Operação e aplicações de amplificadores de classe D

Neste mundo moderno, o principal objetivo da amplificação de áudio em um sistema de áudio é reproduzir e amplificar com precisão os sinais de entrada fornecidos. E um dos maiores desafios é ter uma alta potência de saída com o mínimo de perda de potência possível. A tecnologia de amplificador Classe D está causando um impacto cada vez maior no mundo do som ao vivo, oferecendo alta potência com dissipação de potência zero e menos peso do que nunca. Hoje em dia, dispositivos portáteis de música estão se tornando mais populares com a crescente demanda por sons externos em dispositivos portáteis de música.

A amplificação de áudio às vezes é feita com tecnologia de amplificador valvulado, mas eles são volumosos e não são adequados para sistemas de som eletrônicos portáteis. Para a maioria das necessidades de amplificação de áudio, os engenheiros optam por usar transistores no modo linear para criar uma saída escalonada com base em uma pequena entrada. Este não é o melhor design para amplificadores de áudio porque os transistores em operação linear conduzem, geram calor e consomem energia continuamente. Essa perda de calor é a principal razão pela qual o modo linear não é ideal para aplicações de áudio portátil operadas por bateria. tem muitas classes de amplificadores de áudio A, B, AB, C, D, E e F. Eles são classificados em dois modos operacionais diferentes, linear e comutação.

Amplificador Classe D

Amplificadores de potência de modo linear - Classe A, B, AB e classe C são todos amplificadores de modo linear que têm uma saída proporcional à sua entrada. Os amplificadores de modo linear não saturam, nem ligam ou desligam totalmente. Como os transistores estão sempre conduzindo, o calor é gerado e continuamente consumindo energia. Esta é a razão pela qual os amplificadores lineares têm menor eficiência quando comparados aos amplificadores de chaveamento. Amplificadores de comutação - classes D, E e F são amplificadores de comutação. Eles têm maior eficiência, que teoricamente deveria ser de 100%. Isso ocorre porque não há perda de energia para a dissipação de calor.

O que é um amplificador de classe D?

O amplificador Classe D é um amplificador de comutação e quando está no estado “LIGADO” ele conduz corrente, mas tem tensão quase zero nos interruptores, portanto, nenhum calor é dissipado devido ao consumo de energia. Quando estiver no modo 'DESLIGADO', a tensão de alimentação estará passando os MOSFETs , mas devido à falta de fluxo de corrente, o switch não está consumindo energia. O amplificador só consumirá energia durante as transições liga / desliga se as correntes de fuga não forem levadas em consideração. Amplificador Classe D consistindo nas seguintes etapas:

• Modulador PMW
• Circuito de comutação
• Filtro passa baixa de saída

Diagrama de Bloco do Amplificador Classe D

Modulador PMW

Precisamos de um bloco de construção de circuito conhecido como comparador. Um comparador tem duas entradas, ou seja, Entrada A e Entrada B. Quando a entrada A tem uma tensão maior do que a entrada B, a saída do comparador irá para sua tensão positiva máxima (+ Vcc). Quando a tensão da entrada A é menor do que a da entrada B, a saída do comparador irá para sua tensão negativa máxima (-Vcc). A figura abaixo mostra como o comparador opera em um amplificador Classe D. Uma entrada (seja o terminal de entrada A) é fornecida com o sinal a ser amplificado. A outra entrada (Entrada B) é fornecida com uma onda triangular gerada com precisão. Quando o nível do sinal é instantaneamente superior ao da onda triangular, a saída é positiva. Quando o nível do sinal é instantaneamente inferior ao da onda triangular, a saída fica negativa. O resultado é uma cadeia de pulsos em que a largura do pulso é proporcional ao nível do sinal instantâneo. Isso é conhecido como ‘Modulação por largura de pulso’, ou PWM .

Modulador PMW

Circuito de Comutação

Mesmo que a saída do comparador seja uma representação digital do sinal de áudio de entrada, ele não tem o poder de conduzir a carga (alto-falante). A tarefa desse circuito de comutação é fornecer ganho de potência suficiente, o que é essencial para um amplificador. O circuito de comutação geralmente é projetado usando MOSFETs. É muito importante projetar que os circuitos de comutação produzam sinais que não se sobrepõem, ou então você terá o problema de curto-circuitar sua fonte direto para o terra ou se usar uma fonte dividida em curto-circuito. Isso é conhecido como disparo direto, mas pode ser evitado pela introdução de sinais de gate não sobrepostos aos MOSFETs. O tempo não sobreposto é conhecido como tempo morto. Ao projetar esses sinais, devemos manter o tempo morto o mais curto possível para manter um sinal de saída de baixa distorção preciso, mas deve ser longo o suficiente para impedir que os dois MOSFETs conduzam ao mesmo tempo. O tempo que os MOSFETs estão no modo linear também deve ser reduzido, o que ajudará a garantir que os MOSFETs estejam funcionando de forma síncrona, em vez de ambos conduzirem ao mesmo tempo.

Para esta aplicação, os MOSFETs de potência devem ser usados ​​devido ao ganho de potência no projeto. Os amplificadores Classe D são usados ​​por sua alta eficiência, mas os MOSFETs têm um diodo interno que é parasita e permitirá que a corrente continue girando livremente durante o tempo morto. Um diodo Schottky pode ser adicionado em paralelo ao dreno e à fonte do MOSFET para reduzir as perdas através do MOSFET. Isso reduz suas perdas porque o diodo Schottky é mais rápido do que o diodo do corpo do MOSFET garantindo que o diodo do corpo não conduza durante o tempo morto. Para reduzir as perdas devido à alta frequência, um diodo Schottky em paralelo com o MOSFET é prático e necessário. Este Schottky garante que a tensão entre os MOSFETs antes de desligar. A operação geral dos MOSFETs e do estágio de saída é análoga à operação de um Conversor Buck . As formas de onda de entrada e saída do circuito de comutação são mostradas na figura abaixo.

Circuito de Comutação

Filtro passa-baixo de saída

O estágio final de um amplificador Classe D é o filtro de saída que atenua e remove os harmônicos da frequência do sinal de comutação. Isso pode ser feito com um arranjo de filtro passa-baixa comum, mas o mais comum é uma combinação de indutor e capacitor. Um segundo filtro de ordem é desejado para que tenhamos um roll-off de -40dB / Década. A faixa de frequências de corte é entre 20 kHz a cerca de 50 kHz devido ao fato de que os humanos não podem ouvir nada acima de 20 kHz. A figura abaixo mostra o filtro Butterworth de segunda ordem. A principal razão pela qual escolhemos um filtro Butterworth é que ele requer a menor quantidade de componentes e tem uma resposta plana com uma frequência de corte acentuada.

Filtro passa-baixo de saída

Aplicações do amplificador Classe D

É mais adequado para dispositivos portáteis porque não contém nenhum arranjo de dissipador de calor extra. Tão fácil de transportar. O amplificador classe D de alta potência tornou-se padrão em muitas aplicações eletrônicas de consumo, como

• Aparelhos de televisão e sistemas de home theater.
• Alto volume de eletrônicos de consumo
• Amplificadores de fone de ouvido
• Tecnologia móvel
• Automotivo

Portanto, trata-se de operação e aplicações de amplificadores classe D. Esperamos que você tenha entendido melhor este conceito. Além disso, quaisquer dúvidas sobre este conceito ou para implementar qualquer projetos elétricos e eletrônicos , dê sua opinião comentando na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, Quais são as aplicações do amplificador Classe D?