втрати енергії, оскільки всі реальні підсилювальні елементи мають кінцеву залишкову напругу насичення. Тому в такій системі втрати за рахунок залишкової напруги насичення збільшуються принаймні вдвічі. Особливо це позначається при низьковольтних джерелах живлення. По-друге, оскільки через ключовий і лінійний транзистори протікає той самий струм, то незважаючи на малі втрати енергії в лінійному каналі посилення підсилювач лінійного каналу повинен бути розрахований на максимальну потужність, виділювану в навантаженні, що економічно невигідно.

Перераховані недоліки вдається значною мірою усунути при переході до паралельної схеми включення лінійного й ключового каналів (рис. 1.6,а, б).




Рисунок 1.6 - Еквівалентні схеми лінійно-ключових підсилювачів з паралельним включенням каналів.
У цьому випадку основна частина енергії надходить у навантаження через ключовий канал і лише досить незначна її частина (для корекції помилок регулювання ключового каналу) - через лінійний канал. Такий спосіб включення каналів дозволяє не тільки помітно знизити втрати у всій системі регулювання, але й більш кращий економічно, оскільки в цьому випадку лінійний канал посилення може бути менш потужним.

Спільне використання ключового й лінійного каналів у підсилювачах зі ступінчатою модуляцією дозволяє одержати ще одну принципово нову якість таких підсилювачів. Вона полягає в тому, що в одному активному елементі такого підсилювача вдається об'єднати одночасно функції ключа й функції лінійної ланки, що в ряді випадків істотно спрощує підсилювач вцілому (рис. 1.6, б).

1.6 Визначення енергетичних характеристик ключевих підсилювачів
У зв'язку з більшою розмаїтністю понять, що характеризують енергетичну ефективність ключових підсилювачів, введемо кілька способів визначення ККД ключового підсилювача, якими й будемо користуватися надалі. Із цією метою знову звернемося до розгляду найпростішого підсилювача із ШІМ. Нехай є джерело живлення Е, навантаження RH, і ключ Кл (рис. 1.7,а), внутрішній опір якого дорівнює R. Ключ Кл періодично замикається й розмикається з періодом Т, але тривалість його замкнутого стану повільно змінюється (рис. 1.7,б). Повний ККД у цьому випадку визначається наступним співвідношенням (без врахування комутаційних втрат):

, (1.7)

при ККД може бути близький до 100%. При використанні такого пристрою в якості одного плеча двотактного підсилювача звукових коливань корисний ефект визначає, однак, лише низькочастотна складова імпульсного струму через навантаження, що змінюється при зміні в часі у відповідності зі звуковим вихідним сигналом (рис. 1.7,б).




Рисунок 1.7 - Еквівалентна схема однополярного підсилювача із ШІМ (а) і форма напруги на навантаженні такого підсилювача (б).
Так, наприклад, при використанні як навантаження звукової котушки динамічної головки низькочастотна складова вихідного сигналу, протікаючи через звукову котушку, буде призводити до її пропорційних переміщень, високочастотна ж складова цього сигналу при даній схемі включення буде розсіюватися на звуковій котушці у вигляді тепла.

Значення ККД, розраховане по формулі (1.7), характеризує в цьому випадку лише значення потужності, що розсіює в ключовому елементі (лампі або транзисторі) у вигляді тепла. Реальний же ККД такої системи, розглянутий у вигляді відношення

, (1.8)

де Рвих — потужність низькочастотної складової в навантаженні; Pспож — споживана потужність, виявляється значно менше й залежить від форми й амплітуди низькочастотної складової вихідного сигналу. Можна показати, наприклад, що для двотактного підсилювача при зміні низькочастотної складової вихідного сигналу за синусоїдальним законом ККД, розрахований по формулі (1.8), не перевищує /4, убуваючи за лінійним законом зі зменшенням амплітуди посилюваного сигналу, що має місце й у звичайному підсилювачі класу В. Однак у розглянутому ключовому підсилювачі активний елемент працює в досить легкому енергетичному режимі, що істотно підвищує надійність системи й робить такий підсилювач кращим, оскільки застосування його дозволяє перерозподілити теплові втрати з активного елемента (лампи, транзистора) на пасивні.

Таким чином, формула (1.8) характеризує значення реального експлуатаційного ККД системи, а формула (1.7) — лише втрати в електронній ланці керування (лампі, транзисторі). Це значення ККД будемо називати електронним ККД вихідного каскаду. При будь-який іншій довільній формі вихідного сигналу на підсилювальному елементі (наприклад, з урахуванням кінцівки фронту імпульсу) воно визначається наступним співвідношенням:

, (1.9)

Якщо у вихідному каскаді підсилювача має місце рекуперація змінній складовій сигналу (що застосовується практично в усіх без винятку підсилювачах із ШІМ), то значення електронного ККД підсилювача близько до значення ККД вихідного каскаду підсилювача, якщо втрати в колах рекуперації досить малі. Тому надалі під електронним ККД ключового підсилювача будемо розуміти ККД вихідного каскаду без обліку втрат енергії сигналу в колах узгодження навантаження (у вихідних трансформаторах), захисту й стабілізації, оскільки ці втрати можуть помітно знижувати загальний ККД вихідного каскаду. По електронному ККД вихідного каскаду легко визначаються потужності втрат на активних елементах. Значення цієї потужності визначає у свою чергу вимоги до системи охолодження, зокрема до розмірів і маси радіаторів, на які встановлюються електронні ключі (транзистори, тиристори).

Під ККД вихідного каскаду будемо розуміти його значення відповідно до формули (1.8) з обліком всіх допоміжних колів, необхідних для нормального його функціонування. Очевидно, що це значення ККД характеризує сумарні втрати у вихідному каскаді лише при посиленні сигналів з постійною амплітудою. При оцінці енергетичної ефективності реального підсилювача у випадку посилення звукових сигналів з більшим пікофактором вже варто враховувати не тільки неминучі втрати енергії в каскаді попереднього посилення, але й залежність ККД вихідного каскаду від рівня посилюваного сигналу. У цьому випадку вводиться поняття середнього експлуатаційного ККД підсилювача. Під середнім експлуатаційним ККД підсилювача прийнято відношення енергії, що виділилася в навантаженні протягом досить тривалого часу (18 —20 год), до енергії, витраченої джерелом живлення підсилювача за той же інтервал часу при подачі на вхід підсилювача віщальної програми.

Вимірювання кількості енергії, що виділилася в навантаженні, а також витраченої енергії при роботі підсилювача на віщальній програмі здійснюється звичайно за допомогою електрохімічних амперметрів, принцип роботи яких оснований на розкладанні з'єднань міді або ртуті. По кількості отриманого чистого металу й визначають значення споживаної або виділюваної енергії. Якщо крива залежності ККД підсилювача від рівня вхідного сигналу є монотонною, то наближене значення средньоексплуатаційного ККД підсилювача іноді визначають при рівні вихідного сигналу, рівного 0.3 номінального. При більш складній залежності ККД від рівня вихідного сигналу така найпростіша оцінка може дати значне погрішення. Таким чином, при порівнянні підсилювачів, призначених для посилення сигналів з постійною амплітудою, критерієм їхньої оцінки може служити максимальний ККД підсилювача, при посиленні ж сигналів зі змінною амплітудою — средньоексплуатаційний ККД.

Для підсилювачів великої потужності, первинним джерелом живлення яких служить мережа змінного струму (наприклад, підсилювачі провідного віщання), вводиться ще поняття промислового ККД підсилювача. Під промисловим ККД підсилювача розуміють середній експлуатаційний ККД підсилювача з урахуванням втрат у силовому трансформаторі, випрямлячі й стабілізаторі напруги (якщо він є).
1.7 Загальні вимоги до підсилювачів
Основні вимоги до електроакустичного тракту визначаються, з одного боку, властивостями джерел звуку, що беруть участь у програмі передач (музичних інструментів, голосу людини), і з іншого боку — властивостями слуху людини. Виходячи із заданих вимог на електроакустичний тракт і визначаються вимоги на підсилювальний пристрій цього тракту.

У цей час більшість вимог нормується стандартами України про підсилювачі, або спеціальними вимогами, обговореними в технічних умовах (ТУ). Не викликає сумніву та обставина, що будь-який знову розроблювальний пристрій повинний задовольняти вимогам стандарту, однак ці вимоги ще не можуть служити критеріями оцінки якості роботи підсилювачів, особливо якщо ці підсилювачі працюють у ключовому режимі. Відзначена невідповідність пояснюється досить просто. Існуючі вимоги розроблялися стосовно до підсилювачів, що працюють у режимі класу В, і природно, що специфіка ключових підсилювачів в існуючих стандартах не могла бути відбита. Тому доцільно розглянути деякі загальні вимоги до підсилювачів, виходячи з основних вимог, запропонованих до електроакустичного тракта, з урахуванням властивостей джерел сигналів і властивостей людського слуху. Це дасть можливість більш раціонально підійти до побудови ключових підсилювачів.

Однієї з найважливіших характеристик підсилювача звукових сигналів є робочий діапазон частот. Під робочим діапазоном (або діапазоном частот, що пропускають) прийнято розуміти деякий інтервал частот від до , всередині якого коефіцієнт підсилення змінюється в заданих межах з відомим ступенем точності (звичайно не більше 2 дБ). Однак незважаючи на гадане однозначне визначення діапазону робочих частот підсилювача це поняття для різних підсилювальних трактів не є однозначним.

Рисунок 1.9 – Розташування рівнів сигналів по частоті у віщальній передачі.


Рисунок 1.8 – Форми частотних спотворень у тракті УКВ – ЧМ передавача (крива 1) і тракту УКВ – ЧМ приймача, (крива 2).



Так, зокрема, вимір наскрізної частотної характеристики найпоширенішого високоякісного тракту, джерело віщального сигналу — УКВ ЧМ передавач — УКВ ЧМ приймач — кінцевий підсилювач потужності може вироблятися тільки при рівні вхідного сигналу не більше 0.1 номінального через введення частотних викривлень у тракт УКВ ЧМ передавача (крива 1 на рис. 1.8), які надалі компенсуються в прийомному тракті (крива 2 на рис. 1.8). Результуюча частотна характеристика виявляється лінійною. Застосування таких частотних викривлень дозволяє одержати виграш відношення сигнал/шум усього тракту до 10 дБ [9]. Однак, якщо проводити вимір наскрізної частотної характеристики такого тракту на номінальному рівні вихідного сигналу, вона буде мати характеристику, що нагадує криву 2 на рис. 1.8 через обмеження (перемодуляції) сигналу на верхніх частотах у тракті УКМ-ЧМ передавача.



Рисунок 1.10 - Спектр максимальних значень звукового тиску для оркестрової музики при 75 виконавцях. Час усереднення 0,25 с.
Аналогічне явище має місце в тракті джерело віщального сигналу — магнітний запис — кінцевий підсилювач потужності, оскільки в апаратах магнітного запису також застосовуються викривлення з наступною їхньою компенсацією.

Введення частотних викривлень виявляється можливим завдяки властивостям звукового сигналу. Як показали статистичні дослідження віщального сигналу, що йде по тракту низької частоти (роботи Н. Л. Безладного), найбільші рівні сигналу зустрічаються на частотах 200-1500 Гц (рис. 1.9). Вище й нижче цього діапазону частот складові звукового сигналу значно зменшуються за рівнем, що й дозволяє вводити викривлення в електроакустичний тракт. На рис. 1.10 як приклад [10] наведений спектр максимальних значень звукового тиску для оркестрової музики при 75 виконавцях (час усереднення 0,25 с).

Для потужних підсилювачів провідного віщання ПВ частотна характеристика вимірюється на рівні вхідного сигналу, рівного 0.5 номінального. Це, очевидно, пов'язане з тим, що в кінцевих підсилювачах потужності, як правило, не застосовуються частотні викривлення, хоча їхнє введення дозволяє помітно підвищити надійність транзисторних підсилювачів ПВ.

Вибір рівня сигналу для виміру частотної характеристики ключових підсилювачів виявляється досить істотним. Створення ключового підсилювача з робочою смугою до 15-20 кГц на повному рівні потужності (при номінальному вхідному сигналі) пов'язане із застосуванням дорогих потужних високочастотних транзисторів. Крім того, варто мати на увазі, що значне розширення робочого діапазону частот ключового підсилювача пов'язане з підвищенням тактової частоти комутації (відповідно до теореми відліків), що збільшує втрати на перемикання й відповідно знижує загальний ККД пристрою. З іншого боку, використання лінійно-ключових підсилювачів при порівняно простих схемних реалізаціях дає можливість легко забезпечити робочий діапазон частот того ж порядку при рівні вимірювального сигналу 0.1-0.3 номінального при більш високому загальному ККД підсилювача. Зі збільшенням вхідного сигналу в таких підсилювачах спостерігається звичайно обмеження рівня вихідного сигналу й відповідно вихідної потужності. Тому для ключових підсилювачів при вимірі частотної характеристики доцільно ввести два параметри. Першим параметром є звичайна частотна характеристика підсилювача на рівні вхідного сигналу, рівного 0.1-0.3 номінального. Як другий параметр доцільно ввести поняття енергетичної частотної характеристики, тобто нормувати максимальні рівні потужності підсилювача (або вихідні напруги) по діапазону частот, при яких вихідний сигнал має рівень нелінійних викривлень не більше заданого. Очевидно, що ця характеристика вихідної напруги повинна бути близька за формою до зображеного на рис.1.9. Така подвійна оцінка робочого діапазону частот підсилювача дозволить більш правильно підійти до рішення завдання по створенню високоефективних й у той же час високоякісних ключових підсилювачів потужності.

Таблиця 1.1 - Класи якості підсилювачів

Клас якості


Робочий діапазон частот, Гц


Коефіцієнт гармонік, % у діапазоні частот, Гц, не більше ніж

До 100

100-200

200-4000

4000-7500

Вищий

30 – 15к

2.0/1.0

1.5/0.7

1.0/0.6

2.0/1.0

Перший

50 – 10к

4.0/2.0

2.5/1.2

2.5/1.2

3.5/1.7

Другий

100 - 6.3к



6.0/3.0

4.0/2.0


  1   2   3


ПЕРЕЛІК УМOBHИX ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации